1
MASOVÉ ROZVOJE SINIC
NH
O
C H3
N NH NH NH
NH
O
O
OH
HH
O3 SO
H3C
H
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
O
O
O
N
H
N
+
O
O
O
-
N
NH
N
H
N
H
NH 2
+
O
NH 2
+
OH
OH
H
NH 2 O
SINICE (=CYANOBAKTERIE)
• fotosyntetizující prokaryota
• osidlují rozmanité biotopy (sladké i slané
vody, vlhká půda, ledovce, kůra dřevin, fykobionti v
lišejnících…)
• většina druhů se vyskytuje ve vodních
ekosystémech
• produkce biologicky aktivních látek
• cca 3.5 mld let staré
• vytvoření kyslíkové atmosféry Země
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
2
Masový rozvoj sinic – globální problém
Upper Saranac River, USA
Lake Mokoan, Austrálie
Neuse River, USA
Baltské moře, Evropa
Jihoafrická republikaŽluté moře, Čína
Nové Mlýny, Česko
Bedetti Lake, Argentina
TROFIZACE VOD – antropogenní příčiny
globální oteplování
nárůst UV
radiace
nárůst
CO
2
?
?
surfaktanty
dioxiny
pesticidy
Cl-bifenyly
freony
radionuklidy
skleníkové
plyny
NxOy
SOx
O3
polyaromatické
CxHy
ropné
látky
PO4
3-
NH4
+
NO3
-
kovy
surfaktanty
ftaláty
trofizace
vod
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
3
Dominanty trofizovaných vod
1. drobné planktonní řasy
(vegetační zbarvení)
2. koloniální a vláknité sinice
(tzv. vodní květ)
3. bentické sinice a rozsivky
4. litorální vláknité řasy
5. vyšší vodní vegetace
- rostliny
• Toxické VKS
80% nádrží a
rybníků v ČR
HRAZ
SOKOLAK
ROKLE
datum
100
1000
10000
20000
100000
500000
1000000
2000000
2500000
3.5. 15.5. 30.5. 12.6. 26.6. 10.7. 24.7. 7.8. 20.8. 3.9. 18.9.
b/ml
datum
Hráz
Přístaviště
Sokolské
koupaliště
1. VAROVÁNÍ
I. SIGNALIZACE
II. SIGNALIZACE
III. SIGNALIZACE
?
• WHO (ČR) 1 µg/l
MC-LR v pitné vodě
• při 100 000 buněk/ml
- zákaz koupání
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
4
• Toxické VKS
80% nádrží a
rybníků v ČR
HRAZ
SOKOLAK
ROKLE
datum
100
1000
10000
20000
100000
500000
1000000
2000000
2500000
3.5. 15.5. 30.5. 12.6. 26.6. 10.7. 24.7. 7.8. 20.8. 3.9. 18.9.
b/ml
datum
Hráz
Přístaviště
Sokolské
koupaliště
1. VAROVÁNÍ
I. SIGNALIZACE
II. SIGNALIZACE
III. SIGNALIZACE
?
• WHO (ČR) 1 µg/l
MC-LR v pitné vodě
• při 100 000 buněk/ml
- zákaz koupání
Důsledky masového rozvoje sinic
- snížení biodiverzity
- narušení kyslíkového režimu (ranní anoxické
zóny; rozklad biomasy )
- snížení kvality vod (produkce pachů a pachutí)
- hospodářský dopad (rekreace, rybářství)
- produkce cyanotoxinů
- nejznámější producenti:
Anabaena, Aphanizomenon, Microcystis, Planktothrix,
Nodularia, Cylindrospermopsis
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
5
! LIDSKÉ AKTIVITY !
CYANOTOXINY
masový rozvoj sinic
(vodní květy)
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
N
NH
NH
NH
NH
2
HO
O
OH
NH
HO
OH
O
H
3C
H
3C
O
H 2N
O
O
+H
2N
H
OH
OH
N H
2
+
N H
N H
N
NH
N N H N H N H
N H
O
O
OH
HH
O
3
S O
H 3C
H
N H
O
C H 3
eutrofizace vodních
ekosystémů
CYANOTOXINY
spalování
zemědělství,
odpadní vody
nárůst koncentrace
CO2 v atmosféře,
nárůst UV radiace
sinice
(cyanobaktérie)
GLOBÁLNÍ
ENVIRONMENTÁLNÍ
PROBLÉM
GLOBÁLNÍ
ENVIRONMENTÁLNÍ
PROBLÉM
produkují stovky sekundárních metabolitů
• rozmanité struktury:
• peptidy a depsipeptidy (lineární, cyklické)
• heterocyklické sloučeniny
• lipidické látky
BIOTOXINY - vysoká akutní toxicita pro savce
- dle specifických účinků:
neurotoxiny, hepatotoxiny,dermatotoxiny,genotoxiny,
imunotoxiny a embryotoxiny
CYTOTOXINY – biologická aktivita, nízká akutní toxicita
(př. protirakovinné metabolity-cryptophyciny)
SINICE

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
6
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
OCH3
CH3 CH3
H3C
O
COOH CH3
COOH
H3C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
• nejvýznamnější jsou:
microcystiny a nodulariny
anatoxiny a saxitoxiny
cylindrospermopsin
• toxicitu vykazují také
sinicové lipopolysacharidy –
součást
buněčných stěn všech sinic
• desítky dalších metabolitů
s biologickou aktivitou
(př. herbicidní, fungicidní,
protirakovinnou, virocidní,
chelatační,aniticyanobakteriální)
Masový rozvoj sinic – CYANOTOXINY
NH
O
CH3
N
NH
N
H
N
H
NH 2
+
O
N H 2
+
O H
O H
H
NH 2 O
NH N
N
CH3
CH3
NH
P
O
O
-
O
CH3
N NH N H NH
N H
O
O
O H
HH
O 3 S O
H 3 C
H
MICROCYSTIN
ANATOXIN-A(S)
SAXITOXINY
ANATOXIN-A
CYLINDROSPERMOPSIN
Specifické účinky cyanotoxinů
• Neurotoxiny – narušení nervového systému
– Anatoxin-a
– Anatoxin-a(s)
– Saxitoxin
– Neosaxitoxin
• Hepatotoxiny – poškození jater
– Microcystiny
– Nodulariny
– Cylindrospermopsin
• Dermatotoxiny - poškození kůže
- Lyngbyatoxin
- Aplysiatoxin
• Promotory nádorů – podporují nádorové bujení
– Microcystiny, lyngbyatoxin, aplysiatoxin
Lipopolysacharidy – narušení gastrointestinálního traktu,
kožní iritant 
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
7
CEECHECEECHE –– Bratislava, 2006Bratislava, 2006
CYANOTOXINY
Nejvýznamnější rody produkující cyanotoxiny
(dosud identifikováno cca 50 druhů
produkujících tyto látky):
Anabaena (microcystiny, anatoxiny, anatoxin-a(S),
saxitoxiny, cylindrospermopsin)
Aphanizomenon (anatoxiny, saxitoxiny,
cylindrospermopsin)
Microcystis, Nodularia (microcystiny a nodulariny)
Planktothrix/Oscillatoria (microcystiny, anatoxiny,
saxitoxiny)
Cylindrospermopsis (cylindrospermopsin, saxitoxiny)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
8
„Nové“ cyanotoxiny
• Ohromné množství sloučenin (anagnostec.com: 5000 látek)
• Minimum informací:
•toxikologie ?
• výskyt a osud v prostředí ?
• vliv na volně žijící organismy ?
• účinky složitých směsí ?
• přirozená funkce těchto látek ?
• Podle mnoha indicií existuje mnoho dalších dosud
neobjevených toxických metabolitů sinic (sinice jsou často
toxické i když neobsahují žádný z dosud identifikovaných
cyanotoxinů!!!).
• Farmakologicky slibné látky
•Tříděné látek, nomenklatura….. nejednotné
• detailní studium – nutnost LC/MS instrumentace
Hypotézy o vzniku/fci cyanotoxinů
1% suché váhy - microcystiny
1.Role v metabolismu živin
- Zásoba dusíku? Skladování železa (chelatace)
2.Vnitrodruhová komunikace a signalizace
- Geny ovlivněny světlem, hustotou kultury
- Spojitost s látkami účastnících se na shlukování buněk
(formování / rozpad kolonií) –migrace ve vodním sloupci
- Protein pro transport MC z buňky, ale 90% v
buňce
Fce MC extracelulární ?
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
9
3. Obrana proti predátorům
• Zooplankton (přírodní koncentrace rozpuštěného
MCs neúčinné)
• Synergické působení více toxinů
• Produkce zvyšována v prostředí s predátory (nebo
látkami, které vylučují)
• Geny pro syntézu MCs existovaly už ve starohorách
-eukaryota později (MC cíl jsou Protein fosfatázy)
• Sinice bez MC odolávají predační tlakům
• Je to varovný signál ? Organismy jej nejsou
schopny rozlišit
Hypotézy o vzniku/fci cyanotoxinů
4. Alelopatické působení
• Jen některé fotoautotrofní organismy jsou
ovlivněny již v přírodních koncentracích MC
• Inhibice růstu, fotosyntézy, ox.stres, inhibice
enzymu a buněčných procesů
• Řada z fotoautotrofů ovlivnitelná až při vysokých
koncentracích
• Hlavní konkurenti řasy – žádné účinky v přírod.
podmínkách
• Řasy = eukaryota
• Většina MCs uvnitř buněk sinic
Hypotézy o vzniku/fci cyanotoxinů

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
10
Sinice & ekosystém
MASOVÝ
ROZVOJ
SINIC
Cyanotoxiny
Cyanotoxiny – zdravotní a ekologická rizika ?
NH
NH
O
O
CH3
NH
NH
NH
N
NH
O
O
O
O CH3
CH3 CH3
H3 C
O
C OOH C H3
C OOH
H3 C
O
H2C
CH3
CH3
NH
NH2HN
OCH3
CH3 CH3
NH
NH
NH
O
CH
3
COOH
NH
N
CH3
CH3
O
O
COOHO
O
NH
NH NH2
CH3
NH
O
CH3
N
NH
N
H
N
H
NH 2
+
O
N H 2
+
O H
O H
H
NH 2 O
NH N
N
C H3
C H3
NH
P
O
O
-
O
CH 3
CH3
NH
N
O
N
S
N
S
N S
N
S
H3C
CH3
O
H3C H3C CH3
CH3
N
NH
H3 C
H3 C
O
O
O
NH
NH
NH
O
O
HO
H3C
CH3
NH NH
NH
O
O OH
NH2
NH
NH
NH
N
OH
CH3
CH3
O
NH
H3C CH3
H2N
OH
NH
NHH3C
O
O
O
H3C
NH
O
O
O
OCOOH
H3C
O
N
NH
N
S
NH NH
N
S
CH3
CH3
H3 C
H3C O
O
O
HO
O
H3C
H3C
O
OH
NH OH
O
HO
NH2
NH
NH
NHN
O
O
O
N
H
CH2
CH3
Cl
CH2
CH3
N
N
H
N
+
O
O
O
You
created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
11
Bioakumulace MICROCYSTINU
Bioakumulace microcystinu-LR v rybí tkáni
ToxinsToxins
Animal Health EffectsAnimal Health Effects
Country Species Killed
•• ArgentinaArgentina
•• AustraliaAustralia
•• CanadaCanada
•• EnglandEngland
•• USAUSA
•• cattlecattle
•• cattle, sheepcattle, sheep
•• cattle, waterfowlcattle, waterfowl
•• dogs, fishdogs, fish
•• dogs, cattle,dogs, cattle,
human?human?
In July 2002, a Wisconsin teenager died two days after swimming in
a golf-course pond that had a bloom of Anabaena flos-aquae. A year
later, an autopsy reported the death was due to cyanotoxins in the
pond water (Anatoxin-a).
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
12
Účinky na fotoautotrofní organismy
• studium alelopatických interakcí
• objasnění možné funkce některých cyanotoxinů
Zelené řasy (Chlorophyta)
Sinice (Cyanophyta)
Skrytěnky
(Cryptophyta)
Rozsivky (Chromophyta)
Sinice, cyanotoxiny a řasy
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0 2 4 6 8 10 12
čas (dny)
OD(680nm)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0 2 4 6 8 10 12
čas (dny)
OD(680nm)
RR LR
Pseudokirchneriella subcapitata
kontrola
1 g/L
10 g/L
100 g/L
1000 g/L
5000 g/L
25000 g/L
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
13
Účinky na živočichy
• planktonní korýši (Daphnia magna)
• akutní toxicita, chronická a reprodukční
toxicita
• embrya drápatek (Xenopus laevis)
• embryotoxicita, teratogenita
control
BIOMASS
AQ.EXTRACT
C18 PERMEATE
C18 ELUATE
SPINACH
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
time (day)
0
20
40
60
80
100
Reprodukce
Kontrola
Extrakt z řas
Celý vod. květ
Frakce - mcystiny
Permeát
Extrakt
Sinice, cyanotoxiny a zooplankton
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
14
Sinice, cyanotoxiny a vodní obratlovci
- embryotoxicita, teratogenita
Kontrola
Týden Vědy 2006, BrnoTýden Vědy 2006, Brno
Sinice, cyanotoxiny a vodní obratlovci
25
50
75
100
Survivingembryos(%)
MLR
biomas with MLR (mg/L)
biomass without MLR (mg/L)
A
Control
10
12
25
30
Concentration (log scale)
g/L)
MLR based (g/L)
Biomass based (mg/L)
100
120
50
60
250
300
0
25
50
75
Malformationsatsurvivedembryos(%)
MLR
Biomass with MLR (mg/L)
Biomass without MLR (mg/L)
A
Control
g/L)
10
12
25
30
MLR based (g/L)
Biomass based (mg/L)
100
120
50
60
250
300
MC-LR
Biomasa s / bez MC
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
15
• Úhyny ryb spojené především
se snížením obsahu kyslíku
Účinky na obratlovce
• Hromadné úhyny ptáků v různých
částech světa spojovány s masovými
rozvoji sinic – nejednonačné důkazy
• Většinou souhrn více faktorů – paraziti, UV, sinice,
patogeny – oslabení populací
Mezibuněčná komunikace mezerovými spoji
• Mezibuněčná komunikace mezerovými spoji (Gap Junctional
Intercellular Communication, GJIC)
zajišťuje nespecifický transport malých molekul a iontů mezi
sousedícími buňkami
INHIBICE GJIC - je ukazatelem promoce nádorů
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
16
WB F344 (jaterní buňky krys)
(pluripotentní buňky)
Konfluentní buněčná linie
Expozice (30 min)
- opláchnout
- přidat luciferovou žluť (LŽ)
!nevstupuje do živých buněk!
- řezy buňkami pomocí sklapelu
! LŽ prostupuje buňkami
a GJIC difunduje do okolních b.
(3min)
Fluorescenční mikroskopie
vzdálenost difuze ~ úroveň GJIC
Princip GJIC testu
Buňky komunikují
/ kontrola - MeOH /
Inhibice GJIC
/ biomasa sinic
2 mg/mL MC-LR/
Fluorescenční mikroskopie ve WB F344 buňkách (30 min
expozice)
Inhibice GJIC
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
17
Metody omezení masového rozvoje sinic
• Snížení koncentrace živin v povodí nad nádrží
• Snížení koncentrace živin v nádrži vlastní
• Odstraňování inokula sinic ze sedimentů
• Regulace rybí obsádky
• Rozšiřování makrofyt (vyšší vodní rostliny)
• Algicidní zásahy
Fosfor jako limitující prvek
0.020.00007FeIron
0.040.0006NaSodium
0.060.06SSulfur
0.070.0004MgMagnesium
0.080.000001PPhosphorus
0.30.00023KPotassium
0.40.0015CaCalcium
0.70.000023NNitrogen
1.30.00065SiSilicon
6.50.0012CCarbon
9.711.0HHydrogen
80.589.0OOxygen
Demand by plants (%)Supply in water (%)SymbolElement
Zákon minima: limitujícím prvkem pro růst rostlin je ten
prvek, který je v prostředí v minimu
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
18
Stupně trofie
> 100 µg/LHypertrophic
30-100 µg/LEutrophic
10-30 µg/LMesotrophic
< 10 µg/LOligotrophic
Koncentrace celkového fosforu ve
vodě (µg/L)
Trofický stav
Pro masový rozvoj sinic postačuje koncentrace fosforu
cca 20-25 µg/L
Brněnská přehrada: 200-300 µg/L
Plumlov: 40-50 ug/L
Máchovo jezero – 20-30 ug/L
Zdroje fosforu a sinic (nejen) v nádržích
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
19
Zdroje fosforu v povodí nad nádrží
Bodové zdroje – lidská sídla (města, vesnice)
- průmyslové závody
- zemědělské objekty
- čistírny odpadních vod!
- rybníky… atd.
Difuzní zdroje – atmosferický spad
- geologické podloží
- roztroušená sídla
- pole … atd
Zdroje fosforu v nádrží
• Biomasa – řasy, rostliny, sinice, zooplankton, ryby …
• Sediment – zásobárna fosforu nádrží
- zpětné uvolňování do vodního sloupce za
anoxických podmínek (role dusičnanů)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
20
Zdroje sinic
• Sinice jsou přirozenou součásti nádrží, avšak bez
„pomoci“ člověka by se nikdy znovu nestaly dominantní
skupinou autotrofů
• Povodí nad nádrží – rybníky, přehrady s masovým
rozvojem sinic
• Sedimenty v nádržích s masovým rozvojem sinic
Vliv živin na potravní řetězec nádrže
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
21
Cyanobacterial inoculum
millions cells/cm3 of sediments
0 – 0,15
0,15 – 0,8
0,8 – 1,5
1,5 – 2,5
2,5 – 3,5
3,5 - 5
5 – 7,5
> 7,5
Inokulum sinic v sedimentech
Brněnská
Přehrada
2002
Snižování koncentrace fosforu v povodí
•Výstavba ČOV s terciálním stupněm čištění
•Zákaz používání fosfátových prášků a mycích prostředků
•Technická protierozní opatření
•Vrstevnicové hospodaření
•Ochranné travní pásy
•Zajištění úniků živin z farem
•Terasy a meze
•Decentralizované čištění odpadních vod
•Nevegetační stabilizace půdy
•Protipovodňová opatření v citlivých oblastech
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
22
Snižování koncentrace fosforu v nádrži
• Aplikace železa/hliníku
• Aplikace vápna
• Využití jílů
• Hypolimnické upouštění
Snižování koncentrace fosforu v nádrži
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
23
Ošetření sedimentů
• Překrývání sedimentů – aktivní bariéry
- pasivní bariéry
• Odstraňování sedimentů – sací bagry (Vajgar)
• Oxidace sedimentů – Riplox
- provzdušňování
• Aplikace bakterií
Ošetření sedimentů
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
24
Ošetření sedimentů
Ošetření sedimentů
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
25
Regulace struktury biotický vztahů
• Využití mikroorganismů pro omezení masového rozvoje
sinic
• Viry
• Bakterie
• Řasy
• Prvoci
• Houby a houbové organismy
Regulace struktury biotický vztahů
• Využití rybí obsádky
• Přímá predace planktofágních ryb –
ichtyoeutrofizace (Tilapie?)
• Redukce bentofágních ryb (kapr, candát, cejn)
• Podpora dravých ryb (okoun, štika…) = podpora
růstu vyšších rostlin
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
26
Regulace struktury biotický vztahů
• Využití makrovegetace
• Podpora rozvoje litorální vegetace → redukce živin (N,
P), stabilizace ekosystému
• Odstranění nežádoucích látek (kumulace těžkých kovů,
pesticidů aj.)
• Produkce alelopatických látek inhibujících růst sinic
(Myriophyllum sp.)
Aplikace algicidních přípravků
Zásahy (pomocí algicidních přípravků)
proti autotrofním organismům v
eutrofních vodách je finančně náročný a
nevede k dlouhodobým efektům pokud
nejsou odstraněny živiny v povodí nad
nádrží! Ale…
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
27
Proč se tedy provádí algicidní zásahy?
•Máchovo jezero
•Založeno Karlem IV 1366
•Rozloha 284 ha
•1928 otevřena první pláž
•Denně návštěva až 30.000 lidí za účelem rekreace
Aplikace přípravků sice nemůže vyřešit problém Máchova
jezera, může ovšem snížit zdravotní rizika rekreantů a
udržet turistický ruch
Algicidní zásahy
• Výhody
• Rychlý účinek
• Relativně levné
• Snadná
manipulace
• Dostupnost
Nevýhody (Rizika)
• Toxicita pro necílové
organismy
• Akumulace v
životním prostředí
• Vznik rezistence
• Kyslíkový deficit na
dně nádrže
• Uvolňování toxinů
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)
28
Algicidní látky
• Přírodní látky - ječná sláma, Myriophyllum, výluhy
rostlin (listový opad)
• Algicidy první generace – skalice modrá, dusičnan
stříbrný, manganistan draselný
• Algicidy druhé generace – většinou komerční přípravky
biologicky rozložitelné, selektivní vůči řasám/sinicím,
nezanechávají rezidua v ekosystému
• Koagulanty – síran hlinitý, polyaluminium chlorid, síran
železitý (snižují obsah živin ve sloupci, schopny i
odstraňovat buňky sinic)
You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)