Las cianotoxinas son toxinas producidas por cianobacterias (también conocidas como algas verdiazules). Las cianobacterias se encuentran en casi todas partes, pero particularmente en lagos y océanos donde, en condiciones de alta concentración de fósforo, se reproducen exponencialmente para formar floraciones . Las cianobacterias en flor pueden producir cianotoxinas en concentraciones tales que pueden envenenar e incluso matar 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 poderosos que se conocen son las cianotoxinas. Incluyen potentes neurotoxinas , hepatotoxinas , citotoxinas y endotoxinas . A pesar de la similitud de nombre, no tienen relación con los cianuros . La exposición a las cianobacterias puede provocar síntomas gastrointestinales y de fiebre del heno o erupciones cutáneas pruriginosas . [1] La exposición a la neurotoxina de cianobacteria BMAA puede ser una causa ambiental de enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica (ELA), la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer . [2] También hay interés en el potencial militar de las neurotoxinas biológicas como las cianotoxinas, que "han adquirido una importancia cada vez mayor como candidatas potenciales para su uso como armas". [3]
El primer informe publicado de que las algas verdiazules o cianobacterias podrían tener efectos letales apareció en 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 de aceite verde, algo De dos a seis pulgadas de espesor." La fauna que bebió el agua murió rápida y terriblemente. [4] La mayoría de los incidentes reportados de intoxicación por toxinas de microalgas han ocurrido en ambientes de agua dulce y se están volviendo más comunes y extendidos. Por ejemplo, miles de patos y gansos murieron bebiendo agua contaminada en el medio oeste de Estados Unidos. [5] En 2010, por primera vez, se informó que mamíferos marinos habían muerto por ingerir cianotoxinas. [6]
Las cianobacterias son ecológicamente uno de los grupos más prolíficos de procariotas fototróficos tanto en hábitats marinos como de agua dulce. Tanto los aspectos beneficiosos como perjudiciales de las cianobacterias son de considerable importancia. Son importantes productores primarios , así como una inmensa fuente de varios productos secundarios, incluida una variedad 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 seria preocupación por la formación de floraciones nocivas y la contaminación de las aguas superficiales. [7]
Las cianobacterias se consideran los grupos más primitivos de procariotas fotosintéticos [8] y posiblemente aparecieron en la Tierra hace unos 3.500 millones de años. [9] 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. La mayoría de las cianobacterias son una inmensa fuente de varios productos naturales secundarios con aplicaciones en los sectores alimentario, farmacéutico, cosmético, agrícola y energético. [10] Además, algunas especies de cianobacterias crecen vigorosamente y forman una microflora dominante en términos de su biomasa y productividad en ecosistemas específicos. En muchos lagos, estanques y ríos eutróficos a hipertróficos de todo el mundo se han informado formaciones de floración debido al crecimiento excesivo de ciertas cianobacterias seguido de la producción de compuestos tóxicos . [11] [7]
Se ha informado de una variedad de compuestos secundarios tóxicos, llamados cianotoxinas, en las cianobacterias que habitan en ecosistemas marinos y de agua dulce. 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 directamente expuestos a los efectos nocivos de diferentes cianotoxinas. La intoxicación que se produce en animales salvajes y/o domésticos y en humanos se debe a la ingestión directa de células de cianobacterias productoras de toxinas o al consumo de agua potable contaminada con cianotoxinas. [11] La toxicidad de diferentes cianotoxinas es directamente proporcional al crecimiento de las cianobacterias y al grado de 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. [12] [13] [11] El calentamiento global y los gradientes de temperatura pueden cambiar significativamente la composición de las especies y favorecer la proliferación de fitoplancton tóxico. [14] [15] [7]
Se ha asumido que las cianotoxinas desempeñan un papel importante en los mecanismos de defensa química dando ventajas de supervivencia a las cianobacterias sobre otros microbios o disuadiendo la depredación por niveles tróficos más altos . [16] [17] Las cianotoxinas también pueden participar en la señalización química . [7]
Las cianotoxinas son producidas por las cianobacterias , un filo de bacterias que obtienen su energía mediante la fotosíntesis . El prefijo cian proviene del griego κύανoς que significa "una sustancia azul oscuro", [18] y generalmente indica cualquiera de varios colores en el rango azul/verde del espectro. Las cianobacterias se conocen comúnmente como algas verdiazules . Tradicionalmente se los consideraba una forma de alga y se introdujeron como tales en los libros de texto más antiguos. Sin embargo, las fuentes modernas tienden a considerar esto obsoleto; [19] ahora se considera que están más estrechamente relacionados con las bacterias, [20] y el término para las algas verdaderas está restringido a organismos eucariotas . [21] Al igual que las verdaderas algas, las cianobacterias son fotosintéticas y contienen pigmentos fotosintéticos , por lo que suelen ser verdes o azules.
Las cianobacterias se encuentran en casi todas partes; en océanos, lagos y ríos, así como en tierra. Florecen en lagos árticos y antárticos, [22] aguas termales [23] y plantas de tratamiento de aguas residuales . [24] Incluso habitan en el pelaje de los osos polares, al que imparten un tinte verdoso. [25] Las cianobacterias producen toxinas potentes, pero también producen compuestos bioactivos útiles , incluidas sustancias con actividad antitumoral, antiviral, anticancerígena, antibiótica y antifúngica, protectores UV e inhibidores específicos de enzimas . [26] [27]
Las cianotoxinas suelen estar implicadas en lo que comúnmente se llama mareas rojas o floraciones de algas nocivas . Los lagos y océanos contienen muchos organismos unicelulares llamados fitoplancton . Bajo ciertas condiciones, particularmente cuando las concentraciones de nutrientes son altas, estos organismos se reproducen exponencialmente . El denso enjambre de fitoplancton resultante se denomina floración de algas ; estos pueden cubrir cientos de kilómetros cuadrados y pueden verse fácilmente en imágenes de satélite. El fitoplancton individual rara vez vive más de unos pocos días, pero las floraciones pueden durar semanas. [28] [29]
Si bien algunas de estas floraciones son inofensivas, otras entran en la categoría de floraciones de algas nocivas o HAB. Las FAN pueden contener toxinas o patógenos que provocan la muerte de peces y también pueden ser fatales para los humanos. [29] En ambientes marinos, las FAN son causadas principalmente por dinoflagelados , [30] aunque especies de otros taxones de algas también pueden causar FAN ( diatomeas , flagelados , haptofitos y rafidófitos ). [31] Las especies de dinoflagelados marinos suelen ser tóxicas, pero no se sabe que las especies de agua dulce sean tóxicas. Tampoco se sabe que las diatomeas sean tóxicas, al menos para los humanos. [32]
En los ecosistemas de agua dulce, la proliferación de algas suele ser causada por altos niveles de nutrientes ( eutrofización ). Las flores pueden parecer espuma, espuma o esteras o pintura flotando en la superficie del agua, pero no siempre son visibles. Las flores tampoco son siempre verdes; pueden ser azules y algunas especies de cianobacterias son de color rojo parduzco. El agua puede oler mal cuando mueren las cianobacterias de la flor. [29]
Las fuertes floraciones 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 alimento y pareja se ven comprometidas. Durante el día, las cianobacterias en flor saturan el agua con oxígeno. Durante la noche, los organismos acuáticos que respiran pueden agotar el oxígeno hasta el punto de que mueren especies sensibles, como algunos peces. Es más probable que esto suceda cerca del fondo del mar o de una termoclina . La acidez del agua también cambia diariamente durante la floración, con el pH alcanzando 9 o más durante el día y cayendo a valores bajos durante la noche, estresando aún más el ecosistema. Además, muchas especies de cianobacterias producen cianotoxinas potentes que se concentran durante una floración hasta el punto de volverse letales para los organismos acuáticos cercanos y cualquier otro animal en contacto directo con la floración, incluidas aves, ganado, animales domésticos y, a veces, humanos. [32]
En 1991, una proliferación dañina de cianobacterias afectó a 1.000 km del río Darling - Barwon en Australia [33] con un coste económico de 10 millones de dólares australianos. [34]
Las cianotoxinas suelen atacar el sistema nervioso ( neurotoxinas ), el hígado ( hepatotoxinas ) o la piel ( dermatoxinas ). [27] La estructura química de las cianotoxinas se divide en tres grandes grupos: péptidos cíclicos, alcaloides y lipopolisacáridos (endotoxinas). [35]
La mayoría de las cianotoxinas tienen varias variantes ( análogos ). En 1999, se conocían en total más de 84 cianotoxinas y sólo una pequeña cantidad había sido bien estudiada. [27]
Un péptido es un polímero corto de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos . Tienen la misma estructura química que las proteínas , excepto que son más cortas. 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 nodularinas envenenan el hígado y la exposición a dosis elevadas puede provocar la muerte. La exposición a dosis bajas en el agua potable durante un período prolongado puede favorecer la aparición de tumores hepáticos y de otro tipo. [35]
Al igual que otras cianotoxinas, las microcistinas recibieron el nombre del primer organismo descubierto para producirlas, Microcystis aeruginosa . Sin embargo, más tarde se descubrió que otros géneros de cianobacterias también las producían. [35] Hay 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 análisis químico estándar más antiguo disponible comercialmente fue para microcistina- LR . [35]
Las floraciones que contienen microcistina son un problema en todo el mundo en los ecosistemas de agua dulce. [36] Las microcistinas son péptidos cíclicos y pueden ser muy tóxicas para plantas y animales, incluidos los humanos. Se bioacumulan en el hígado de los peces, en el hepatopáncreas de los mejillones y en el zooplancton. Son hepatotóxicos y pueden causar graves daños al hígado en humanos. [35] En este sentido, son similares a las nodularinas (abajo), y juntas, las microcistinas y las nodularinas representan la mayoría de las floraciones de cianobacterias tóxicas en aguas dulces y salobres. [27] En 2010, varias nutrias marinas fueron envenenadas con microcistina. Los bivalvos marinos fueron la fuente probable de intoxicación por mariscos hepatotóxicos . Este fue el primer ejemplo confirmado de muerte de un mamífero marino por ingerir una cianotoxina. [6]
La primera variante de nodularina identificada fue la nodularina-R , producida por la cianobacteria Nodularia spumigena . [37] Esta cianobacteria florece en cuerpos de agua de 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. [38] (Partes de nueve países industrializados desembocan en el Mar Báltico, que tiene poco intercambio de agua con el Mar del Norte y el Océano Atlántico. En consecuencia, es una de las masas de agua más contaminadas del mundo (rica en nutrientes, desde la perspectiva de cianobacterias).)
A nivel mundial, las toxinas más comunes presentes en las proliferaciones 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 hepatotoxinas potentes y pueden causar daños graves al hígado. Presentan riesgos para la salud de los animales domésticos y salvajes, así como de los seres humanos, y en muchas zonas plantean grandes desafíos para el suministro de agua potable. [27]
Los alcaloides son un grupo de compuestos químicos naturales que contienen principalmente átomos de nitrógeno básicos . Son producidos por una gran variedad de organismos, incluidas las cianobacterias, y forman parte del grupo de los 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 . [39]
Las investigaciones sobre la anatoxina , también conocida como "factor de muerte muy rápida", comenzaron en 1961 tras la muerte de vacas que bebían de un lago que contenía una proliferación de algas en Saskatchewan, Canadá. [40] [41] La toxina es producida por al menos cuatro géneros diferentes de cianobacterias y se ha informado en América del Norte, Europa, África, Asia y Nueva Zelanda. [42]
Los efectos tóxicos de la anatoxina progresan muy rápidamente porque actúa directamente sobre las células nerviosas ( neuronas ) como una neurotoxina . Los síntomas progresivos de la exposición a 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 anatoxina, una molécula, 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 no permite que las neuronas vuelvan 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, se interrumpe la comunicación entre el cerebro y los músculos y se detiene la respiración. [43] [44]
La toxina se llamó factor de muerte muy rápida porque inducía temblores, parálisis y muerte en unos pocos minutos cuando se inyectaba en la cavidad corporal de los ratones. En 1977, se determinó la estructura del VFDF como un alcaloide de amina bicíclica secundaria y pasó a llamarse anatoxina- a . [45] [46] Estructuralmente, es similar a la cocaína . [47] 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. [48] La letalidad de la toxina significa que tiene un alto potencial militar como arma tóxica. [3]
La cilindrospermopsina (abreviada como CYN o CYL) se descubrió por primera vez después de un brote de una enfermedad misteriosa en Palm Island en Australia. [49] 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 fue revisada después de que se logró la síntesis en 2000. Se han aislado o sintetizado varias variantes de cilindrospermopsina, tanto tóxicas como no tóxicas. [50]
La cilindrospermopsina es tóxica para el tejido hepático y renal y se cree que inhibe la síntesis de proteínas y modifica covalentemente el ADN y/o el ARN . Existe preocupación por la forma en que la cilindrospermopsina se bioacumula en los organismos de agua dulce. [51] Las floraciones tóxicas de géneros que producen cilindrospermopsina se encuentran más comúnmente en masas de agua de zonas tropicales, subtropicales y áridas, y recientemente se han encontrado en Australia, Europa, Israel, Japón y Estados Unidos. [35]
La saxitoxina (STX) es una de las neurotoxinas naturales más potentes que se conocen. El término saxitoxina proviene del nombre de la especie de almeja mantequilla ( Saxidomus giganteus ), mediante el cual fue reconocida por primera vez. La saxitoxina es producida por las cianobacterias Anabaena spp., algunas Aphanizomenon spp., Cylindrospermopsis sp., Lyngbya sp. y Planktothrix sp., entre otros). [52] El pez globo y algunos dinoflagelados marinos también producen saxitoxina. [53] [54] Las saxitoxinas se bioacumulan en los mariscos y ciertos peces. La ingestión de saxitoxina, generalmente a través de mariscos contaminados por floraciones de algas tóxicas, puede provocar una intoxicación paralizante por mariscos . [27]
La saxitoxina se ha utilizado en biología molecular para establecer la función del canal de sodio . Actúa sobre los canales de sodio dependientes de voltaje de las células nerviosas, impidiendo la función celular normal y provocando parálisis. El bloqueo de los canales neuronales de sodio que se produce en la intoxicación paralizante por marisco produce una parálisis fláccida que deja a la víctima tranquila y consciente a medida que avanzan los síntomas. La muerte suele producirse por insuficiencia respiratoria . [55] La saxitoxina fue aislada y descrita originalmente por el ejército de los Estados Unidos , quienes le asignaron la designación de arma química "TZ". La saxitoxina figura en la lista 1 de la Convención sobre armas químicas . [56] Según el libro Spycraft , a los pilotos de aviones espía U-2 se les proporcionaron agujas que contenían saxitoxina para usarlas con fines suicidas en caso de que escapar fuera imposible. [57]
La etoctonotoxina (abreviada como AETX) se descubrió en 2021 como la neurotoxina cianobacteriana que causa la mielinopatía vacuolar (VM). [58] Como la biosíntesis de la etoctonotoxina depende de la disponibilidad de bromuro en los sistemas de agua dulce y requiere una interacción entre la cianobacteria productora de toxinas Aetokthonos hydrillicola y la planta huésped en la que crece epífitamente (principalmente la hidrilla ), se necesitaron más de 25 años para descubrirlo. La etoctonotoxina como toxina inductora de VM después de que la enfermedad fuera diagnosticada por primera vez en águilas calvas en 1994. [59] La toxina fluye 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. colonizado por la cianobacteria. La etoctonotoxina se transmite a las aves rapaces, como el águila calva , que se alimenta de estos animales afectados. [60]
La mielinopatía vacuolar se caracteriza por una vacuolización generalizada de los axones mielinizados (edema intramielínico) en la sustancia blanca del cerebro y la médula espinal. Los signos clínicos de la intoxicación incluyen una pérdida grave de las funciones motoras y de la vista. Las aves afectadas chocan contra los objetos, carecen de coordinación para nadar, volar y caminar, desarrollan 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 representar una amenaza para la salud humana. [58] Sin embargo, la toxicidad para los mamíferos aún no se ha confirmado 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 que los efectos tóxicos sean tan generalizados. [61]
El aminoácido no proteinógeno beta-metilamino-L-alanina (BMAA) es producido de forma ubicua por cianobacterias en ambientes marinos, de agua dulce , salobres y terrestres. [62] [63] Se están investigando los mecanismos exactos de la toxicidad de BMAA en las células neuronales. Las investigaciones sugieren mecanismos de toxicidad tanto agudos como crónicos. [64] [65] La BMAA se está investigando como un posible factor de riesgo ambiental para enfermedades neurodegenerativas, incluidas la ELA , la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer . [66]
Otras cianotoxinas:
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