Ekologie invazních sinic a řas
aneb smrt v kapce vody Petr DVOŘÁK 2010 Katedra botaniky Algologická laboratoř
Outline • • • • • • •
Úvod – základní dělení řas Vektory Sekundární metabolity a toxiny Allelopatie Invazní sinice HABs – Harmful Algal Blooms Caulerpa taxifolia
www.sinicearasy.cz
Co jsou zač? • Sinice (Cyanophyta, Cyanobacteria) – vodní květ
• Ruduchy (Rhodophyta)
• Hnědé řasy (Chromophyta) – Chaluhy
Co jsou zač? • Obrněnky (Dinophyta) – HABs: Harmful Algal Blooms
• Zelené řasy (Chlorophyta) – Killer algae - Caulerpa
Vektory přenosu • • •
Propagule – buňky, spory, akinety Oceánské a atmosferické proudy Člověk – Lodě (lodní balast) – Záměrné vypuštění (málo případů) – Mastocarpus stellatus (Rhodophyta) – vysazen na Helgolandu v Německu, původní v severním Atlantiku – Akvaristika – pravděpodobně jeden z vektorů Caulerpa taxifolia – Úniky z akvárií – Úniky z vědeckých zařízení
Sekundární metabolity řas • Organické látky, které nejsou přímo zapojeny do normalního chodu organismu, tzn. do růstu, vývoje a reprodukce • Chemická struktura – terpeny, polyketidy, deriváty aminokyselin
Amsler (2009)
http://www.who.int/water_sanitation_health/resourcesquality/toxcyanobacteria.pdf
Sekundární metabolity - toxiny • Cyanotoxiny (sladké vody): – Hepatotoxiny (cyklické peptidy) – poškozují játra, rody Noctoc, Planktothrix, Nodularia, např. Microcystin, Nodularin – Neurotoxické alkaloidy (anatoxiny a saxitoxiny) – poškozují nervový systém, rody Cylindrospermopsis, Anabaena, Aphanizomenon, např. Cylindrospermopsin, Anatoxin-a – Cytotoxické a dematotoxické alkaloidy
Nodularin
Sekundární metabolity - toxiny • Toxiny HABs (slané vody): – Amnesic Shellfish Poisoning: Pseudo-nitzschia sp. (Diatomae) – domoic acid – působí toxicky na gastrointestinální a nervovou soustavu, působí letálně – Diarrhetic Shellfish Poisoning: Dinophysis spp., Prorocentrum spp. (Dinophyta) – okadaic acid – působí na gastroinstestinální soustavu – Neurotoxic Shellfish Poisoning: Karenia brevis (Dinophyta) – brevitoxin - neurotoxický – Paralytic Shellfish Poisoning: Alexandrium spp.,Gymnodinium catenatum, Pyrodinium bahamense (Dinophyta) – saxitoxin – fatálně působí na nervovou soustavu (Red Tide) saxitoxin
domoic acid
Gross (2003)
Allelopatie • Produkce biochemických látek ovlivnňující růst, přežití a reprodukci ostatních organismů (pozitivně i negativně) • Kompetiční výhoda proti ostatním organismům • Příklady ze slaných vod: – obrana proti nasedání Enteromorpha prolifera (Cholorophyta)
Allelopatie • Příklady ze slaných vod: – Larencia pinnatifida (Rhodophyta) antifugální a antibakteriání účinky
– Prorocentrum lima (Dinophyta): inhibice růstu ostatních řas ve fytoplanktonu
– Nodularia harveyana (Cyanobacteria): ve Středozemním moři, inhibuje růst bakterií
Allelopatie • Příklady ze sladkých vod: – Chara globularis (Chlorophyta): inhibice růstu epifytů a fytoplanktonu pomoci bioaktivnich sirných látek
– Spirogyra sp. (Chlorophyta): pozitivní i negativní allelopatie – inhibice růstu některých epifytů (rozsivky) a zároveň stimulace růstu jiných např. Planktothrix aghardii (Cyanobacteria)
Allelopatie • Příklady ze sladkých vod: – Peridinium bipes (Dinophyta): algicidní účinek na Microcystis aeruginosa (Cyanobacteria)
Allelopatie • Příklady ze sladkých vod: – Fischerella muscicola (Cyanobacteria): inhibice fotosystému II
– Oscillatoria late-virens (Cyanobacteria): inhibice fotosyntézy
Invazní sinice
Whitton et Potts (2002)
• Problém sladkých a brakických vod • Vyšší růst sinic obecně při vyšších teplotách, pH a obsahu živin • Vodní květ sinic: – Definován jako biomasa fytoplanktonu podstatně vyšší než je průměr v daném jezeře – Většinou souvisí s eutrofizací – soubor přírodních a uměle vyvolaných procesů vedoucích ke zvyšování obsahu anorganických živin stojatých a tekoucích vod – V našich podmínkách obvykle eutrofní lokalita: >50 µg.l-1 – Důsledky – cyanotoxiny, špatné organoleptické vlastnosti, utilizace dusíku a fosforu, tvorba anoxické vrstvy atd.
http://www.vscht.cz/uchop/ekotoxikologie/kategorie/eutro_tisic.pdf
Vodní květ •
Ekostrategie vodní květ tvořících sinic – Povlak tvořící – Aphanizomenon sp., Microcystis aeruginosa – vytváří velké agregáty na hladině
– Homogenně rozptýlené ve vodním sloupci – Limnothrix redekei, Plaktothrix aghardii
Vodní květ •
Ekostrategie vodní květ tvořících sinic – Stratifikační strategie – růst mezi meta a epilimnionem, nutná adaptace pigmentů na nedostatek světla – Planktothrix rubescens – Dusík fixující sinice – mohou fixovat atmosferický dusík, výskyt na lokalitách s nedostatkem dusíku – často estuária – Nodularia, Aphanizomenon – Malé kolonie tvořící – rod Aphanothece
Microcystis aeruginosa • Povlak tvořící, sladkovodní • Řád: Chroococcales • Rozšíření: – Hojně rozšířená v eutrofizovaných lokalitách v celém temperátním pásu
• Nebezpečnost: – Produkce toxinů – hepatotoxin microcystin – Toxická pro zooplankton i ryby – Bioakumulace microcystinu v environmentu
Nodularia spumigena • Dusík fixující, halotolerantní • Řád: Nostocales • Rozšíření: – – – –
Obecně brakické vody Baltské moře Austrálie – Peel-Harvey Estuary USA – Neuse River Estuary
• Nebezpečnost: – Produkce toxinů – hepatotoxin nodularin – Bioakumulace v baltské biotě (Kankaanpää et al. 2002)
Cylindrospermopsis raciborskii • Dusík fixující, sladkovodní • Řád: Nostocales • Rozšíření: – Původně tropická sinice, šíření do mírného pásu – Šíření není pravděpodobně spojeno s globálním oteplováním ale s adaptabilitou tohoto druhu (Briand et al. 2004) – Severní Amerika, Evropa, Austrálie a Afrika, časté vodní květy
• Nebezpečnost: – Produkce toxinů – neurotoxin cylindrospermopsin
Gugger et al. (2005)
Šíření Cylindrospermopsis raciborskii •
•
•
Původní předpokládané šíření z Austrálie přes Afriku do Evorpy a Severní Ameriky (Padisák 1997) na základě ekofyziologie Na molekulární úrovni jsou ale kmeny vyizlované z různých kontinentů příliš rozdílné Pravděpodobně šíření C. raciborskii z teplých refugií na kontinentech
Granéli et Turner (2007)
Ekologie invazních obrněnek (Dinophyta) • • • •
• •
• •
Většina druhů mořských Asi polovina se živí heterotrofně Sladkovodní většinou neškodné Nárůst biomasy netoxických obrněnek blízko pobřeží může vést k vytvoření anoxického prostředí Nejznámější událost – 1976 New York Bight – úhyn ryb a měkkýšů na ploše 13 000 km2 Častěji jsou nebezpečné v nízkých abundancích – toxiny nebezpečné pro mořské mlže – voda nemá typické červenohnědé zbarvení HABs: Harmful Algal Blooms Fenomén „Red Tide“ – přemnožení některých HABs
HABs a globální oteplování Hallegraef (2010) •
HABs přirozeným jevem, v poslední době však dochází ke změnám jejich rozšíření ve světovém oceánu
•
Pyrodinium bahamense – Přirozené rozšíření – pouze tropické vody – Fosilní rozšíření viz B – výskyt i kolem Austrálie – Nyní nebezpečí návratu k Austrálii kvůli oteplování oceánu
Pyrodinium bahamense (Dinophyta)
HABs a globální oteplování •
Noctiluca scintilans (Dinophyta) – šíření tohoto druhu v průběhu posledních 150 let pravděpodobně souvisí s oteplováním vody
Vliv globálního oteplování na mořský fytoplankton • •
A – snížení množství fytoplanktonu v tropických středních zeměpisných šířkách způsobené nedostatkem živin a příliš vysokou teplotou B – zvýšení množství fytoplanktonu ve vyšších zeměpisných šířkách způsobené dostatkem živin a vyšší teplotou
Hallegraef (2010)
Vliv globálního oteplování na mořský fytoplankton • Přírodní populace fytoplanktonu se obvykle vyskytují ve spíše suboptimálních podmínkách • Růst fytoplanktonu obvykle vyšší ve vyšších teplotách
Množství fytoplanktonu v Severním moři v letech 1948-2001
Vliv globálního oteplování na mořský fytoplankton
http://www.whoi.edu/redtide/page.do?pid=9257
Red Tide •
PSP - Paralytic Shellfish Poisoning
•
Vznik: teplé,slunečné počasí, nízká salinita (po dešti), pobřežní vody Projevy:
•
– Neurotoxiny: otrava měkkýšů, ryb, savců – Červenohnědá až červená barva
http://www.mass.gov/?pageID=eohhs2modulechunk&L=4&L0=Home&L1=Provider&L2=Guida nce+for+Businesses&L3=Food+Safety&sid=Eeohhs2&b=terminalcontent&f=dph_environment al_foodsafety_p_red_tide&csid=Eeohhs2
Red Tide • Organismy: – Alexandrium spp. – Gymnodinium catenatum – Pyrodinium bahamense var. compressum
Red Tide • Důsledky: – V ekosystému: akumulace toxinů v různých úrovních potravních řetězce, vymírání měkkýšů, ryb, savců – Pro člověka: přímá konzumace měkkýšů může způsobit smrt – přítomnost neurotoxinů ve vysokých dávkách – Pro ekonomiku: USA zaplatí každoročně 50 mil. dolarů za problémy způsobené HABs – hlavním komponentem je zdravotnictví a rybářství – Pyrodinium bahamense je zodpovědné za 100 úmrtí a více než 2000 vážných onemocnění lidí ročně
White Water • Emiliana huxley (Chromophyta, Coccolithophoridales) • Důležité v koloběhu vápníku • Přemnožení – vytváří bílé povlaky na hladině oceánu
http://www.sbg.ac.at/ipk/avstudio/pierofun/ct/caulerpa.htm
„Killer Algae“ Caulerpa taxifolia • Litorál moří, do hloubky 100 m • Zelené řasy (Chlorophyta), Briopsidales • Ovlivnění původních stanovišť a flóry – Porůstání všech substrátů – Ničení mikrohabitatů – Snižování density a diversity bezobratlých, ryb i flóry (i Posidonia oceanica a Cymodocea nodosa) – Toxin caulerpin – Poprvé ve Středozemním moři objevena 1988 v akváriu Oceánografického muzea v Monaku
„Killer Algae“ Caulerpa taxifolia
„Killer Algae“ Caulerpa taxifolia • Efekt na původní flóru – přerůstání a kompetice o živiny
• Efekt na původní faunu – redukce density i diversity bezobratlých
Závěr • Šíření invazních řas – většinou negativní důsledky – zdraví, místní i globální ekosystém • Změny globálního klimatu – zvýšení teploty, změna stratifikace oceánů, změna směru oceánických proudů, acidifikace… • Globální změny však ne vždy strůjcem změn – viz případ Cylindrospermopsis ☺
Použitá literatura • • • • • • • •
Amsler, C. D. (2009): Algal Chemical Ecology. Springer. Gross, E. M. (2003): Allelopathy of aquatic autotrophs. Critical Reviewes in Plant Science 22, 313339. Granéli, E. et Turner, J. T. (2007): Ecology of Harmful Algae. Springer. Hallegraeff, G. M. (2010): Ocean Climate Change, Phytoplankton Community Responses, and Harmful Algal Blooms: a Formidable Predictive Challenge. J. Phycol., 46: 220-235. Kankaanpää, H., Vuorinen, P. J., Sipiä, V. et Keinänen, M. (2002): Acute effects and bioaccumulation of nodularin in sea trout (Salmo trutta m. trutta L.) exposed orally to Nodularia spumigena under laboratory conditions. Aquat. Toxicol. 61:155-168. Briand, J. F., Leboulanger, C., Humbert, J. F., Bernard, C. et Dufour, P. (2004): Cylindrospermopsis raciborskii (Cyanobacteria) invasion at mid-latitudes: selection, wide physiological tolerance, or global warming? – J. Phycol. 40: 231-238. Padisak, J. (1997): Cylindrospermopsis raciborskii (Woloszyn ska) Seenayya et Subba Raju, an expanding, highly adaptive cyanobacterium: worldwide distribution and review of its ecology. Arch. Hydrobiol. Suppl. 107:563–593. Gugger M., Molica, R., Le Berre, B., Dufour, P., Bernadr, C. et Humbert. J. F. (2005): Genetic diversity of Cylindropsemopsis Strains (Cyanobacteria) isolated from four continents. Appl. and Environ. Microbiol. 72(2): 1097-1100.
Děkuji za pozornost!!!
Otázky???
