Las cianotoxinas son toxinas producidas por las cianobacterias (también conocidas como algas verdeazuladas). Las cianobacterias se encuentran en casi todas partes, pero particularmente en lagos y en el océano donde, en condiciones de alta concentración de fósforo, se reproducen exponencialmente para formar floraciones . Las cianobacterias en floración pueden producir cianotoxinas en concentraciones tales que pueden envenenar e incluso matar a animales y humanos. Las cianotoxinas también pueden acumularse en otros animales como peces y mariscos , y causar intoxicaciones como la intoxicación por mariscos .
Algunos de los venenos naturales más potentes que se conocen son las cianotoxinas, que incluyen potentes neurotoxinas , hepatotoxinas , citotoxinas y endotoxinas . El término ciano en cianobacterias se refiere a su color, no a su relación con los cianuros , aunque las cianobacterias pueden catabolizar el cianuro de hidrógeno durante la fijación de nitrógeno . [1]
La exposición a las cianobacterias puede provocar síntomas gastrointestinales y de fiebre del heno o erupciones cutáneas pruriginosas . [2] La exposición a la neurotoxina de las cianobacterias BMAA puede ser una causa ambiental de enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer . [3] También existe un interés en el potencial militar de las neurotoxinas biológicas como las cianotoxinas, que "han adquirido una importancia cada vez mayor como posibles candidatas para su uso como arma". [4]
El primer informe publicado sobre efectos letales de las algas verdeazuladas o cianobacterias apareció en la revista Nature en 1878. George Francis describió la floración de algas que observó en el estuario del río Murray en Australia como "una espuma espesa como pintura al óleo verde, de unos cinco a quince centímetros de espesor". La fauna que bebió el agua murió rápida y terriblemente. [5] La mayoría de los incidentes de envenenamiento por toxinas de microalgas notificados han ocurrido en entornos de agua dulce, y cada vez son más comunes y generalizados. Por ejemplo, miles de patos y gansos murieron bebiendo agua contaminada en el medio oeste de los Estados Unidos. [6] En 2010, por primera vez, se informó de la muerte de mamíferos marinos por ingestión de cianotoxinas. [7]
Las cianobacterias son uno de los grupos de procariotas fototróficos más prolíficos desde el punto de vista ecológico , tanto en hábitats marinos como de agua dulce. Tanto los aspectos beneficiosos como los perjudiciales de las cianobacterias son de considerable importancia. Son importantes productores primarios , así como una inmensa fuente de varios productos secundarios, incluida una serie de compuestos tóxicos conocidos como cianotoxinas. El crecimiento abundante de cianobacterias en ecosistemas de agua dulce, estuarinos y costeros debido al aumento de la eutrofización antropogénica y al cambio climático global ha creado una grave preocupación por la formación de floraciones nocivas y la contaminación de las aguas superficiales. [8]
Las cianobacterias se consideran los grupos más primitivos de procariotas fotosintéticos [9] y posiblemente aparecieron en la Tierra hace unos 3.500 millones de años. [10] Son omnipresentes en la naturaleza y prosperan en una variedad de nichos ecológicos que van desde el desierto hasta las fuentes termales y el agua helada. Las cianobacterias son una inmensa fuente de varios productos naturales secundarios con aplicaciones en los sectores de la alimentación, los productos farmacéuticos, los cosméticos, la agricultura y la energía. [11] Además, algunas especies de cianobacterias crecen vigorosamente y forman una microflora dominante en términos de su biomasa y productividad en ecosistemas específicos. Se han informado formaciones de floraciones debido al crecimiento excesivo de ciertas cianobacterias seguidas de la producción de compuestos tóxicos en muchos lagos, estanques y ríos eutróficos a hipertróficos en todo el mundo. [12] [8]
Se ha informado de una variedad de compuestos secundarios tóxicos, llamados cianotoxinas, de cianobacterias que habitan ecosistemas de agua dulce y marinos. Estos compuestos tóxicos son altamente perjudiciales para la supervivencia de varios organismos acuáticos, animales salvajes y/o domésticos y humanos. Los organismos acuáticos, incluidas las plantas y los animales, así como el fitoplancton y el zooplancton que habitan en ecosistemas ricos en floraciones tóxicas, están expuestos directamente a los efectos nocivos de diferentes cianotoxinas. La intoxicación que ocurre en animales salvajes y/o domésticos y humanos se debe a la ingestión directa de células de cianobacterias productoras de toxinas o al consumo de agua potable contaminada con cianotoxinas. [12] La toxicidad de diferentes cianotoxinas es directamente proporcional al crecimiento de las cianobacterias y al grado de su producción de toxinas. Se ha demostrado que el crecimiento de diferentes cianobacterias y su biosíntesis de toxinas está muy influenciado por diferentes factores abióticos como la intensidad de la luz, la temperatura, las radiaciones de longitud de onda corta, el pH y los nutrientes. [13] [14] [12] El calentamiento global y los gradientes de temperatura pueden cambiar significativamente la composición de las especies y favorecer la proliferación de fitoplancton tóxico. [15] [16] [8]
Se ha asumido que las cianotoxinas juegan un papel importante en los mecanismos de defensa química , dando ventajas de supervivencia a las cianobacterias sobre otros microbios o disuadiendo la depredación por parte de niveles tróficos superiores . [17] [18] Las cianotoxinas también pueden participar en la señalización química . [8]
Las cianotoxinas son producidas por las cianobacterias , un filo de bacterias que obtienen su energía a través de la fotosíntesis . El prefijo cian proviene del griego κύανoς que significa "una sustancia azul oscura", [19] y generalmente indica cualquiera de varios colores en el rango azul/verde del espectro. Las cianobacterias son comúnmente conocidas como algas verdeazuladas . Tradicionalmente se pensaba que eran una forma de algas y se introdujeron como tales en libros de texto antiguos. Sin embargo, las fuentes modernas tienden a considerar esto como obsoleto; [20] ahora se considera que están más estrechamente relacionadas con las bacterias, [21] y el término para las algas verdaderas está restringido a los organismos eucariotas . [22] Al igual que las algas verdaderas, las cianobacterias son fotosintéticas y contienen pigmentos fotosintéticos , por lo que generalmente son verdes o azules.
Las cianobacterias se encuentran prácticamente en todas partes: en océanos, lagos y ríos, así como en la tierra. Proliferan en lagos árticos y antárticos, [23] fuentes termales [24] y plantas de tratamiento de aguas residuales . [25] Incluso habitan en el pelaje de los osos polares, a los que confieren un tinte verdoso. [26] Las cianobacterias producen potentes toxinas, pero también producen compuestos bioactivos útiles , incluidas sustancias con actividad antitumoral, antiviral, anticancerígena, antibiótica y antifúngica, protectores UV e inhibidores específicos de enzimas . [27] [28]
Las cianotoxinas suelen estar implicadas en lo que comúnmente se denomina mareas rojas o floraciones de algas nocivas . Los lagos y océanos contienen muchos organismos unicelulares llamados fitoplancton . En determinadas condiciones, en particular cuando las concentraciones de nutrientes son altas, estos organismos se reproducen exponencialmente . El denso enjambre de fitoplancton resultante se denomina floración de algas ; estas pueden cubrir cientos de kilómetros cuadrados y se pueden ver fácilmente en imágenes satelitales. El fitoplancton individual rara vez vive más de unos pocos días, pero las floraciones pueden durar semanas. [29] [30]
Si bien algunas de estas floraciones son inofensivas, otras caen en la categoría de floraciones de algas nocivas o FAN. Las FAN pueden contener toxinas o patógenos que provocan la muerte de peces y también pueden ser fatales para los humanos. [30] En ambientes marinos, las FAN son causadas principalmente por dinoflagelados , [31] aunque especies de otros taxones de algas también pueden causar FAN ( diatomeas , flagelados , haptofitas y rafidófitas ). [32] Las especies de dinoflagelados marinos suelen ser tóxicas, pero no se sabe que las especies de agua dulce lo sean. Tampoco se sabe que las diatomeas sean tóxicas, al menos para los humanos. [33]
En los ecosistemas de agua dulce, las floraciones de algas suelen estar causadas por niveles elevados de nutrientes ( eutrofización ). Las floraciones pueden tener el aspecto de espuma, nata o esteras, o de pintura flotando en la superficie del agua, pero no siempre son visibles. Las floraciones tampoco son siempre verdes; pueden ser azules, y algunas especies de cianobacterias tienen un color marrón rojizo. El agua puede oler mal cuando las cianobacterias de la floración mueren. [30]
Las floraciones intensas de cianobacterias reducen la visibilidad a uno o dos centímetros. Las especies que no dependen de la vista (como las propias cianobacterias) sobreviven, pero las especies que necesitan ver para encontrar comida y pareja se ven comprometidas. Durante el día, las floraciones de cianobacterias saturan el agua de oxígeno. Por la noche, los organismos acuáticos que respiran pueden agotar el oxígeno hasta el punto de que las especies sensibles, como ciertos peces, mueren. Es más probable que esto ocurra cerca del fondo marino o de una termoclina . La acidez del agua también varía diariamente durante una floración, con un pH que alcanza 9 o más durante el día y desciende a valores bajos por la noche, lo que estresa aún más el ecosistema. Además, muchas especies de cianobacterias producen potentes cianotoxinas que se concentran durante una floración hasta el punto de que se vuelven letales para los organismos acuáticos cercanos y cualquier otro animal en contacto directo con la floración, incluidos pájaros, ganado, animales domésticos y, a veces, humanos. [33]
En 1991, una floración dañina de cianobacterias afectó 1.000 km del río Darling - Barwon en Australia [34] con un costo económico de 10 millones de dólares australianos. [35]
Las cianotoxinas suelen actuar sobre el sistema nervioso ( neurotoxinas ), el hígado ( hepatotoxinas ) o la piel ( dermatoxinas ). [28] La estructura química de las cianotoxinas se divide en tres grandes grupos: péptidos cíclicos, alcaloides y lipopolisacáridos (endotoxinas). [36]
La mayoría de las cianotoxinas tienen varias variantes ( análogos ). En 1999 se conocían más de 84 cianotoxinas y sólo unas pocas habían sido estudiadas en profundidad. [28]
Un péptido es un polímero corto de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos . Tienen la misma estructura química que las proteínas , excepto que son más cortos. En un péptido cíclico , los extremos se unen para formar una cadena circular estable. En los mamíferos, esta estabilidad los hace resistentes al proceso de digestión y pueden bioacumularse en el hígado. De todas las cianotoxinas, los péptidos cíclicos son los que más preocupan a la salud humana. Las microcistinas y las nodularinas envenenan el hígado y la exposición a dosis altas puede causar la muerte. La exposición a dosis bajas en el agua potable durante un largo período de tiempo puede promover tumores hepáticos y de otros tipos. [36]
Al igual que con otras cianotoxinas, las microcistinas recibieron su nombre del primer organismo que se descubrió que las producía, Microcystis aeruginosa . Sin embargo, más tarde se descubrió que otros géneros de cianobacterias también las producían. [36] Existen alrededor de 60 variantes conocidas de microcistina, y varias de ellas pueden producirse durante una floración. La variante más reportada es la microcistina-LR , posiblemente porque el primer análisis estándar químico disponible comercialmente fue para la microcistina - LR . [36]
Las floraciones que contienen microcistina son un problema en todo el mundo en los ecosistemas de agua dulce. [37] Las microcistinas son péptidos cíclicos y pueden ser muy tóxicas para las plantas y los animales, incluidos los humanos. Se bioacumulan en el hígado de los peces, en el hepatopáncreas de los mejillones y en el zooplancton. Son hepatotóxicas y pueden causar graves daños al hígado de los humanos. [36] De esta manera, son similares a las nodularinas (abajo), y juntas las microcistinas y las nodularinas representan la mayoría de las floraciones tóxicas de cianobacterias en aguas dulces y salobres. [28] En 2010, varias nutrias marinas fueron envenenadas por microcistina. Los bivalvos marinos fueron la fuente probable de intoxicación hepatotóxica por mariscos . Este fue el primer ejemplo confirmado de un mamífero marino que murió por ingerir una cianotoxina. [7]
La primera variante de nodularina que se identificó fue la nodularina-R , producida por la cianobacteria Nodularia spumigena . [38] Esta cianobacteria florece en cuerpos de agua en todo el mundo. En el mar Báltico , las floraciones marinas de Nodularia spumigena se encuentran entre algunos de los eventos masivos de cianobacterias más grandes del mundo. [39] (Partes de nueve países industrializados drenan en el mar Báltico, que tiene poco intercambio de agua con el mar del Norte y el océano Atlántico. En consecuencia, es uno de los cuerpos de agua más contaminados del mundo (rico en nutrientes, desde la perspectiva de las cianobacterias).)
A nivel mundial, las toxinas más comunes presentes en las floraciones de cianobacterias en aguas dulces y salobres son las toxinas peptídicas cíclicas de la familia de las nodularinas. Al igual que la familia de las microcistinas (arriba), las nodularinas son potentes hepatotoxinas y pueden causar graves daños al hígado. Presentan riesgos para la salud de los animales salvajes y domésticos, así como para los seres humanos, y en muchas zonas plantean grandes desafíos para el suministro de agua potable segura. [28]
Los alcaloides son un grupo de compuestos químicos naturales que contienen principalmente átomos de nitrógeno básico . Son producidos por una gran variedad de organismos, incluidas las cianobacterias, y forman parte del grupo de productos naturales , también llamados metabolitos secundarios . Los alcaloides actúan sobre diversos sistemas metabólicos en humanos y otros animales, a menudo con efectos psicotrópicos o tóxicos. Casi uniformemente, tienen un sabor amargo . [40]
Las investigaciones sobre la anatoxina -a , también conocida como "factor de muerte muy rápida", comenzaron en 1961 tras la muerte de vacas que bebieron de un lago que contenía una floración de algas en Saskatchewan, Canadá. [41] [42] La toxina es producida por al menos cuatro géneros diferentes de cianobacterias y se ha informado de su presencia en América del Norte, Europa, África, Asia y Nueva Zelanda. [43]
Los efectos tóxicos de la anatoxina -a progresan muy rápidamente porque actúa directamente sobre las células nerviosas ( neuronas ) como una neurotoxina . Los síntomas progresivos de la exposición a la anatoxina -a son pérdida de coordinación, espasmos , convulsiones y muerte rápida por parálisis respiratoria . Los tejidos nerviosos que se comunican con los músculos contienen un receptor llamado receptor nicotínico de acetilcolina . La estimulación de estos receptores provoca una contracción muscular . La molécula de anatoxina -a tiene una forma que se adapta a este receptor y, de esta manera, imita el neurotransmisor natural que normalmente utiliza el receptor, la acetilcolina . Una vez que ha desencadenado una contracción, la anatoxina- a no permite que las neuronas regresen a su estado de reposo, porque no es degradada por la colinesterasa que normalmente realiza esta función. Como resultado, las células musculares se contraen permanentemente, la comunicación entre el cerebro y los músculos se interrumpe y la respiración se detiene. [44] [45]
La toxina se denominó Factor de Muerte Muy Rápida porque inducía temblores, parálisis y muerte en pocos minutos cuando se inyectaba en la cavidad corporal de ratones. En 1977, se determinó la estructura del VFDF como un alcaloide de amina bicíclica secundaria , y se le cambió el nombre anatoxina -a . [46] [47] Estructuralmente, es similar a la cocaína . [48] Existe un interés continuo en la anatoxina- a debido a los peligros que presenta para las aguas recreativas y potables, y porque es una molécula particularmente útil para investigar los receptores de acetilcolina en el sistema nervioso. [49] La letalidad de la toxina significa que tiene un alto potencial militar como arma toxínica. [4]
La cilindrospermopsina (abreviada como CYN o CYL) fue descubierta por primera vez después de un brote de una enfermedad misteriosa en Palm Island , en Australia. [50] El brote se remonta a una floración de Cylindrospermopsis raciborskii en el suministro de agua potable local, y posteriormente se identificó la toxina. El análisis de la toxina condujo a una estructura química propuesta en 1992, que se revisó después de lograr la síntesis en 2000. Se han aislado o sintetizado varias variantes de cilindrospermopsina, tanto tóxicas como no tóxicas. [51]
La cilindrospermopsina es tóxica para el tejido hepático y renal y se cree que inhibe la síntesis de proteínas y modifica de forma covalente el ADN y/o el ARN . Existe preocupación por la forma en que la cilindrospermopsina se bioacumula en los organismos de agua dulce. [52] Las floraciones tóxicas de géneros que producen cilindrospermopsina se encuentran con mayor frecuencia en cuerpos de agua de zonas tropicales, subtropicales y áridas, y recientemente se han encontrado en Australia, Europa, Israel, Japón y los EE. UU. [36]
La saxitoxina (STX) es una de las neurotoxinas naturales más potentes que se conocen. El término saxitoxina se origina del nombre de la especie de almeja mantequilla ( Saxidomus giganteus ) por el que se reconoció por primera vez. La saxitoxina es producida por las cianobacterias Anabaena spp., algunas Aphanizomenon spp., Cylindrospermopsis sp., Lyngbya sp. y Planktothrix sp., entre otras). [53] El pez globo y algunos dinoflagelados marinos también producen saxitoxina. [54] [55] Las saxitoxinas se bioacumulan en mariscos y ciertos peces de aleta. La ingestión de saxitoxina, generalmente a través de mariscos contaminados por floraciones de algas tóxicas, puede provocar una intoxicación paralítica por mariscos . [28]
La saxitoxina se ha utilizado en biología molecular para establecer la función del canal de sodio . Actúa sobre los canales de sodio dependientes del voltaje de las células nerviosas, impidiendo el funcionamiento celular normal y provocando parálisis. El bloqueo de los canales de sodio neuronales que se produce en la intoxicación paralítica por mariscos produce una parálisis flácida que deja a la víctima tranquila y consciente a lo largo de la progresión de los síntomas. La muerte suele producirse por insuficiencia respiratoria . [56] La saxitoxina fue aislada y descrita originalmente por el ejército de los Estados Unidos , que le asignó la designación de arma química "TZ". La saxitoxina figura en la lista 1 de la Convención sobre Armas Químicas . [57] Según el libro Spycraft , a los pilotos del avión espía U-2 se les proporcionaban agujas que contenían saxitoxina para que las utilizaran en caso de que la huida fuera imposible. [58]
La aetoctonotoxina (abreviada como AETX) se descubrió en 2021 como la neurotoxina cianobacteriana que causa mielinopatía vacuolar (MV). [59] Como la biosíntesis de la aetoctonotoxina depende de la disponibilidad de bromuro en los sistemas de agua dulce y requiere una interacción entre la cianobacteria productora de toxina Aetokthonos hydrillicola y la planta huésped en la que crece epífitamente (la más importante, la hidrilla ), se necesitaron más de 25 años para descubrir la aetoctonotoxina como la toxina inductora de MV después de que la enfermedad se diagnosticara por primera vez en águilas calvas en 1994. [60] La toxina se propaga en cascada a través de la cadena alimentaria: entre otros animales, afecta a peces y aves acuáticas como fochas o patos que se alimentan de hidrilla colonizada con la cianobacteria. La aetoctonotoxina se transmite a las aves rapaces, como el águila calva , que cazan a estos animales afectados. [61]
La mielinopatía vacuolar se caracteriza por una vacuolización generalizada de los axones mielinizados (edema intramielínico) en la materia blanca del cerebro y la médula espinal. Los signos clínicos de la intoxicación incluyen la pérdida grave de las funciones motoras y de la visión. Las aves afectadas se estrellan contra los objetos, pierden la coordinación al nadar, volar y caminar, sufren temblores en la cabeza y pierden la capacidad de respuesta. Como se ha demostrado que la toxina se bioacumula, existe la preocupación de que también pueda ser una amenaza para la salud humana. [59] Sin embargo, la toxicidad para los mamíferos aún debe confirmarse experimentalmente.
Los lipopolisacáridos están presentes en todas las cianobacterias. Aunque no son tan potentes como otras cianotoxinas, algunos investigadores han afirmado que todos los lipopolisacáridos de las cianobacterias pueden irritar la piel, mientras que otros investigadores dudan de que los efectos tóxicos sean tan generalizados. [62]
El aminoácido no proteinogénico beta-metilamino-L-alanina (BMAA) es producido de forma ubicua por las cianobacterias en ambientes marinos, de agua dulce , salobres y terrestres. [63] [64] Se están investigando los mecanismos exactos de toxicidad de BMAA en las células neuronales. La investigación sugiere mecanismos de toxicidad tanto agudos como crónicos. [65] [66] Se está investigando a BMAA como un posible factor de riesgo ambiental para enfermedades neurodegenerativas, incluidas la ELA , la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer . [67]
Otras cianotoxinas:
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