Cianobactérias Tóxicas
Introdução
Cianobactérias são organismos pioneiros na terra com fósseis que datam de 2,5 bilhões de anos atrás ou mais. Diferem das demais bactérias por realizarem fotossíntese com a liberação de oxigénio. São organismos cosmopolitas e habitam os mais variados tipos de ambientes inclusive ambientes hiper-salinos e fontes térmicas. As cianobactérias foram os primeiros organismos responsáveis pela transformação da atmosfera da terra de redutora para oxidante (anaeróbica para aeróbica).
O facto de se multiplicarem excessivamente em ambientes eutrofizados, formando as chamadas florações, tem chamado a atenção para esse grupo de organismos. Florações são tóxicas ou não; as tóxicas podem prejudicar a saúde de animais e humanos. Além de produzirem as cianotoxinas, que são um grupo de compostos quimicamente bem caracterizado, estes organismos produzem inúmeros outros metabólitos secundários. Actualmente considera-se as cianobactérias uma rica e pouco explorada fonte de novos compostos com interessante actividade biológica.
Este Phylum, Está incluído no Reino Procarya, Sub-reino Eubacteria. (Dagnino D. et .al (2000)).
As cianotoxinas são correntemente agrupadas em classes de acordo com o seu modo de toxicidade. Os mecanismos da toxicidade das cianobactérias descritos e conhecidos são muito diversos e vão desde efeitos hepatotóxicos, neurotóxicos e dermatóxicos, à inibição geral da síntese de proteínas. As cianotoxinas incluem-se em três grupos de estrutura química: péptidos cíclicos,
alcalóides e lipopolissacarídeos (LPS), com pesos moleculares que variam entre 165
e 1000 Da. As microcistinas e nodularinas são, respectivamente, heptapéptidos e pentapéptidos cíclicos e globalmente são as cianotoxinas mais frequentemente encontradas em blooms de água doce. Elas são hepatotóxicas para os animais, com sinais exteriores de envenenamento que incluem fraqueza, palidez, extremidades geladas, respiração pesada, vómitos e diarreia. As microcistinas são promotoras de tumores. A destruição da estrutura e função do fígado ocorre com hemorragia interna no fígado e morte por problemas respiratórios. Pelo menos são conhecidas 65 variantes de microcistinas e seis variantes de nodularinas. As neurotoxinas , ex. anatoxina-a, interferem com o funcionamento do sistema nervoso e causam frequentemente morte em poucos minutos devido à paralisia dos músculos respiratórios. (Campinas M. et al. 2002)
Cianobactérias
As cianobactérias fazem parte do fitoplâncton natural e essencial num ecossistema aquático e em termos económicos, estas bactérias têm uma importância elevada (são uma fonte importante de compostos biomédicos, como antivirícos, antibióticos, antitumores e antifungícos). No entanto, em determinadas condições, normalmente uma combinação de elevada carga de nutrientes, temperatura elevada e condições estáveis, as cianobactérias podem crescer excessivamente e formar blooms
Os blooms de cianobactérias em reservatórios de água destinada à produção de água para consumo humano originam muitos problemas para o abastecimento de água potável (entupimento de filtros, acréscimo da dosagem de reagentes, produção de odores e sabores). No entanto, as crescentes preocupações relacionadas com as cianobactérias prendem-se com o facto de uma proporção significativa de cianobactérias produzirem uma ou mais toxinas. Os potenciais riscos de saúde associados às cianobactérias tóxicas só recentemente é que foram descobertos em águas destinadas à produção de água para consumo humano, pelo que
actualmente a remoção de cianobactérias e suas toxinas é um dos grandes desafios do tratamento de água.
A monitorização de cianobactérias e cianotoxinas nas origens de água é uma prática ainda pouco comum em muitos países. No entanto, quando aqui existem populações de cianobactérias, deve ser efectuado um controlo de cianotoxinas e cianobactérias ao longo de pontos críticos do sistema de abastecimento de água. Estes locais incluem o reservatório de água origem da captação, a água bruta da estação de tratamento de água (ETA), pontos-chave do processo de tratamento e a água tratada. Uma das prioridades é avaliar a eficiência dos sistemas de tratamento de água na remoção de cianotoxinas. (Dagnino D. et .al (2000))
As cianobactérias são também conhecidas como algas verdes-azuis devido à combinação de características comuns às bactérias e às algas. Estas bactérias são procariotas fotossintéticos uni e multicelulares que possuem clorofila a. A maioria das cianobactérias são fotoautotróficas aeróbias, que precisam de água, dióxido de carbono, substâncias inorgânicas e luz, para a sua sobrevivência. A fotossíntese é o seu principal modo de metabolismo de energia. No entanto, em ambiente natural, conhecem-se espécies capazes de sobreviver longos períodos na escuridão. Assim, algumas cianobactérias apresentam uma capacidade distinta para a nutrição heterotrófica. Há registos de cianobactérias muito pequenas (0,2 – 2 µm), tendo sido reconhecida como uma fonte potencial significativa na produção primária, em vários ambientes aquáticos.
A morfologia básica das cianobactérias compreende formas unicelulares, coloniais e multicelulares filamentosas, podendo estas serem ou não ramificadas e portadoras ou não de células especializadas, os heterocistos. Muitas espécies de cianobactérias possuem vesículos de gás que são inclusões citoplasmáticas cilíndricas que se enchem de gás, capazes de proporcionar regulação na flutuação. A sua função é dar às espécies planctónicas um importante mecanismo ecológico de serem capazes de ajustar a sua posição vertical na coluna de água. (Campinas M. et al. 2002). A classificação de cianobactérias baseia-se ainda muito na morfologia das espécies. Sabe-se no entanto que esta morfologia pode alterar-se bastante de acordo com o ambiente onde são encontradas . Segundo a taxonomia bacteriológica as cianobactérias são divididas em 5 seções:
• Seção I: Chroococales, cianobactérias cocóides que se multiplicam por divisão binária; • Seção II: Pleurocapsales, cianobactérias cocóides que se multiplicam por fissão múltipla; •Seção III: Oscillatoriales, cianobactérias com filamentos simples que não possuem células especializadas (heterocitos ou acinetos);
•Seção IV: Nostocales, cianobactérias com filamentos simples que possuem heterocitos e acinetos;
•Seção V: Stigonematales, cianobactérias filamentosas ramificadas que possuem heterocitos e acinetos.
Blooms
Actualmente considera-se as cianobactérias uma rica e pouco explorada fonte de novos compostos com interessante actividade biológica.
Sabe-se que a exposição de bactérias a condições desfavoráveis leva a uma desaceleração do seu crescimento aumentando as suas chances de sobrevivência em ambientes hostis (Dagnino D. et .al (2000)).
Apesar das cianobactérias serem encontradas em ambientes terrestres dociculas e marinhos, são os ambientes dociculas que normalmente sofrem este fenómeno. Corpos de água ricos em nutrientes como lagos eutrofizados, lagoas de agricultura e barragens, podem suportar um rápido crescimento das cianobactérias. Quando as condições são boas, um corpo de água limpo pode tornar-se muito turbido, devido ao exagerado crescimento desses microorganismos, dentro de poucos dias. Muitas espécies podem regular a sua flutuabilidade
e manter-se na superfície formando uma mancha de tamanho considerável, podendo ser confundida com manchas de tinta ou óleo. Em geral as cianobactérias não podem manter essa taxa populacional tão alta durante muito tempo e vão rapidamente morrer e desaparecer depois de uma ou duas semanas. Se essas condições permanecerem favoráveis, outro bloom pode rapidamente substituir o primeiro. Na verdade, blooms sucessivos podem-se sobrepor, dando ilusão de um bloom contínuo durante muitos meses.
É difícil prever quando um bloom vai ocorrer, entretanto todos os blooms requerem luz, oxigénio, e nutrientes pricipalmente fósforo. (Scott N., 2002)
3 géneros de cianobactérias são responsáveis pela maioria dos blooms por todo o mundo, incluindo blooms tóxicos: Microcystis, Anabaena e Aphanizomenon, sendo que os blooms podem ser compostos de um ou uma mistura de dois ou mais géneros de cianobacterias. Onde ocorrem
Podem ocorrer em qualquer ambiente de água paradas ricas em nutrientes como lagos, canais de escoamento, lagoas de tratamento ou estuários. Factores físicos e químicos necessários para a indução de produção de toxinas por um bloom são complexos e incertos. Entretanto alguns requisitos são conhecidos, o que inclui a taxa elevada de nutrientes como o azoto e o fósforo; pH’s entre 6 e 9 e temperaturas que podem suportar o crescimentos relativamente lento das cianobactérias.
Pelo facto da maioria delas ser fotossintéticas, elas podem estar limitadas pela disponibilidade de luz, entretanto podem crescer sob condições de luz relativamente baixas. Pesquisas mostram que algumas podem ser tanto fotossintéticas como heterotróficas ao mesmo tempo; o que pode contribuir para a sua tolerância a pouca luz.
Algumas das adaptações ao meio ambiente, são coordenadas na população por sinais químicos extra-celulares, Microcystis, género de cianobactéria que acumula hepatotoxinas. A compreensão dos mecanismos que regulam a sua proliferação certamente contribuirá para o controle de florações de cianobactérias.
O isolamento e identificação dos compostos inibidores guiarão o desenvolvimento de novos algicidas mais específicos, com menores impactos negativos sobre o meio ambiente do que os algicidas utilizados usualmente. A investigação do mecanismo de inibição da multiplicação celular revelou que a adição de meio condicionado leva a um desmantelamento do aparato fotossintético das células. Este desmantelamento pode ser observado na mudança do espectro de absorvância das células tratadas com o meio condicionado. (Dagnino D. et .al (2000)) Quando ocorrem
Mais frequentemente ocorrem no final do Verão e princípios do Outono, quando a temperatura da água alcança 21º-27ºC; nessas temperaturas elas crescem rapidamente, e podem originar um bloom em poucos dias.
Especialmente quando as condições climáticas mudam de tempestade para calmaria (quando a coluna de água torna-se fortemente estratificada), um excessivo número de colónias ou células flutuantes, podem acumular-se na superfície. Ventos brandos trazem-nas para a costa, onde formam espuma. Em casos extremos essas aglomerações podem tornar-se muito densas e adquirir uma consistência gelatinosa.
Enquanto as aglomerações de cianobacterias são frequentemente causadas por especias planctonicas em aguas eutroficas, aglomerados bentonicos em aguas oligotroficas causam ocasionalmente problemas; essas redes que combrem a superfície crescem apenas em aguas claras na qual a luz do sol penetra até ao fundo. Durante dias ensolarados a sua fotossitese pode levar a altas taxas de produção de oxigénio, formando bolhas que levam partes dessa mesma rede para a superfície.
Cianotoxinas
As cianobactérias estão a provar ser uma grande fonte de novos compostos orgânicos com actividade biológica. Entre estes compostos catalogados, muitos deles, são tóxicos e suspeitos de serem a causa de mortes de animais (incluindo humanos).
Microcistinas – São um grupo heptapeptidíco (7 aminoácidos) de hepatotoxinas (toxinas que afectam o fígado) produzido por um numero de bactérias do género cianobactérias; a mais notável das cianobactérias; ocorrem em todo o mundo; existem 60 tipos diferentes de microcistinas identificadas até a data presente. Consistem num anel peptídico de sete partes que é feito de 5 aminoácidos isolados e 2 aminoácidos que formam uma proteína. São estes 2 que distinguem as microcistinas umas das outras, no entanto os outros aminoácidos são mais ou menos constantes entre microcistinas diferentes. Usando a nomenclatura de letra isolada do aminoácido, a cada microcistina é designada um nome dependendo na variabilidade de aminoácidos que completam a sua estrutura. A mais comum e potencialmente tóxica microcystin-LR contém o aminoácido Leucina (L) e Arginina (R) em posições variadas.
Nodularinas – O primeiro estudo científico da toxicidade dos blooms de cianobactérias foram feitos na Nature por George Francis em 1878. O autor relatou que morte de gado tinha ocorrido como resultado de beber de um lago com um bloom, em Austrália. O organismo responsável foi descrito como Nodularia spumigena e a sua toxina tem sido isolada desde então e caracterizada como nodularina. A sua estrutura está relacionada com as estruturas das microcistinas mas diferem no facto, a nodularia é composta apenas em 5 aminoácidos no anel peptídico. Não só são estas estruturas destas duas cianotoxinas similares, cmo também ambas aparentam o mesmo efeito hepatóxico através da forte inibição de proteínas, fosfotases.
Anatoxinas – São um grupo de alcalóides neurotóxicos produzidos por vários géneros de cianobactérias, entre os quais, Anabaena, Oscillatoria e Aphanizomenon. A anatoxina-a foi a primeira toxina de cianobactéria a ser quimicamente e funcionalmente definida e trata-se de uma amina secundária. Os sinais de envenenamento por esta toxina, em animais selvagens e domésticos, incluem: desequilíbrio, fasciculação muscular, respiração ofegante e convulsões. A morte é devida a parada respiratória e ocorre de poucos minutos a poucas horas, dependendo da dosagem e consumo prévio de alimento. Os sinais clínicos de intoxicação mostram uma progressão de fasciculação muscular, decréscimo de movimentos, respiração abdominal exagerada, cianose, convulsão e morte. Este alcalóide neurotóxico é um potente bloqueador neuromuscular pós-sináptico de receptores nicotínicos e colinérgicos.
Bibliografia
Scott N., algae, cyanobacteria and water quality, 2002
Actas do 10º Encontro Nacional de Saneamento Básico. Associação Portuguesa de Saneamento Básico. Universidade do Minho, 16-19 de Setembro 2002.
Crayton A., Toxic Cyanobacteria blooms, Biology departement. Pacific Lutheran University, Washington
Chorus I (2001), Cyanotoxins, accurence, causes, consequences. Heidelberg, Springer, 357
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D. Denise (2000), Controle de florações de cianobactérias tóxicas – buscando inibidores de
