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