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I CIANOBATTERI POTENZIALMENTE TOSSICI: I CIANOBATTERI POTENZIALMENTE TOSSICI: IMPLICAZIONI SANITARIE E GESTIONE DEL IMPLICAZIONI SANITARIE E GESTIONE DEL
RISCHIORISCHIO
Istituto Superiore di Sanità – RomaDipartimento Ambiente e Connessa Prevenzione Primaria
Roma 15 novembre 2007
Distribuzione e fisiologia dei cianobatteri potenzialmente tossici
in Italia
Mara Stefanelli
Daniela Mattei
Cianobatteri
Batteri Gram negativi, fotosintetici con distribuzione cosmopolita (qualsiasi altitudine e latitudine, dall’Antartide al Sahara)
Origine: 2,5 miliardi di anni (stromatoliti)
Diversi Habitat (suolo, aria, acqua); es. cianobatteri acquatici in acque marine, salmastre e dolci
• Svolgono un ruolo fondamentale nel ciclo biogeochimicodell’AZOTO
• Importanti per il mantenimento di un’atmosfera aerobia(producono OSSIGENO)
• Sono in grado di fissare N2 in diverse piante di interesse commerciale (es. legumi come fagioli, soia …)
• Fertilizzano il 75% della produzione mondiale di riso (fissando N2 su Azolla)
• Alcuni cianobatteri producono etanolo (es. Cyanothece)(potenziale “Biofuel”?)
Principali morfologie dei cianobatteri
Aunicellulare
Bcoloniale
Cunicellulare, eteropolare
Dpluricellulare, filamentosa
Epluricellulare,
filamentosa, con eterocisti
Fpluricellulare, filamentosa, ramificata
( modificata da ( modificata da ChorusChorus and and BartramBartram, 1999), 1999)
Rivestimento mucillaginoso
Evita l’essiccazione cellulare (drying)Consente il movimento (gliding)
Il rivestimento è spesso colorato:Rosso = acidoBlu = basicoGiallo/marrone = alto contenuto in sali
Anabaena
Eterocisti
Cellule vegetative
Eterocisti
• Dimensioni maggiori delle cellule vegetative• Fissazione N2 (nitrogenasi)• Parete cellulare sottile• No fotosintesi
Riproduzione
- Formazione di Ormogoni(distacco a livello di cellule dette necridi o dischi di separazione)
- Formazione di Acineti o Spore(cellule con parete fortemente ispessita e pluristratificata,in grado di sopravvivere per molti anni e di germinare,quando le condizione sono idonee, dando luogo ad una nuova colonia)
- Frammentazione
Oscillatoria
Synechocystis
Cylindrospermum
Segnalazioni di fioriture in diverse aree geografiche
Europa Belgium, Czech Republic, Denmark, Estonia, Finland, France, Germany, Greece, Hungary, Ireland, Italy, Latvia,Netherlands, Norway, Poland, Portugal, Russia, Slovakia, Slovenia, Spain, Sweden, Switzerland, Turkey, Ukraine, United Kingdom
America Argentina, Bermuda, Brazil, Canada, Chile, Mexico, USA(27 Stati), Venezuela
Asia Bangladesh, India, Israel, Japan, Jordan, Malaysia, Nepal, China, Philippines, Saudi Arabia, Sri Lanka, South Korea, Thailand, Vietnam
Australia Australia (New South Wales, Queensland, South Australia, Tasmania, Victoria, Western Australia),New Caledonia, New Zealand
Africa Botswana, Egypt, Ethiopia, Kenya, Morocco, South Africa,Zimbabwe
Distribuzione di cianobatteri tossici in Italia
SARDEGNA
M. aeruginosa
P. rubescens
A. flos-aquae
A. planctonica
C. raciborskii
Ap. flos-aquae
VENETO
P. agardhii
P. rubescens
A. lemmermannii
LAZIO
M. aeruginosa
P. agardhii
P. rubescens
A. lemmermannii
C. raciborskii
Ap. ovalisporum
UMBRIA
M. aeruginosa
P. agardhii
C. raciborskii
TOSCANA
M. aeruginosa
MARCHE
M. aeruginosa
P. agardhii
P. rubescens
MOLISE
M. aeruginosa
TRENTINO
M. aeruginosa
P. agardhii
P. rubescens
A. flos.aquae
Ap. flos.aquae
LOMBARDIA
M. aeruginosa
P. agardhii
P. rubescens
A.. flos-aquae
A. lemmermannii
Ap. flos-aquae
SICILIA
M. aeruginosa
P. agardhii
P. rubescens
A. planctonica
PIEMONTE
M. aeruginosa
P. rubescens
Anabaena spp.
A. lemmermannii
Ap. flos-aquae
EMILIA ROMAGNA
C. raciborskii
Microcystis spp.
Il genere Microcystis appartiene ai cianobatteri più importanti e studiati per la formazione di fioriture in corpi d’acqua. Sono diverse le specie riconosciute, all’interno delle quali è possibile un’ulteriore distinzione in base al tipo di ciclo cellulare
• M. aeruginosa* (cosmopolita)• M. flos-aquae* (cosmopolita)• M. wesenbergii• M. viridis• M. botrys• M. ichthyoblabe*• M. protocystis (tropicale)• M. panniformis (tropicale)
*All’interno di alcuni generi è possibile un’ulteriore distinzione in base alle dimensioni, alla forma della colonia, all’ambiente in cui vivono ed alle caratteristiche molecolari
Morfologia
Le cellule presentano vescicole gassose e tendenza a formare aggregati o colonie che vanno da pochi a 100 individuiDimensioni variano da 600 a 900 μm di lunghezzaLe colonie sospese appaiono come piccoli grumi blu-verdiLe cellule hanno diametro di 4-6 μm, pseudovacuoli visibiliColonie sono tenute insieme da matrice trasparente e gelatinosaNo acineti e no eterocisti
Microcystis aeruginosa
• Genere presente nelle regioni temperate in corpi d’acqua eutrofici ed ipertrofici
• Fioriture: tarda estate e inizio autunno (cellule di resistenza –cisti- durante le stagioni fredde)
• Favorite da:- T 15-30°C (stenoterma verso il caldo)- Medi o elevati livelli di fosforo- Assenza di mescolamento dell’acqua- Bassa salinità- Capacità di galleggiamento
• Tossine prodotte: Microcistine, LPS
• Italia: Lazio, Sardegna, Sicilia, Lombardia, Toscana, Umbria, Marche, Molise, Trentino, Piemonte
Ecofisiologia
Fioritura di Microcystis in un parco pubblico di Pechino (da Carmichael, 1994)
Fioriture rapide ed
imponenti
Planktothrix Planktothrix sppspp..
Il genere Planktothrix è un importante cianobatterio planctonico capace di formare fioriture in corpi d’acqua.Inizialmente classificato nel genere Oscillatoria, ne è oggi ben distinto per il suo ciclo vitale, per le sue caratteristiche fenotipiche e molecolariDiverse sono le specie descritte:
• P. zahidii (Pakistan)• P. suspensa (zone temperate)• P. prolifica (nord Europa, centro America)• P. clathrata (parte nord delle zone temperate)• P. agardhii (zone temperate e tropicali)• P. cryptovaginata (Europa orientale)• P. rubescens (centro e nord Europa, centro America)• P. mougeotii (cosmopolita)• P. planctonica (Europa orientale)• P. geitleri (zone temperate)• P. raciborskii (Asia orientale, tropicale e subtropicale, Africa)
Morfologia
Tricomi di colore rosso porpora o rosso bruno, privi di eterocisti e acineti, senza guaina visibile
Diametro medio dei tricomi è di 7 μm e lunghezza variabile che può raggiungere pochi mm
Composti da cellule identiche, adiacenti tra loro tranne quelle apicali
Lunghezza delle cellule è di 1,1-4,9 μm ed il diametro è di 3,9-9,4 μm
Planktothrix agardhii
Tricomi solitari, diritti, di colore verde-azzurro, assottigliati nella parte finaleLe dimensioni delle cellule variano tra 3-4 μm per quanto riguarda la lunghezzaVacuoli gassosi sono larghi e sparsi nella parte periferica della cellula
Planktotrhix rubescens
Ecofisiologia
• Genere presente in corpi d’acqua poco profondi mesotrofici ed ipertrofici (anche oligotrofici per la specie P. rubescens)
• Fioriture: nella stagione invernale-primaverile• Favorite da:
- T < 18°C- Bassa intensità luminosa (sistema di pigmenti)- Capacità di galleggiamento- Basse concentrazioni di nutrienti
• Le fioriture sono ben visibili di colore rosso porpora• Tossine prodotte: Microcistine, Nodularine• Italia: Lazio, Sardegna, Sicilia, Marche, Umbria, Lombardia,
Piemonte, Trentino, Veneto
Ottobre 2006 - Ottobre 2007: stipulata una convenzione tra Dipartimento ARPAM di Ascoli Piceno e ISS per il
monitoraggio delle acque del Lago di Gerosa
OBIETTIVO: fornire informazioni chiare e provate scientificamente sugli eventuali e potenziali rischi per la salute umanaconseguenti al fenomeno delle fioriture del cianobatterio Planktothrix agardhii-rubescens, presente dal 2002 in questo lagoartificiale
Una fase del monitoraggio delle acque del lago
• Monitoraggio chimico, fisico e biologico è stato effettuato sulle acque del lago, prelevate mensilmente a diverse profondità (lungo la colonna)
• Sono stati monitorati i parametri chimico-fisici - Temperatura- Luce- pH- Ossigeno disciolto- Chl-a- nutrienti
• Sono state valutate le interazioni tra il cianobatterio e la comunità batterica (DAPI e attività enzimatica)
• Sono state effettuate analisi di biologia molecolare • E’ stata valutata la presenza di tossina (microcistine) con
metodi chimici (LC/MS/MS) ed immunoenzimatici (ELISA)
• P. rubescens è stata identificata (fenotipicamente e molecolarmente) come unica specie potenzialmente tossica
• E’ presente nel lago durante tutto l’anno, spostandosi lungo la colonna d’acqua in base ai fattori ambientali che possono favorirne la sopravvivenza
• Fenomeni di fioritura (picco a novembre 2006: 4,44*107 cell/L) sono stati osservati nei mesi autunnali/invernali, quando sia la luce che la temperatura risultavano più favorevoli, e non sembrano dipendere dalla concentrazione dei nutrienti
ott-0
6
nov-
06
dic-
06
gen-
07
feb-
07
mar
-07
apr-
07
mag
-07
giu-
07
lug-
07
ago-
07
set-0
7
ott-0
7
sup50m
0,00E+00
5,00E+06
1,00E+07
1,50E+07
2,00E+07
2,50E+07
3,00E+07
3,50E+07
4,00E+07
4,50E+07
n°cell/L
P. rubescens sup25m50m
Cylindrospermopsis spp.
Il genere Cylindrospermopsis è un cianobatterio tipicamente tropicale, fenotipicamente ben definito, in base alla forma delle cellule terminali, la lunghezza delle cellule e la presenza di eterocisti; le specie naturali sono state ben identificate Diverse sono le specie descritte:
• C. raciborskii (zone tropicale, subtropicali e attualmente temperate)• C. africana (Africa)• C. cuspis (Africa, Messico)• C. philippinensis (Cuba, Indonesia, Messico, Filippine)• C. helicoidea (Africa centrale)• C. curvispora (sud Africa, Sri Lanka, Giappone)• C. taverae (Messico)• C. catemaco (California, Messico)
Morfologia
Filamentoso lunghezza variabile e largo da 1-5mmCellule difficilmente distinguibili Due morfotipi: dritto e curvato (variabile in funzione di grandezza e numero di tricomi per cellula)Morfotipo dritto è più largo e tende a produrre tossinaNo eterocisti e rari gli acineti
Cylindrospermopsis raciborskii
Ecofisiologia• Specie tropicale e sub-tropicale, la sua presenza è stata
osservata anche in zone temperate (cambiamento climatico)
• Capacità di crescita in diverse condizioni (difficoltà nella predizione)
• Fioritura favorita da:
- Riscaldamento acqua superficiale- T > 23°C- Bassa luminosità- pH 8.0-8.7
• No formazione di schiume ma solo leggero cambiamento di colore (fioriture difficili da rilevare)
• Tossine prodotte: Cilindrospermopsina, Saxitossine• Italia: Lazio, Sardegna, Umbria, Emilia Romagna
Anabaena spp.
Il genere Anabaena presenta varie specie che si differenziano per piccole caratteristiche morfologiche come dimensione dei tricomi, delle cellule, degli acineti e per la distribuzione.Diverse sono le specie descritte:
• A. affinis (zone temperate)• A. heterospora (zone temperate)• A. viguieri (cosmopolita)• A. danica (zone temperate)• A. planctonica (cosmopolita)• A. smithii (zone temperate)• A. solitaria (zone temperate)• A. flos-aquae (cosmopolita)• A. circinalis (cosmopolita)• A. spirides (cosmopolita)• A. falciminiformis (nord Europa)• A. lemmermannii (zone temperate)• ……
Morfologia
Tricomi legati irregolarmente (fiocchetti gelatinosi)Cellule vegetative, con vescicole gassose, sono sferiche o cilindriche, 6-8 μm di lunghezza e 5,5 μm di larghezzaEterocisti sferiche o ellissoidali, 6-10 μm di lunghezza e 4-9 μm di larghezza Acineti ellissoidali o cilindrici, lievemente curvati, 30-35 μm di lunghezza e distanti dagli eterocisti
Tricomi avvolti compattamente, liberi e solitari o legati, con involucro mucillaginosoCellule vegetative, con vescicole, cilindriche con parte terminale arrotondata, 5,1-7,3 μm di diametro e 7,6-11,9 μm di lunghezzaEterocisti sferiche o ellissoidali, 6,2-8,7 μm di diametro e 7,5-11 μm di lunghezzaAcineti cilindrici 6,8-13 μm di diametro e 13,4-36,9 μm di lunghezza ai lati degli eterocisti
Anabaena flos-aquaeAnabaena lemmermannii
Tricomi liberi, solitari e diritti, con involucro mucillaginoso ialinoCellule vegetative sferiche o cilindriche, con vescicole gassose, 6,7-14,6 μm di diametroEterocisti sferiche, 5,5-14,6 μm di diametroAcineti ellissoidali, solitari o in coppia e distanti dagli eterocisti, 8,8-23,7 μmdi diametro e 14,7-39,8 μm di lunghezza
Anabaena planctonica
Ecofisiologia• Generi comuni in tutti i bacini, anche profondi• Fioriture si sviluppano tarda primavera, inizio estate (stratificazione)• Azotofissatori (si sviluppa anche a basse concentrazioni di azoto in
acqua)• Fioritura favorita da:
- T intorno ai 20°C (limitata tolleranza a T <17°C)- Stabilità della colonna d’acqua- Assenza di vento- Elevati valori di pH (8,5±0,1)
• Formano sottili strati e strie giallo-verdi galleggianti sulla superficie• Tossine prodotte: Microcistine, Nodularine, Saxitossine, Anatossine• Italia: Lazio, Sardegna, Sicilia Lombardia, Veneto, Trentino,
Piemonte
Aphanizomenon spp.
Il genere Aphanizomenon sembra essere eterogeneo e la tassonomia infragenicapuò essere chiarita da criteri molecolari Diverse specie sono ben distinguibili in accordo con i caratteri morfologici (dimensioni cellulari, forma dei tricomi finali, forma cellulare e distribuzione)Le specie descritte sono:
• A. flos-aquae (cosmopolita)• A. gracile (zone temperate)• A. klenahnii (zone temperate)• A. balticum (Mar Baltico)• A. flexuosum (Eurasia)• A. skujae (zone temerate del nord)• A. ovalisporum (zone temperate)• A. schindleri (Canada)• A. hungaricum (zone temperate)• A. tropicale (Africa, Eurasia)• A. capricorni (sud Africa)• ……
Morfologia
Cellule formano linee rette e terminanocon filamento sottile non ramificatoFascio di filamenti paralleli, liberi (colore blu-verde)Cellule 5-6 μm di diametro e 8-12 μm di lunghezzaAcineti, allungati al centro del filamento, 8 μm diametro e 60-70 μm di lunghezzaEterocisti, rettangolari o cilindrici al centro ma non vicino gli acineti, 4-9 μm di dimetro e 12-20 μm di lunghezza
Tricomi solitari di 60-100 μm di lunghezza, curvati alla fine con cellule ialine terminaliCellule vegetative, con vescicole gassose, 2,5-6,9 μm di lunghezza e 2,4-5,1 μm di laeghezzaEterocisti sferiche o ellissoidali, 4,4-10,5 μm di lunghezza e 2,41-5,1 μm di larghezzaAcineti, in mezzo ai tricomi, 16-27,8 μmdi lunghezza e 6-15.9 μm di larghezza
Aphanizomenon ovalisporum
Aphanizomenon flos-aquae
Ecofisiologia• Questo genere ha aree limitate di distribuzione (molte endemiche)• Fioriture si verificano soprattutto in primavera ed estate• Azotofissatori• Fioriture favorite da:
- Luce- T 7-28°C- Basse salinità (8-20 psu) - Stratificazione della massa d’acqua- Scarso idrodinamismo
• Specie planctoniche formanti fioriture di colorazione azzurra• Tossine prodotte: Nodularine, Cilindrospermopsina, Saxitossine,
Anatossine• Italia: Lazio, Sardegna, Lombardia, Trentino, Piemonte
ConclusioniLa produzione di una particolare tossina non risulta necessariamente legata ad un determinato genere; molto spesso lo stesso gruppo di cianobatteri produce più di un composto nocivo
La stessa specie di cianobatteri può essere associata sia a fioriture tossiche che non
L’analisi di tutti quei fattori (climatici, nutrizionali, ecc.) che portano alle fioriture può fornire le basi per individuare i bacini a rischio ed attuare azioni di monitoraggio, per conoscere le dinamiche di produzione e rilascio delle sostanze tossiche