Microcistina

O Lago Erie em outubro de 2011, durante uma intensa floração de cianobactérias

As microcistinas ou cianoxinosinas (/ ʃi /) são uma classe de cianotoxinas, que são toxinas produzidas por cianobactérias, por vezes chamadas algas verde-azuladas. Até agora, foram descobertas cerca de 250, das quais a microcistina-LR é a mais comum. Quimicamente, são heptapéptidos cíclicos produzidos por sintases de péptidos não ribossómicos. As cianobactérias podem produzir microcistinas em grandes quantidades durante as florações de algas as quais representam uma ameaça importante para o fornecimento de água potável e para a rega, e para o meio ambiente em geral.

Características

Estrutura química da microcistina-LR.

As microcistinas ou cianoxinosinas são uma classe de toxinas produzidas por certas cianobactérias de água doce; principalmente Microcystis aeruginosa mas também outros Microcystis, assim como membros dos géneros Planktothrix, Anabaena, Oscillatoria e Nostoc. A microcistina-LR (L = leucina, R = arginina) é a forma mais tóxica de cerca de 80 variantes tóxicas conhecidas, e é também a mais estudada por químicos, farmacêuticos, biólogos e ecólogos. As florações que contêm microcistina são um problema em todo o mundo, incluindo China, Brasil, Austrália, África do Sul, os Estados Unidos e grande parte da Europa. O barragem de Hartebeespoort na África do Sul é um dos locais mais contaminados da África e possivelmente do mundo.

Química

As microcistinas têm um esqueleto estrutural comum constituído por D-Ala1-X2-D-Masp3-Z4-Adda5-D-γ-Glu6-Mdha7, onde X e Z são aminoácidos variáveis; o nome esquemático "microcistina-XZ" (MC-XZ abreviado) é atribuído com base nos códigos de letras de aminoácidos, colocando a letra correspondente aos aminoácidos no lugar de X e Z. Se a molécula apresentar qualquer outra modificação, as diferenças são denotadas entre parênteses retos antes de "MC". Destes, vários são aminoácidos não proteinogénicos incomuns:

Mecanismo de ação

As microcistinas ligam-se covalentemente às proteína fosfatases PP1 e PP2A, inibindo-as, e podem assim causar panesteatite. O resíduo ADDA é crucial para essa funcionalidade: análogos sintéticos muito simplificados que consistem em ADDA e um aminoácido adicional podem apresentar a mesma função inibitória.

Factores que afetam a produção

Um cultivo de M. aeruginosa, uma bactéria fotossintética.

O género de cianobactérias de água doce Microcystis produtor de microcistinas prospera em águas quentes, especialmente em águas estagnadas. A EPA norte-americana previu em 2013 que a mudança climática e as alterações nas condições ambientais podem favorecer crescimentos de algas nocivos e afetar negativamente a saúde humana. O crescimento de algas também é favorecido nos processos de eutrofização (excesso de nutrientes). Em particular, o fósforo reativo dissolvido promove o crescimento de algas. As microcistinas podem ter evoluído nas cianobactérias como uma forma de lidar com a disponibilidade escassa de ferro: a molécula liga-se ao ferro, e as estirpes não produtoras toleram significativamente pior a escassez de ferro. Uma baixa disponibilidade de ferro regula positivamente McyD, um dos operões para a síntese de microcistina. Contudo, quando há ferro suficiente, a produção de microcistinas pode ainda ser impulsionada, fazendo com que a bactéria melhore a sua fotossíntese, o que produzirá suficiente ATP para a biossíntese de microcistinas. A produção de microcistinas está também correlacionada positivamente com a temperatura. As luzes brilhantes e de cor vermelha aumentam a transcrição de McyD, mas as azuis reduzem-na. Uma grande variedade de outros fatores, como o pH, podem também afetar a produção de microcistinas, mas fazer uma comparação é complicado devido à falta de condições padrão para realizar os testes.

Vias de exposição

Existem vários modos de exposição a estas hepatotoxinas para os humanos, e um deles é em atividades recreativas como nadar, surfar, pescar e outras atividades que implicam um contacto direto com água contaminada. Outra rota rara, embora extremamente tóxica, de exposição ocorre em casos de operações de hemodiálise. Um caso mortal de intoxicação microcística por hemodiálise foi estudado no Brasil, onde 48 % dos pacientes submetidos a um desses procedimentos num período específico morreram porque a água utilizada no procedimento estava contaminada. As microcistinas são quimicamente estáveis num amplo intervalo de temperaturas e pH, possivelmente como resultado da sua estrutura cíclica. A microcistina-LR que contamina a água é resistente à ebulição e aos tratamentos de micro-ondas. As florações de bactérias que produzem microcistina podem saturar as capacidades dos filtros das estações de tratamento de água. Existem algumas provas de que a toxina pode ser transportada devido à irrigação para a cadeia trófica.

Exemplos de florações com produção de microcistinas

Um exemplo de floração de Microcystis ocorreu no Lago Erie na América do Norte em 2011, em parte relacionado com a primavera mais húmida desde que havia registos, que ampliou as zonas mortas do fundo do lago, reduzindo a população de peixes, criando um cheiro fétido nas praias e prejudicando a indústria turística local. Em agosto de 2014 na cidade de Toledo, Ohio foram detetados níveis perigosos de microcistina na sua água potável devido às florações de algas no Lago Erie, causadas por um aporte excessivo de fósforo para o lago proveniente de práticas agrícolas e das estações de tratamento de água urbanas. Houve outro caso nas águas salgadas da Baía de São Francisco em 2016., nas águas potáveis de Iowa em 2018, nas quais as microcistinas atingiram um nível de 0.3 µg/L pré-tratamento, e em 2023 no Oregon, no rio que passa por Portland, onde o nível de microcistinas chegou a 549 ppb. == Efeitos da exposição sobre a saúde humana

== As microcistinas não podem ser degradadas pelas proteases típicas, como a pepsina, tripsina, colagenase e quimotripsina, devido à sua natureza química cíclica. São hepatotóxicas. Uma vez ingeridas, as microcistinas viajam até ao fígado pelo sistema de transporte de ácidos biliares, onde a maioria é armazenada, embora parte delas permaneça na corrente sanguínea e possa contaminar os tecidos. Os efeitos agudos sobre a saúde da microcistina-LR são os seguintes: dor abdominal, vómitos e náuseas, diarreia, dor de cabeça, feridas à volta da boca, e por inalação, dor de garganta, tosse seca e pneumonia. Os estudos realizados sugerem que a absorção de microcistinas ocorre no tracto gastrointestinal. Além disso, estas hepatotoxinas inibem a atividade dos enzimas fosfatase PP1 e PP2A, causando choque hemorrágico e podem matar ratos em 45 minutos. Não é adequado avaliar o potencial carcinogénico das microcistinas aplicando simplesmente as Diretrizes da EPA para a Avaliação do Risco de Carcinógenos. Alguns estudos feitos na China sugerem que pode haver uma relação entre os cancros de fígado e colorretais e a ocorrência de cianobactérias na água potável. No entanto, as provas são limitadas devido à escassa capacidade de avaliar e medir com exatidão a exposição.

Regulamentação

Nos Estados Unidos, a EPA emitiu uma recomendação sanitária em 2015. Foi calculada uma recomendação sanitária de dez dias para diferentes idades, que se considera protetora e com efeitos secundários não carcinogénicos em caso de exposição de dez dias às microcistinas na água potável:

Referências

  1. 1 2 Michael Wines (14 de março de 2013). «Spring Rain, Then Foul Algae in Ailing Lake Erie». The New York Times
  2. ↑ Joanna M. Foster (20 de novembro de 2013). «Lake Erie is Dying Again, and Warmer Waters and Wetter Weather are to Blame». ClimateProgress. Consultado em 3 de agosto de 2014. Cópia arquivada em 3 de agosto de 2014
  3. ↑ «Cyanobacterial Harmful Algal Blooms (CyanoHABs) & Water». Mass.gov. Consultado em 9 de junho de 2022
  4. 1 2 3 4 5 Bouaïcha, Noureddine; Miles, Christopher; Beach, Daniel; et al. (7 de dezembro de 2019). «Structural Diversity, Characterization and Toxicology of Microcystins». Toxins. 11 (12). 714 páginas. PMC 6950048Acessível livremente. PMID 31817927. doi:10.3390/toxins11120714
  5. ↑ Ramsy Agha; Samuel Cirés; Lars Wörmer; Antonio Quesada (2013). «Limited Stability of Microcystins in Oligopeptide Compositions of Microcystis aeruginosa (Cyanobacteria): Implications in the Definition of Chemotypes». Toxins. 5 (6): 1089–1104. PMC 3717771Acessível livremente. PMID 23744054. doi:10.3390/toxins5061089
  6. ↑ Paerl HW, Huisman J (fevereiro de 2009). «Climate change: a catalyst for global expansion of harmful cyanobacterial blooms». Environmental Microbiology Reports. 1 (1): 27–37. Bibcode:2009EnvMR...1...27P. PMID 23765717. doi:10.1111/j.1758-2229.2008.00004.x
  7. 1 2 3 «Increasing toxicity of algal blooms tied to nutrient enrichment and climate change». Oregon State University. 24 de outubro de 2013
  8. ↑ Dawson, R.M (1998). «the toxicology of microcystins». Toxicon. 36 (7): 953–962. Bibcode:1998Txcn...36..953D. PMID 9690788. doi:10.1016/S0041-0101(97)00102-5
  9. ↑ Bradshaw D, Groenewald P, Laubscher R, et al. (2003). «Initial Burden of Disease Estimates for South Africa, 2000» (PDF). Cape Town: South African Medical Research Council. South African Medical Journal. 93 (9): 682–688. ISBN 978-1-919809-64-9. PMID 14635557. Consultado em 4 de agosto de 2014. Cópia arquivada (PDF) em 3 de março de 2016
  10. ↑ Fatoki, O.S., Muyima, N.Y.O. & Lujiza, N. 2001. Situation analysis of water quality in the Umtata River Catchment. Water SA, (27) pp. 467–474.
  11. ↑ Oberholster PJ, Botha AM, Cloete TE (2005). «An overview of toxic freshwater cyanobacteria in South Africa with special reference to risk, impact, and detection by molecular marker tools». Biokemistri. 17 (2): 57–71. doi:10.4314/biokem.v17i2.32590
  12. ↑ Oberholster PJ, Botha AM (2007). «Use of PCR based technologies for risk assessment of a winter cyanobacterial bloom in Lake Midmar, South Africa». African Journal of Biotechnology. 6 (15): 14–21
  13. ↑ Oberholster, P. 2008. Parliamentary Briefing Paper on Cyanobacteria in Water Resources of South Africa. Annexure "A" of CSIR Report No. CSIR/NRE/WR/IR/2008/0079/C. Pretoria. Council for Scientific and Industrial Research (CSIR).
  14. ↑ Oberholster, P.J.; Cloete, T.E.; van Ginkel, C.; et al. (2008). «The use of remote sensing and molecular markers as early warning indicators of the development of cyanobacterial hyperscum crust and microcystin-producing genotypes in the hypertrophic Lake Hartebeespoort, South Africa» (PDF). Pretoria: Council for Scientific and Industrial Research. Cópia arquivada (PDF) em 11 de agosto de 2014
  15. ↑ Oberholster, P.J.; Ashton, P.J. (2008). «State of the Nation Report: An Overview of the Current Status of Water Quality and Eutrophication in South African Rivers and Reservoirs» (PDF). Pretoria: Council for Scientific and Industrial Research. Cópia arquivada (PDF) em 8 de agosto de 2014
  16. ↑ Turton, A.R. 2015. Water Pollution and South Africa's Poor. Johannesburg: South African Institute of Race Relations. http://irr.org.za/reports-and-publications/occasional-reports/files/water-pollution-and-south-africas-poor Arquivado em 2017-03-12 no Wayback Machine
  17. 1 2 Barnett A. Rattner, Glenn H. Olsen, Peter C. McGowan, Betty K. Ackerson, and Moira A. McKernan. «Harmful Algal Blooms and Bird Die-offs in Chesapeake Bay: A Potential Link?». Patuxent Wildlife Research Center
  18. ↑ Kangur, K; J; Spoof, L; Tanner, R (2005). «Hepatotoxic cyanobacterial peptides in Estonian freshwater bodies and inshore marine water». Proceedings of the Estonian Academy of Sciences. Biology. Ecology. 54 (1). 40 páginas. doi:10.3176/biol.ecol.2005.1.03
  19. ↑ Gulledge, Brian M; Aggen, James B; Eng, Hugo; et al. (setembro de 2003). «Microcystin analogues comprised only of adda and a single additional amino acid retain moderate activity as PP1/PP2A inhibitors». Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters. 13 (17): 2907–2911. PMID 14611855. doi:10.1016/S0960-894X(03)00588-2
  20. ↑ «Impacts of Climate Change on the Occurrence of Harmful Algal Blooms» (PDF). EPA. 2013. Consultado em 3 de agosto de 2014. Cópia arquivada (PDF) em 7 de agosto de 2020
  21. 1 2 Suzanne Goldenberg (3 de agosto de 2014). «Farming practices and climate change at root of Toledo water pollution». The Guardian
  22. ↑ Ceballos-Laita, Laura; Marcuello, Carlos; Lostao, Anabel; et al. (2 de maio de 2017). «Microcystin-LR Binds Iron, and Iron Promotes Self-Assembly». Environmental Science & Technology. 51 (9): 4841–4850. Bibcode:2017EnST...51.4841C. PMID 28368104. doi:10.1021/acs.est.6b05939
  23. ↑ Sevilla, E; Martin-Luna, B; Vela, L; et al. (outubro de 2008). «Iron availability affects mcyD expression and microcystin-LR synthesis in Microcystis aeruginosa PCC7806.». Environmental Microbiology. 10 (10): 2476–83. Bibcode:2008EnvMi..10.2476S. PMID 18647335. doi:10.1111/j.1462-2920.2008.01663.x
  24. ↑ Wang, X; Wang, P; Wang, C; et al. (7 de setembro de 2018). «Relationship between Photosynthetic Capacity and Microcystin Production in Toxic Microcystis Aeruginosa under Different Iron Regimes.». International Journal of Environmental Research and Public Health. 15 (9): 1954. PMC 6163392Acessível livremente. PMID 30205471. doi:10.3390/ijerph15091954
  25. ↑ Davis, Timothy W.; Berry, Dianna L.; Boyer, Gregory L.; Gobler, Christopher J. (junho 2009). «The effects of temperature and nutrients on the growth and dynamics of toxic and non-toxic strains of Microcystis during cyanobacteria blooms». Harmful Algae. 8 (5): 715–725. Bibcode:2009HAlga...8..715D. doi:10.1016/j.hal.2009.02.004
  26. ↑ Kaebernick, M; Dittmann, E; Börner, T; Neilan, BA (fevereiro de 2002). «Multiple alternate transcripts direct the biosynthesis of microcystin, a cyanobacterial nonribosomal peptide.». Applied and Environmental Microbiology. 68 (2): 449–55. PMC 126702Acessível livremente. PMID 11823177. doi:10.1128/AEM.68.2.449-455.2002
  27. ↑ Pearson, L; Mihali, T; Moffitt, M; Kellmann, R; Neilan, B (10 de maio de 2010). «On the chemistry, toxicology and genetics of the cyanobacterial toxins, microcystin, nodularin, saxitoxin and cylindrospermopsin.». Marine Drugs. 8 (5): 1650–80. PMC 2885083Acessível livremente. PMID 20559491. doi:10.3390/md8051650
  28. 1 2 Funari E, Testai E. 2008. Human health risk assessment related to cyanotoxins exposure. Critical Reviews in Toxicology. 38(2). 97–125
  29. 1 2 Azevedo, Sandra M.F.O, Wayne W Carmichael, Elise M Jochimsen, Kenneth L Rinehart, Sharon Lau, Glen R Shaw, and Geoff K Eaglesham. 2002. “Human Intoxication by Microcystins During Renal Dialysis Treatment in Caruaru—Brazil.” Toxicology (Amsterdam) 181. 441–446.
  30. 1 2 Somdee, Theerasak; Thunders, Michelle; Ruck, John; et al. (2013). «Degradation of [Dha7]MC-LR by a Microcystin Degrading Bacterium Isolated from Lake Rotoiti, New Zealand». ISRN Microbiology. 2013: 1–8. PMC 3712209Acessível livremente. PMID 23936728. doi:10.1155/2013/596429
  31. ↑ Metcalf, James S.; Codd, Geoffrey A. (2000). «Microwave oven and boiling waterbath extraction of hepatotoxins from cyanobacterial cells». FEMS Microbiology Letters. 184 (2): 241–246. PMID 10713428. doi:10.1111/j.1574-6968.2000.tb09021.x
  32. ↑ Codd GA, Metcalf JS, Beattie KA (agosto de 1999). «Retention of Microcystis aeruginosa and microcystin by salad lettuce (Lactuca sativa) after spray irrigation with water containing cyanobacteria». Toxicon. 37 (8): 1181–5. Bibcode:1999Txcn...37.1181C. PMID 10400301. doi:10.1016/S0041-0101(98)00244-X
  33. ↑ Abe, Toshihiko; Lawson, Tracy; Weyers, Jonathan D. B.; Codd, Geoffrey A. (agosto de 1996). «Microcystin-LR Inhibits Photosynthesis of Phaseolus vulgaris Primary Leaves: Implications for Current Spray Irrigation Practice». New Phytologist. 133 (4): 651–8. Bibcode:1996NewPh.133..651A. JSTOR 2558683. doi:10.1111/j.1469-8137.1996.tb01934.x
  34. ↑ «Algal bloom leaves 500,000 without drinking water in northeast Ohio». Reuters. 2 de agosto de 2014
  35. ↑ Rick Jervis, USA TODAY (2 de agosto de 2014). «Toxins contaminate drinking water in northwest Ohio». USA Today
  36. ↑ John Raphael BEWARE: High Levels of Freshwater Toxin Found in Shellfish from San Francisco Bay 28 de outubro de 2016. Nature World News
  37. ↑ Kate Payne Toxic Bacteria Blooms Impacting Water Systems Across Iowa, DNR Survey Shows. 1 de novembro de 2018. National Public Radio
  38. 1 2 «Oregon Health Authority : Current Cyanobacteria Advisories : Cyanobacteria Blooms : State of Oregon». www.oregon.gov. Consultado em 26 de agosto de 2023
  39. ↑ «Swimmers, boaters should avoid toxic algae in Willamette River and Sauvie Island». Multnomah County (em inglês). 13 de agosto de 2023. Consultado em 26 de agosto de 2023
  40. ↑ Falconer, Ian R. (1998). «Algal Toxins and Human Health». In: Hrubec, Jiři. Quality and Treatment of Drinking Water II. Col: The Handbook of Environmental Chemistry. 5 / 5C. [S.l.: s.n.] pp. 53–82. ISBN 978-3-662-14774-0. doi:10.1007/978-3-540-68089-5_4
  41. ↑ Falconer, I.R. 2005. Cyanobacterial Toxins of Drinking Water Supplies: Cylindrospermopsins and Microcystins. Florida: CRC Press. 279 pages.
  42. ↑ What health risks do humans face as a result of exposure to cyanotoxins? EPA, consultado a 12 de novembro de 2018
  43. ↑ Carmichael, W.W. 1992. Cyanobacteria secondary metabolites: The cyanotoxins. J. Appl. Bacteriol. 72, 445–459
  44. ↑ Humpage AR, Hardy SJ, Moore EJ, et al. (outubro de 2000). «Microcystins (cyanobacterial toxins) in drinking water enhance the growth of aberrant crypt foci in the mouse colon». Journal of Toxicology and Environmental Health, Part A. 61 (3): 155–65. Bibcode:2000JTEHA..61..155A. PMID 11036504. doi:10.1080/00984100050131305
  45. ↑ Ito E, Kondo F, Terao K, Harada K (setembro de 1997). «Neoplastic nodular formation in mouse liver induced by repeated intraperitoneal injections of microcystin-LR». Toxicon. 35 (9): 1453–7. Bibcode:1997Txcn...35.1453I. PMID 9403968. doi:10.1016/S0041-0101(97)00026-3
  46. ↑ Nishiwaki-Matsushima R, Nishiwaki S, Ohta T, et al. (setembro de 1991). «Structure-function relationships of microcystins, liver tumor promoters, in interaction with protein phosphatase». Japanese Journal of Cancer Research. 82 (9): 993–6. PMC 5918597Acessível livremente. PMID 1657848. doi:10.1111/j.1349-7006.1991.tb01933.x
  47. ↑ Ueno Y, Nagata S, Tsutsumi T, et al. (junho de 1996). «Detection of microcystins, a blue-green algal hepatotoxin, in drinking water sampled in Haimen and Fusui, endemic areas of primary liver cancer in China, by highly sensitive immunoassay». Carcinogenesis. 17 (6): 1317–21. PMID 8681449. doi:10.1093/carcin/17.6.1317
  48. ↑ Yu S-Z (1989). «Drinking water and primary liver cancer». In: Z.Y. Tang; M.C. Wu; S.S. Xia. Primary Liver Cancer. Nova York: China Academic Publishers. pp. 30–7. ISBN 978-0-387-50228-1
  49. ↑ Zhou L, Yu H, Chen K (junho de 2002). «Relationship between microcystin in drinking water and colorectal cancer». Biomedical and Environmental Sciences. 15 (2): 166–71. PMID 12244757
  50. 1 2 Drinking Water Health Advisory for the Cyanobacterial Microcystin Toxins U.S. Environmental Protection Agency Office of Water, EPA Document Number: 820R15100, 75pp, 15 de junho de 2015