1
Neurotoxické látky v povrchových vodách
1 Úvod
Znečištění povrchových vod je v současnosti velkým problémem. Látky vyskytující se
ve vodách mohou být různého původu a s různými mechanismy účinku. Mnoho látek je do
prostředí vnášeno člověkem, ale velká část jich je také přírodního původu.
Za toxické látky jsou považovány ty, které jsou produkovány živými organismy a
ovlivňují život dalších organismů (těžce poškodí jeho zdraví, nebo mohou způsobit úhyn
organismu). (1
) Pro organismy je produkce toxických látek životní strategií, která jim
umožňuje přežít a popřípadě dominovat v daném ekosystému. (1
) Z hlediska množství
producentů a různých mechanismů účinku mají toxiny obrovskou diverzitu. (1
)
Hlavními přírodními zdroji neurotoxických látek ve vodním prostředí jsou prokaryota.
(1
) Za jejich produkci jsou zodpovědné především sinice. Sinice produkují vedle neurotoxinů
řadu dalších látek majících toxický účinek. Jedná se například o hepatotoxiny, cytotoxiny,
dermatotoxiny a další. (1
)
Do vod se mohou dostávat také toxické látky spojené s lidskou činností. Patří sem
například organofosfáty používané v zemědělství, dále pak těžké kovy jako jsou rtuť, olovo,
kadmium a další.
2 Mechanismus účinku
Jak už z názvu vyplývá, cílem neurotoxických látek je nervová soustava. Při působení
těchto látek může dojít k jejímu narušení a tím pádem k narušení celého organismu. (2
)
Hlavním úkolem nervové soustavy je zajistit rychlou a přesnou komunikaci mezi jednotlivými
tkáněmi a buňkami. (2
) Neurotoxické látky tuto komunikaci znemožňují, a to různými
mechanismy. Některé se vyznačují akutní toxicitou (například neurotoxiny obratlovců), jiné
působí chronickou toxicitou (například těžké kovy). (3
)
Jedním možným mechanismem působení je inhibice acetylcholinesterázy, která je
důležitá pro štěpení acetylcholinu, tudíž dochází k neustálému dráždění nervů. Dalším
možným mechanismem je blokace iontových kanálů sodíku a vápníku, které brání přenosu
nervového vzruchu. (1,2
)
2
3 Typy neurotoxických látek přírodního původu
Neurotoxické látky můžeme podle jejich struktury dále dělit na cyklické peptidy
(microcystin, nodularin), alkaloidy (anatoxin-a, homoanatoxin-a, saxitoxin), lipopeptidy
(antillatoxin), neurotoxické aminokyseliny (L-β-N-methylamino-L-alanine (BMAA)) a
fosfátové estery (anatoxin-a(S)). (2
)
ALKALOIDY
Anatoxin- a, Homoanatoxin-a
Jedná se o nízkomolekulární alkaloidní sekundární aminy produkované sinicemi. (4
)
Zdroj: Tyto látky jsou produkovány sinicemi rodu Anabaena, Aphanizomenon,
Cylindrospermum, Microcystis, Oscillatoria, Planktothrix a Raphidiopsis. (4
)
Mechanismus působení: Působí jako potenciální agonisté svalového a nervového
nikotinového acetylcholinového receptoru. Toxiny ireverzibilně blokují nikotin
acetylcholinový receptor. Kanály pro sodík jsou otevřeny, což vede k neustálému influxu
sodných iontů do buňky. Membrána svalových buněk je depolarizována a sval je pořád
stimulovaný. Při ovlivnění dýchacích svalů je riziko nedostatku kyslíku v mozku, což
vyvolává křeče a může končit až smrtí. (1
)
Stabilita v prostředí: Nestabilní v alkalické vodě, kde podléhá rychlé fotochemické
degradaci na netoxickou formu. Ve tmě je relativně stabilní. (2
)
3
Obr. 2 – Mechanismus účinku anatoxinu-a/homoanatoxinu-a (1
)
Saxitoxin
Patří do skupiny toxinů označované jako „Paralytic shellfish poisoning“ (PSP). Tyto
toxiny se akumulují především v korýších a v rámci potravního řetězce se mohou dostat i
k vyšším obratlovcům. (2
)
Zdroj: Saxitoxin je produkován především mořskými obrněnkami (Dinoflagellata) a
sladkovodními sinicemi. (1
)
4
Mechanismus působení: Saxitoxin blokuje kanály pro sodík a vápník na membráně axonu
neuronu, a tak brání přenosu nervového vzruchu. V lehčích případech je příznakem otravy
brnění a necitlivost v okolí rtů. V závažnějších případech vede k nervosvalové paralýze a
následné smrti z důvodu selhání dýchacího systému. (1
)
Obr. 2 – Mechanismus působení saxitoxinu (1
)
AMINOKYSELINY
L-β-N-methylamino-L-alanine (BMAA)
Jedná se o látku, která je svou strukturou podobná alaninu.
Zdroj: BMAA se nachází v semenech cykasů rodu Cycas circinalis L. (4
) Pro některé kmeny
domorodců jsou semena cykasů obsahující tuto látku zdrojem potravy nebo je používají k
léčebným účelům. (4
)
Mechanismus působení: Tato aminokyselina blokuje glutámové receptory, zabudovává se
do proteinů a způsobuje neurodegenerativní onemocnění. (2
)
Stabilita v prostředí: BMAA se zabudovává do proteinů, proto se snadno drží v prostředí, je
perzistentní a bioakumulativní. (2
)
5
4 Typy neurotoxických látek antropogenního původu
Organofosfáty
Organofosfáty patří mezi silně neurotoxické látky, které inhibují acetylcholinesterázu.
Jedná se o estery kyseliny fosforečné, které bývají používány v zemědělství jako insekticidy.
(5
)
Stabilita v prostředí: Poměrně rychlá biodegradace. (5
)
Těžké kovy
Do této skupiny patří například rtuť a kadmium. Toxicita se projevuje především při
dlouhodobé expozici (chronická), existují však i případy akutní toxicity. (3
)
• Hg
Tento kov se za normální teploty a tlaku vyskytuje v kapalné formě. Organická rtuť
má velký bioakumulační potenciál, je perzistentní a v prostředí vysoce mobilní. Při akutní
toxicitě dochází k poškození dýchací soustavy, u chronické expozice může dojít k porušení
nervové soustavy. (6
)
Zdroj: Většinou se do prostředí dostává lidskou činností (spalování fosilních paliv a odpadů,
těžba, metalurgie, chemický průmysl, zemědělství). Do vodních ekosystémů se dostává buď
z ovzduší (suchá a mokrá depozice), nebo prostřednictvím odpadních vod. (6
)
Stabilita v prostředí: Ve vodě sedimentuje. V důsledku mikrobiální činnosti mohou vznikat
vysoce toxické organické sloučeniny, které se mohou bioakumulovat v potravním řetězci. (6
)
Příkladem může být dimethylrtuť, u které byla prokázána bioakumulace v rybách (případ
Minamata). (5
)
6
Farmaka
Do povrchových vod se dostávají zejména odpadními vodami. Jedná se o látky, které
jsou v současné době hojně využívány. Průmyslová výroba účinných látek se musí odrazit i
v životním prostředí. Nejvíce jsou exponovány střední a dolní toky řek nacházející se
v blízkosti velkých měst. (10
) Farmaka patří mezi látky pseudoperzistentní, jsou
degradovatelné za poměrně krátký čas, ale jejich neustálý tok do životního prostředí
způsobuje jejich přetrvávání v něm. Některé z nich mohou působit neurotoxicky, příkladem
jsou antidepresiva a antiepileptika.
Retardanty hoření
Jedná se o látky, které se přidávají do materiálů (především do elektroniky; dále pak
do oblečení, plastů,…), aby zpomalily jejich vzplanutí. Do prostředí se tyto látky mohou
dostávat už během výroby, při jejich aplikaci, dále pak používáním materiálů, ve kterých jsou
obsaženy a také se mohou uvolňovat při samotné likvidaci. (11
) Zdrojem retardantů hoření
v povrchových vodách jsou především kaly z čistíren odpadních vod. Jsou bioakumulativní a
toxické pro vodní organismy. (11
)
7
5 Metody studování neurotoxicity
Stanovení neurotoxického potenciálu látek je velice obtížné, protože nervová soustava
a její projevy a chování je velmi složitý multifaktoriální systém, kde bývá složité nalézt
přímou spojitost mezi toxikantem a případnou neurotoxicitou nebo mechanismem účinku. (7
)
Velký důraz je kladen na vývojovou neurotoxicitu. (7
)
Existují různé přístupy, jak neurotoxicitu sledovat. Jedná se metody behaviorální,
morfologické (neurohistopatologické) a biochemické. (7
) Dobře pozorovatelné jsou
behaviorální změny, jako jsou mortalita, motorické funkce, agrese, schopnost získat potravu,
reprodukce, péče o potomstvo. (7
) Dále se také dobře určuje pomocí histopatologie, kde
můžeme pozorovat přímo změny nervové tkáně. Má to však i své nevýhody, protože
v takovýchto případech je nutná přítomnost kvalifikovaného neuropatologa. (7
) Biochemické
metody hodnotí změny ve funkci enzymů a umožňují tak detekovat specifický typ
neurotoxicky. (7
)
Problém nastává v případě, kdy látky působí přímo na centrální nervovou soustavu.
Způsobené změny jsou jen málo patrné a tudíž špatně detekovatelné. Jedná se o změny, které
ovlivňují emoce, kognitivní funkce, temperament nebo náladu. (7
)
Základním parametrem při testování neurotoxicity je pohyb, který je vlastní všem
živočichům a v životě jedince hraje důležitou roli. (8
) Na řízení pohybu se u většiny
obratlovců podílí zadní mozek a mícha. (9
) Otázkou však je jakým způsobem hodnotit
samotné chování a také problém komplexity nervového systému vyšších obratlovců už
v raných fázích vývoje. Dobrou alternativou se ukázalo použití modelového organismu Danio
rerio, u kterého lze analyzovat chování již v průběhu embryonálního vývoje. (9
)
8
6 Literatura
(1) Valério, E., Chaves, S. & Tenreiro, R., 2010. Diversity and Impact of Prokaryotic
Toxins on Aquatic Environments: A Review. , pp.2359-2410.
(2) Florczyk, M. et al., 2014. Neurotoxicity of cyanobacterial toxins. , 10(1), pp.26-43.
(3) http://www.gate2biotech.cz/kde-cihaji-neurotoxiny/
(4) Aráoz, R., Molgó, J. & Tandeau de Marsac, N., 2010. Neurotoxic cyanobacterial
toxins. Toxicon, 56(5), pp.813-828.
(5) Prezentace: Toxikologie potravin, Ondřej Adamovský; 4.4.2016 Recetox,MU
(6) http://arnika.org/mercury
(7) Li, C., Seng, W.L., Park, D., McGrath, P., 2011. Methods for Assessing Neurotoxicity
in Zebrafish, in: McGrath, P. (Ed.), Zebrafish: Methods for Assessing Drug Safety and
Toxicity. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, pp. 117–134.
doi:10.1002/9781118102138.ch10
(8) MacPhail, R.C., Hunter, D.L., Irons, T.D., Padilla, S., 2011. Locomotion and
Behavioral Toxicity in Larval Zebrafish: Background, Methods, and Data, in:
McGrath, P. (Ed.), Zebrafish: Methods for Assessing Drug Safety and Toxicity. John
Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA, pp. 151–164.
doi:10.1002/9781118102138.ch10
(9) Saint-Amant, L., Drapeau, P., 1998. Time course of the development of motor behaviors
in the zebrafish embryo. J. Neurobiol. 37, 622–632. doi:10.1002/(SICI)1097-
4695(199812)37:4<622::AID-NEU10>3.0.CO;2-S
(10) http://ww.chemicke-listy.cz/docs/full/2009_07_540-547.pdf
(11) http://arnika.org/bfr