Цианобактерии (сине-зеленые водоросли) и токсины цианобактерий: риски, инструменты контроля и технологии устранения

Немногочисленные отечественные исследования по проблематике цианотоксинов посвящены, как правило, определению концентраций цианотоксинов в водах поверхностных источников питьевого водоснабжения. Данные по обнаружению цианотоксинов в питьевой воде редки и статистически непредставительны. С учетом этого представляет интерес переводной обзор трех наиболее значимых цитотоксинов, встречающихся в водах почти всех регионов США и перечисленных в третьем Списке загрязнителей-кандидатов (CCL) - микроцистина-LR, анатоксина-а и цилиндроспермопсина. В обзоре рассматриваются аспекты воздействия этих цитотоксинов на здоровье человека, инструменты аналитического контроля и эффективность различных технологий водоподготовки в устранении или инактивации указанных цитотоксинов.

Сразу надо отметить, что другие цианотоксины, такие как сакситоксины и анатоксины (S), также встречаются в водах США, но в общем рассматриваются как намного менее обычные (немного реже встречающиеся). Поэтому настоящий обзор не касается этих хорошо известных токсинов цианобактерий, таких как паралитический токсин моллюсков (семейство сакситоксинов), анатоксин-а(S), лингбиатоксины, или загрязнителей запаха и вкуса, причиной которых являются цианобактерии.

Фоновая информация

Закон о безопасной питьевой воде (SDWA) защищает общественное здоровье путем нормирования национальных общественных запасов питьевой воды и их источников: рек, озер, водохранилищ, родников и скважин подземных вод. SDWA обязывает Агентство охраны окружающей среды США (US EPA) публиковать список ненормируемых загрязнителей, которые встречаются или, как ожидается, могут встречаться в общественных системах водоснабжения в США и могут представлять риск в питьевой воде. Данный список известен как Список загрязнителей-кандидатов (CCL). Для получения более полной информации о программе CCL следуйте по ссылке: http://water.epa.gov/scitech/ drinkingwater/dws/ccl/.

Цианотоксины, включенные в последний CCL, продуцируются несколькими видами цианобактерий (цианобактерии известны как сине-зеленые водоросли). Наиболее распространенные цианотоксины - это токсины пептидной природы класса микроцистинов. Существует по меньшей мере 80 известных микроцистинов, включая микроцистин-LR, который считается одним из самых токсичных. Более десятка стран, включая Канаду, Бразилию, Новую Зеландию и Австралию, располагают разработанными нормативами или руководствами по содержанию микроцистинов в питьевой воде и рекреационных водах. Большинство руководств по питьевой воде основывается на предлагаемом Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) уровне содержания микроцистина-LR в питьевой воде в 1,0 мкг/л. В настоящее время в США не существует федеральных нормативных руководств по цианобактериям или их токсинам в питьевой воде и рекреационных водах.

Причины вредного водорослевого цветения цианобактерий

Цианобактерии - это фотосинтезирующие бактерии, имеющие ряд общих свойств с водорослями и естественно встречающиеся в озерах, реках, прудах и прочих поверхностных водах. Как и другие типы водорослей, цианобактерии могут при благоприятных условиях быстро размножаться в воде, вызывая «цветение». Ниже описаны условия, усиливающие рост цианобактерий. Некоторые типы цианобактерий, например, Anabaena flos1 aquae, имеют газоносные полости, позволяющие им плавать на поверхности или под поверхностью, в зависимости от условий освещения или уровней концентраций питательных веществ. Это служит причиной концентрации цианобактерий на поверхности воды, вызывая типичный цвет горохового супа или сине-зеленую пену. Некоторые цианобактерии, подобно Planktothrix agardhii, встречаются в донных отложениях и всплывают в результате шторма или иных взмучиваний отложений. Другие цианобактерии при массовом развитии могут оставаться взвешенными в столбе воды (Cylindrospermopsis sp.), вызывая всеобщее изменение цветности воды.

Факторы, влияющие на развитие и продолжительность цветения цианобактерий, охватывают интенсивность освещения и общую продолжительность освещения солнцем, доступность питательных веществ (особенно фосфора), температуру воды, рН, увеличение количества осадков, потока воды (является ли водный массив непроточным или быстро текущим), стабильность водного столба. Хотя условия развития цветения в большей части США являются наиболее благоприятными в поздней части лета, взаимодействия всех этих факторов вызывают существенные сезонные и годичные колебания численности цианобактерий. Некоторые продуцирующие токсины штаммы могут встречаться в начале лета, в то время как другие - только во второй половине летнего периода.

Цветение цианобактерий может быть вредным для окружающей среды, животных и здоровья человека. При разложении наросшей при цветении биомассы потребляется кислород, создавая условия гипоксии - недостатка кислорода, приводящие к отмиранию животных и растений. При благоприятных условиях освещенности и обеспечения питательными веществами некоторые виды цианобактерий продуцируют вторичные метаболиты, известные как цианотоксины. Распространенные токсинобразующие цианобактерии перечислены в таблице 1.

Условия, вызывающие образование цианобактериями цианотоксинов, не поняты до конца. Некоторые виды, способные к образованию токсинов, могут не продуцировать токсины при всех условиях среды. Данные виды часто входят во множество обычных формирующих цветение родов. Существуют как нетоксичные, так и токсичные разновидности большинства обычных токсинпродуцирующих цианобактерий, поэтому невозможно сказать, является ли вид токсичным или нетоксичным при его определении. Даже при наличии токсинпродуцирующих цианобактерий в действительности они могут не образовывать токсины. Более того, некоторые виды цианобактерий могут продуцировать многочисленные типы и разновидности цианотоксинов. Доступны молекулярно биологические тесты, способные определить, несет ли цианобактерия, например, Microcystis, ген токсина; для того, чтобы определить, действительно ли цианобактерия продуцирует токсин, необходим количественный анализ по определению цианотоксинов. При этом загрязненная цианобактериями вода может встречаться без каких-либо проблем привкуса и запаха.

В большинстве случаев токсины цианобактерий существуют внутриклеточно в цитоплазме и остаются внутри клетки. Разновидности анатоксина-а и микроцистина обнаруживались внутриклеточно приблизительно в течение 95% времени ростовой стадии цветения. Для данных видов токсины высвобождаются в воду при отмирании или разрушении клеток, при разрыве клеточной мембраны (экстрацеллюлярные внеклеточные токсины). Однако у других видов, например, в случае цилиндроспермопсина, значительное количество токсина может выделяться естественным образом в воду живыми клетками цианобактерий; по литературным данным соотношение примерно 50% внутриклеточных к 50% внеклеточным токсинам. Внеклеточные токсины могут абсорбироваться на глине и органических взвесях в водном столбе и в целом более сложно удаляются, чем внутриклеточные токсины.

Влияние цианоксинов на здоровье

Цианоксины включают нейротоксины (воздействующие на нервную систему), гепатотоксины (воздействующие на печень) и дерматотоксины (воздействующие на кожу). Присутствие высоких уровней цианотоксинов в рекреационных и питьевых водах может вызывать у человека широкий спектр симптомов (таблица 1), включая повышение температуры, головную боль, мышечные и суставные боли, кожные волдыри, желудочные спазмы, понос, рвоту, язвы в ротовой полости и аллергические реакции. Данные эффекты могут проявляться в течение нескольких минут или дней после воздействия. В некоторых случаях могут происходить приступы, печеночная недостаточность, остановка дыхания и (редко) смерть. Существуют доказательства, что долгосрочное воздействие микроцистинов и цилиндроспермопсина может способствовать росту новообразований и вызывать рак.

Существует много документированных сообщений о гибели собак, птиц и скота во всех регионах мира в результате потребления поверхностных вод с цветением цианобактерий. Нечасто также документирована гибель людей. Внутривенное введение воды, содержащей микроцистины, в центре почечного диализа в Бразилии в 1996 году привело к смерти 50 человек. Действительный риск воздействия низких концентраций цианотоксинов в питьевой воде и долгосрочные эффекты воздействия этих токсинов точно неизвестны.

Методы проверки

Таблица 2 описывает методы, применимые для измерения концентрации цитотоксинов в воде.

Существуют коммерческие полевые наборы тестов для использования в качестве инструмента проверки присутствия или отсутствия специфических цианотоксинов в источниках водоснабжения. Проверочные наборы (ELISA1наборы) пригодны для определения микроцистинов, цилиндроспермопсина и сакситоксина, но в настоящее время непригодны для определения анатоксина-а. Хотя они предоставляют экспрессные результаты, в целом данные наборы имеют ограничения по точности, чувствительности и специфичности. В случае, если проверочный тест положительный, система водоснабжения должна направить пробы в лабораторию, способную количественно измерить концентрации специфичных цианотоксинов, используя более точные методики, такие как жидкостная хроматография, объединенная с масс-спектрометрией (LC/MS).

Очистка воды от цианотоксинов и управление цветением

При обнаружении в поверхностной воде, используемой для питьевой водоподготовки, цианобактерий и/или их токсинов операторы станции питьевой водоподготовки могут применить несколько способов для их удаления или инактивации. Некоторые способы водоподготовки эффективны в отношении определенных цианотоксинов, но не в отношении других групп цианотоксинов. Поэтому операторы станций питьевой водоподготовки должны знать типы роста и доминирующие во время цветения виды цианобактерий, свойства цианотоксинов (например, внутриклеточные или внеклеточные) и наиболее эффективные технологии водоподготовки. Применение ошибочного технологического процесса на специфическом этапе водоподготовки может повредить клетки и привести больше к высвобождению, чем удалению цианотоксинов.

В таблице 3 приведены данные об эффективности различных типов технологий водоподготовки в удалении неповрежденных клеток и процессах водоподготовки, которые эффективны в удалении внеклеточных растворенных цианотоксинов некоторых наиболее важных цианобактерий. Производители питьевой воды поощряются к мониторингу подготовленной воды, чтобы гарантировать удаление цианотоксинов.

Производители питьевой воды могут применять различные стратегии управления, связанные с цветением цианобактерий, чтобы избежать высвобождения цианотоксинов в воду. Например, те станции питьевой водоподготовки, которые имеют более одного источника водоснабжения, могут их менять. Другой альтернативой управления может быть изменение глубины водозабора, чтобы избежать попадания на станцию загрязненной воды и клеток цианобактерий.

Для уменьшения концентраций веществ, влияющих на привкус и запах воды, уменьшения количества дрейссен и прочих загрязнителей часто применяется предварительная обработка воды окислителем на входе процесса водоподготовки. Однако использование данного метода вызывает определенное беспокойство в отношении разрыва клеток и высвобождения токсинов. Обработка сульфатом меди и озоном на входе процесса водоподготовки удаляет водорослевое цветение, но она не рекомендуется из-за риска лизиса клеток водорослей. Хлорирование, в дополнение к разрушению клеток, может приводить к образованию в процессе очистки питьевой воды побочных продуктов дезинфекции. Если необходима предварительная обработка окислителем, то для перманганата калия (KMnO4) продемонстрирована эффективность в удалении клеток Micocystis без высвобождения токсина. В дополнение рекомендуется применять порошковый активированный уголь (PAC), чтобы удалить любые потенциально высвободившиеся токсины.

Показано, что стандартный процесс очистки питьевой воды (коагуляция, флоккуляция, седиментация и фильтрация) может быть эффективен в удалении внутриклеточных токсинов. Коагуляция, флоккуляция и флотация растворенным воздухом (DAF) более эффективны, чем седиментация. Микрофильтрация и ультрафильтрация в высшей степени эффективны в удалении неповрежденных клеток цианобактерий. Когда наблюдается цветение, и клетки цианобактерий проходят через фильтры, следует чаще проводить обратную промывку, чтобы снизить риск высвобождения токсинов в воду.

Для удаления внеклеточных токсинов производители питьевой воды могут использовать активированный уголь, мембранную фильтрацию и химическую инактивацию (ультрафиолетовое облучение, дезинфектанты и оксиданты). Порошковый активированный уголь (PAC) и гранулированный активированный уголь (GAC) эффективны при абсорбции микроцистина и цилиндроспермопсина, хотя разновидности микроцистина могут иметь разные эффективности абсорбции.

Эффективность работы активированного угля зависит от концентрации токсина, а также от дозы и происхождения активированного угля. Для оценки эффективности различных типов PCA рекомендуется проводить поверхностные тесты яса с применением угля с наибольшей способностью удаления целевых загрязнителей. GAC-фильтры эффективны в удалении микроцистинов, если они должным образом заменяются или регенерируются при высоком проскоке общего органического углерода. Обычно для эффективного удаления токсинов требуются повышенные концентрации активированного угля, для полного удаления токсинов может быть необходима повторная обработка. Нанофильтрация и обратный осмос эффективны в удалении цилинроспермопсина и микроцистина. Но в любом случае рекомендуется проводить пилотные исследования, поскольку эффективность удаления зависит от распределения размера пор мембраны и качества воды

Обработка ультрафиолетовым излучением эффективна в разрушении клеток с микроцистином, анатоксином-а и цилиндроспермопсином. Однако в связи с тем, что для этого требуются более высокие дозы, чем применяемые на практике, данная обработка становится практически нереальной. УФ-обработка использовалась с катализатором (оксидом титана), чтобы разрушить токсины окислением. Но эффективность данного процесса в значительной степени зависела от содержания органики в воде. Оксиданты, такие как хлор, озон и перманганат калия, являются эффективными способами инактивации микроцистина, однако эффективность хлора зависит от рН. Различные цианоксины реагировали на хлор по-разному, например, доказано, что хлор неэффективен для инактивации анатоксина-а. Когда же рН ниже 8, хлор эффективен для инактивации микроцистина и цилиндроспермопсина. Озон - хороший оксидант для микроцистинов, анатоксина-а и цилиндроспермопсина, но его эффективность также зависит от рН, присутствие органического вещества может влиять на эффективность озонирования. Хотя окисление озоном микроцистина не зависит от рН, эффективность озона зависит от рН (от 7 до 10) в отношении анатоксина-а и цилиндроспермопсина (от 4 до 10). Перманганат калия эффективен в окислении микроцистина и анатоксина-а (при рН от 6 до 8), но не очень реакционноспособен в отношении цилиндроспермопсина. Обработка хлораминами и оксидом хлора неэффективна для микроцистина, анатоксина-а и цилиндроспермопсина.

Образование побочных продуктов дезинфекции является другой вероятной проблемой при использовании озона, сульфата железа и хлора при высоких концентрациях бромида в воде. Тем не менее результаты исследований воздействия хлорирования на внутриклеточные токсины и результирующее образование побочных продуктов дезинфекции противоречивы. Большинство исследований полагают, что в течение цветения следует в идеале избегать предварительного хлорирования до тех пор, пока должные уровни контактного времени не будут гарантировать полного эффективного окисления разрушенных цианобактерий.

Разработка плана действий в чрезвычайных ситуациях

Организации, управляющие водными запасами, должны разработать план действий в чрезвычайных ситуациях при цветении цианобактерий. Большинство массовых развитий водорослей нетоксично, и план должен предусматривать, как определить риск, связанный с каждым событием. Элементы такого плана должны определять, где и когда отбираются пробы; частоту отбора проб; объем проб; когда отбираются пробы на наличие клеток цианобактерий или специфических токсинов или одновременно на наличие клеток и токсинов; какой аналитический тест используется для наблюдения за ситуацией; условия, при которых необходимо отослать в выбранную лабораторию пробу (пробы) для подтверждения. Производители питьевой воды должны также разработать план альтернативных действий до получения результатов аналитического контроля, включая способ (способы) очистки для применения при положительных результатах анализов, а также определение процесса общественного оповещения. Для разработки таких планов может использоваться глава 6 («Оценка ситуации, планирование и управление») из издания ВОЗ «Токсичные цианобактерии в воде: руководство по последствиям для общественного здоровья, мониторингу и управлению».

Перевод - Владимир Ларин, кандидат биологических наук, начальник отдела биологических методов анализа ЗАО «РОСА»

Фото: ufaleyadmin.ru

Журнал «Вода Magazine» №4 (92), 2015 г.