Origin and release of cyanotoxins in surface water reservoirs

Abstract

[eng] Cyanobacteria are prokaryotes and components of regular periphyton formation. Overall, there are around 2000 cyanobacterial species that live in various environments. Some cyanobacterial species are known to form blooms, which can cause harmful effects when blooms’ intensity is high. Abundant blooms can deplete oxygen causing hypoxic conditions that may result in the death of plants and animals. Another major issue associated with bloom-forming cyanobacteria is the production of bioactive secondary metabolites, some of which are known to be toxic. One of the main routes of human exposure to cyanobacterial toxins occurs through water, both drinking and recreational water use. There are two main drivers that favour cyanobacteria bloom: nutrient over-enrichment and on-going climate change. Nowadays, little quantitative information is available on temporal variations of cyanotoxins, including the European region. Establishing seasonal trends of cyanobacterial toxins will promote the development of effective water management strategies. Cyanotoxins can be divided into two main groups according to their targeted tissue/organ of toxicity: hepatotoxins and neurotoxins. Main cyanobacterial hepatotoxins are microcystins, nodularins, and cylindrospermopsin, while anatoxin-a, and saxitoxin are the main neurotoxins. Owning to posed toxicological risks by various cyanobacterial metabolites, guidelines values in drinking water have been introduced by several countries. What is more, the update of the WHO guideline has been recently finalized, and now it involves threshold values not only for microcystin variant, but also for cylindrospermopsin, anatoxin-a, and saxitoxins. The assessment of the occurrence and the risks of the exposure to cyanotoxins require robust, straightforward, and sensitive analytical methodologies for their identification and quantitation in the aquatic environment, and particularly in drinking water reservoirs. Besides, to perform extensive monitoring studies, these methods should be cost- effective and rapid. Beyond these cyanotoxins, cyanobacteria can produce a variety of other bioactive secondary metabolites, including cyanopeptides. These compounds belong to several classes including cyanopeptolins, anabaenopeptins, aeruginosins, aerucyclamides, and microginins. Some of these compounds are known to be co-produced together with other cyanobacterial toxins. Compounds from these classes have shown acute toxicity in planktonic grazers and are able to inhibit various enzymes. However, there is a knowledge gap in both their occurrence and posed toxicological risks. In the framework of this thesis, several points were addressed in order to fulfil the current gaps of the research in the area of occurrence of cyanobacterial toxins ant other metabolitesin surface water. Literature review on current analytical approaches for analysis of cyanotoxins and their seasonal variations in previously conducted studies in European region was carried out. Main analytical approaches were compared, what provided solid background for analytical method development. Based on available seasonal studies on cyanotoxins in different European climate zones, patterns for continental, Mediterranean, and oceanic climate zones were described. A method for the assessment of multiclass cyanotoxins in freshwater based on dual solid- phase extraction liquid chromatography coupled with high-resolution mass spectrometry was developed, optimised, and validated. The developed method showed high sensitivity, selectivity, and robustness. The application of an ultra-high pressure liquid chromatography column allowed fast separation, what makes this method more cost-effective. A targeted method was applied for the analysis of freshwater samples from Spain, Switzerland, and the United Kingdom. Several targeted cyanotoxins were identified and quantified. Additionally, mass spectrometry data acquired in high resolution provided an opportunity of posterior suspect screening, which revealed potential presence of another cyanopeptide – anabaenopeptin. Additionally, the targeted methodology was expanded for an application of suspect screening for a wide range of cyanopeptides. This method was applied for the analysis of raw drinking water from the United Kingdom. Suspect screening revealed co-occurrence of targeted compounds together with other cyanopeptides. The obtained results are the first to present concentrations of anabaenopeptins, cyanopeptolins, aeruginosins, and microginins, along with microcystins, in the reservoirs of the United Kingdom.

[spa+ Las cianobacterias son procariotas y componentes de la formación regular de perifiton. En general, hay alrededor de 2000 especies de cianobacterias que viven en varios entornos. Se sabe que algunas especies de cianobacterias generan episodios de proliferación de toxinas, que pueden causar efectos nocivos cuando la intensidad de dicha proliferación es alta. Las proliferaciones abundantes pueden agotar el oxígeno y causar condiciones hipóxicas que pueden resultar en la muerte de plantas y animales. Otro problema importante asociado con las cianobacterias que conllevan dichas proliferaciones es la producción de metabolitos secundarios bioactivos, algunos de los cuales se sabe que son tóxicos. Una de las principales vías de exposición humana a las toxinas cianobacterianas se produce a través del agua, tanto las de consumo como las de uso recreativo. Hay dos factores principales que favorecen la proliferación de las cianobacterias: el enriquecimiento excesivo de nutrientes y el cambio climático continuo. En la actualidad, se dispone de poca información cuantitativa sobre las variaciones temporales de las cianotoxinas, incluida la región europea. Sin embargo, comprender las tendencias históricas es fundamental, ya que reduce la incertidumbre y proporciona una base sólida para la previsión de dichos episodios. El establecimiento de tendencias estacionales de toxinas cianobacterianas promoverá el desarrollo de estrategias efectivas para la gestión del agua. Las cianotoxinas se pueden dividir en dos grupos principales según su tejido / órgano de toxicidad objetivo: hepatotoxinas y neurotoxinas. Las principales hepatotoxinas cianobacterianas son microcistinas, nodularinas y cilindrospermopsina, mientras que la anatoxina-a y la saxitoxina son las principales neurotoxinas. Debido a los riesgos toxicológicos que plantean varios metabolitos de las cianobacterias, varios países han introducido valores de referencia en el agua potable. Es más, la actualización de la guía que la OMS ha finalizado recientemente incluye ahora valores umbral no solo para la variante de microcistina, sino también para cilindrospermopsina, anatoxina-a y saxitoxinas. La evaluación de la presencia y los riesgos de la exposición a las cianotoxinas requieren metodologías analíticas sólidas, sencillas y sensibles para su identificación y cuantificación en el medio acuático y, en particular, en los reservorios de agua potable. Además, para realizar estudios de seguimiento exhaustivos, estos métodos deben ser rentables y rápidos. Más allá de estas cianotoxinas, las cianobacterias pueden producir una variedad de otros metabolitos secundarios bioactivos, incluidos los cianopéptidos. Estos compuestos pertenecen a varias clases que incluyen cianopeptolinas, anabaenopeptinas, aeruginosinas, aeruciclamidas y microgininas. Se sabe que algunos de estos compuestos se coproducen junto con otras toxinas cianobacterianas. Los compuestos de estas clases han mostrado toxicidad aguda en herbívoros planctónicos y son capaces de inhibir varias enzimas. Sin embargo, existe una laguna de conocimiento tanto con respecto a su aparición como a los riesgos toxicológicos que plantean. En el marco de esta tesis, se abordaron varios puntos con el fin de cubrir los vacíos actuales de la investigación en el área de la presencia y distribución de toxinas cianobacterianas y otros metabolitos en aguas superficiales. Se llevó a cabo una revisión de la literatura sobre los enfoques analíticos actuales para el análisis de cianotoxinas y sus variaciones estacionales en estudios realizados anteriormente en la región europea. Se compararon los principales enfoques analíticos que proporcionaron una base sólida para el desarrollo de métodos analíticos. Sobre la base de los estudios estacionales disponibles sobre cianotoxinas en diferentes zonas climáticas europeas, se establecieron patrones para las zonas climáticas continentales, mediterráneas y oceánicas. Se desarrolló, optimizó y validó un método para la evaluación de cianotoxinas multiclase en agua dulce basado en cromatografía líquida de extracción en fase sólida dual combinada con espectrometría de masas de alta resolución. El método desarrollado una alta sensibilidad, selectividad y robustez. La utilización de una columna de cromatografía líquida de ultra alta presión permitió una separación rápida, lo que hace que este método sea más rentable. Se aplicó un método dirigido para el análisis de muestras de agua dulce de España, Suiza y Reino Unido. Se identificaron y cuantificaron varias cianotoxinas dirigidas. Además, los datos de espectrometría de masas adquiridos en alta resolución brindaron la oportunidad de realizar una detección posterior de sospechosos, lo que reveló la presencia potencial de otro cianopéptido: la anabaenopeptina. Además, el método dirigido se amplió para la detección de compuestos sospechosos en relación a una amplia gama de cianopéptidos. Este método se aplicó para el análisis de agua potable del Reino Unido. El cribado de sospechosos reveló la coexistencia de compuestos diana junto con otros cianopéptidos. Los resultados obtenidos son los primeros en presentar concentraciones de anabaenopeptinas, cianopeptolinas, aeruginosinas y microgininas, junto con microcistinas, en los reservorios de agua del Reino Unido.