Jornadas Cianos/A.Quesada - Centro de Estudios Hidrográficos

CIANOBACTERIAS EN AGUAS DE CONSUMO Y DE RECREO: UN
PROBLEMA DE TODOS
Antonio Quesada, David Carrasco y Samuel Cirés
Departamento de Biología
Universidad Autónoma de Madrid
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1.- Introducción
2.- Qué son las cianobacterias?
3.- Toxicidad de cianobacterias. Cianotoxinas
o Qué son las cianotoxinas,
o Qué efectos tienen
o Qué organismos las producen
o Toxicología
o Efectos en el ecosistema
o Efectos en humanos
o Legislación
o Distribución de las cianotoxinas en aguas españolas
4.- Conclusiones
5.- Bibliografía
1.- Introducción
Las presentes jornadas han surgido ante el interés creciente de varios sectores
relacionados con el agua, ante el problema de las cianobacterias y las cianotoxinas.
Hasta hace unos 10 años se consideraba que el problema de las cianobacterias era
inexistente o poco importante en España, aunque existiera en los países de nuestro
entorno, aunque esto por supuesto era sencillamente debido a la ausencia de datos
científicos publicados al respecto, y a la ausencia de datos oficiales. Sin embargo, en
los últimos 5 años los temas relacionados con las cianotoxinas ocupan numerosas
jornadas en congresos científicos y reuniones técnicas y se están invirtiendo
cantidades crecientes de dinero en la investigación y en la monitorización de las
cianobacterias y las cianotoxinas.
En esta charla pretendo hacer una breve introducción sobre las cianobacterias,
explicando los riesgos asociados a la presencia de las cianotoxinas en las aguas de
consumo y en las aguas recreativas. Mostrando un resumen de los casos
demostrados en el mundo en el que ha habido víctimas humanas a consecuencia de
una exposición a las cianotoxinas. Trataré también de manera resumida la
legislación española al respecto. Concluiré mi presentación mostrando los datos
conocidos sobre la presencia de cianobacterias y de las distintas cianotoxinas en
aguas españolas.
2.- ¿Qué son las cianobacterias?
Las cianobacterias anteriormente se denominaban algas verde-azuladas (blue-green
algae), y posteriormente pasaron a llamarse cianobacterias, nombre que produjo una
gran controversia, ya que los botánicos y parte de los ecólogos se negaban a que
estuviera la partícula ‘bacteria’ en el nombre. Tras la aceptación generalizada del
nombre cianobacterias, en la actualidad hay tendencia a volver a cambiarlas de nombre
y hay grupos que las empiezan a denominar cianoprocariotas. Los dos últimos nombres
hacen mención al carácter procarionte de estos organismos, esto es, no tienen núcleo
rodeado por una membrana ni orgánulos subcelulares. En realidad su estructura
corresponde al de una bacteria, de hecho estructuralmente y genéticamente son
organismos parecidísimos a las bacterias Gram negativas. Sin embargo, tienen una serie
de peculiaridades que las hacen únicas entre las bacterias y entre las algas, como son su
antigüedad evolutiva, son los primeros microfósiles de los que tenemos evidencia de
hace unos 3500 millones de años, curiosamente estos microfósiles estructuralmente son
muy parecidos a las cianobacterias actuales. Por otro lado presentan una fotosíntesis
oxigénica moderna, similar a las otras algas y plantas. Su coloración azulada, que puede
ser rojiza o púrpura, viene dada por unos pigmentos fotosintéticos llamados
ficobiliproteínas. Estos pigmentos les permiten aprovechar radiaciones de longitudes
de onda que muy pocos organismos pueden utilizar en agua dulce. Pero quizás lo que
más llama la atención de las cianobacterias es su diversidad morfológica. Hay de
muchos tipos distintos, desde pequeñas células individuales de menos de 1 µ de
diámetro como es el caso del picoplancton (Synechococcus) hasta grandes filamentos
de más de 20 µ de diámetro y varios milímetros de longitud en los que hay
diferenciación celular (Mastigocladus). Otra característica importante es su diversidad
celular, dentro del mismo filamento podemos encontrar además de las células
vegetativas (células normales), células especializadas, como los heterocistos que
realizan la fijación de nitrógeno, o los acinetos que son formas de resistencia, entre
otras. Otra de las características de muchas cianobacterias planctónicas es su capacidad
de regular su posición en la columna de agua, utilizando vesículas de gas. Esto
también representa una gran ventaja ecológica ya que pueden posicionarse donde haya
más recursos: nutrientes, luz, temperatura, etc.
3.- Toxicidad de cianobacterias. Cianotoxinas
Las cianobacterias producen una gran variedad de compuestos, considerados
metabolitos secundarios, por no realizar funciones principales en la cianobacteria que
los produce. Entre estos metabolitos secundarios se encuentran las cianotoxinas que
producen diferentes efectos sobre la salud de los organismos que se ven expuestos a
ellos.
Estas toxinas pueden ser de muy diversa naturaleza química: péptidos cíclicos,
alcaloides y lipopolisacáridos, aunque normalmente se clasifican por los efectos que
producen: hepatotoxinas, neurotoxinas, citotoxinas, dermatotoxinas y toxinas irritantes.
a) Hepatotoxinas, Pueden considerarse las cianotoxinas más importantes tanto
por su abundancia en la naturaleza, como por la elevada toxicidad que
pueden presentar. Entre ellas distinguimos las microcistinas (MC)
producidas por cianobacterias planctónicas (Anabaena, Microcystis,
Planktothrix, Nostoc y Anabaenopsis) y bentónicas (Hapalosiphon) y las
nodularinas producidas por Nodularia. Ambos tipos son péptidos cíclicos
de pequeño tamaño (7 y 5 aminoácidos respectivamente), siendo uno de ellos
característico y exclusivo de este tipo de compuestos. Estas toxinas son
extremadamente comunes en aguas dulces y son hidrosolubles, parece que
no se excretan al exterior en altas concentraciones, por lo que se denominan
endotoxinas, permaneciendo en el interior de las células que las contienen,
hasta la muerte celular o lisis, momento en que se liberan de forma masiva al
medio. Una característica importante es que son extremadamente estables y
no se destruyen por los oxidantes más utilizados en los tratamientos de
aguas, tales como la cloración, incluso aguantan la ebullición del agua donde
están disueltas. Hay una gran variedad química de estos compuestos, así por
ejemplo se conocen más de 65 especies químicas de microcistinas, siendo las
más habituales la microcistina LR (MC-LR), RR (MC-RR) e YR (MC-YR).
Sus efectos en los mamíferos son el retraimiento de los hepatocitos y por lo
tanto producen hemorragias hepáticas varias horas después de una
exposición a dosis agudas, que puede conducir a la muerte por choque
hipobolémico. También producen trastornos gastrointestinales. A dosis
crónicas se considera que pueden estar relacionadas con cáncer de hígado.
b) Neurotoxinas, como su nombre indica son toxinas que afectan al sistema
nervioso de los vertebrados. Normalmente son de naturaleza alcaloidea (bajo
peso molecular), lo que hace que trabajar con ellas sea especialmente
complicado. Afortunadamente son menos habituales que las hepatotoxinas, y
sus efectos son muy severos y rápidos: parada cardiorrespiratoria en menos
de 1 hora tras el suministro. Las toxinas más habituales son anatoxina-a,
anatoxina-a(S) y las saxitoxinas (que son como las producidas por las mareas
rojas en las zonas litorales y que tanto afectan a la economía). La anatoxina-a
es producida por Anabaena, Aphanizomenon y Oscillatoria, anatoxina-a(S)
exclusivamente por Anabaena y las saxitoxinas por
Anabaena,
Aphanizomenon, Lyngbya y Cylindrospermopsis. Sus efectos biológicos son
variados, polarizando o despolarizando las células nerviosas, evitando la
correcta transmisión del impulso nervioso provocando finalmente la muerte
por fallo cardiovascular y/o respiratorio.
c) Citotoxinas. Este grupo de toxinas está representado fundamentalmente por
una toxina, la cilindrospermopsina, sobre la que se está trabajando mucho
en la actualidad, ya que aunque fundamentalmente había sido descrita su
presencia en zonas tropicales o cálidas, recientemente ha sido descubierta en
Europa, y en particular en España a altas concentraciones. Su naturaleza
química es alcaloidea, y sus mecanismos de acción aún no son conocidos en
toda su magnitud, pero se considera citotóxica ya que afecta a una gran
diversidad de líneas celulares y entre sus órganos diana tiene una gran
diversidad de estos (hígado, bazo, riñones, timo y corazón). Se han descrito
organismos productores dentro de las especies Cylindrospermopsis
raciborskii, Aphanizomenon ovalisporum y del género Raphidiopsis,. Esta
toxina aunque está apareciendo en muchos cuerpos de agua es más sensible a
los oxidantes y los tratamientos tradicionales la destruyen.
d) Dermatotoxinas, son normalmente alcaloides como aplisiatoxina y
lyngbyatoxina, produciendo dermatitis severa con el simple contacto
cutáneo. En caso de ingestión accidental producen inflamación
gastrointestinal. Están producidas por Lyngbya, Oscillatoria y Schizothrix.
e) Toxinas irritantes, son de naturaleza lipopolisacarídica (LPS), que es un
componente habitual en la pared de todas las bacterias Gram negativas. Es la
parte lipídica de esta molécula la que produce unos efectos irritantes o
alergénicos en los mamíferos expuestos. Generalmente los LPS de las
cianobacterias son menos tóxicos que los LPS de algunas bacterias patógenas
(como Salmonella). En presencia de estos compuestos los vertebrados
disparan la producción de interferón e interleukinas.
Toxicología de las cianotoxinas
Comenzaremos este apartado refrescando unas nociones de toxicología, para así ser
capaces de apreciar la magnitud de la toxicidad de las cianotoxinas. Usamos de forma
rutinaria en toxicología el concepto de la dosis letal 50 (DL50) como la dosis necesaria
para matar a la mitad de la población en estudio. Esta variable nos va a permitir
comparar como de tóxicas son diferentes sustancias, de manera que valores pequeños
nos van a indicar mayores toxicidades, dado que es necesario estar expuesto a menores
dosis para matar al 50% de la población. Sin embargo es muy importante considerar que
los estudios toxicológicos no son fácilmente comparables entre sí, y aunque se intentan
estandarizar, dependen del organismo que se utilice en el estudio y de la forma de
contacto que se aplique, intravenoso, intraperitoneal, vía digestiva. De esta manera una
DL50 de 50 µg/kg en ratón no nos está diciendo que los efectos sean iguales en rata, o en
humanos.
Tabla 1. Toxicidad en ratón por vía intraperitoneal de las cianotoxinas y otros
compuestos tóxicos
Clase
Hepatoxinas
Neurotoxina
Microcistina-LR
Dosis Letal 50 (µ
µg/kg
peso corporal)
50
Microcistina-YR
70
Microcistina-RR
300-600
Nodularina
30-50
Anatoxina-a
250
Anatoxina-a(s)
40
Saxitoxinas
10-30
Cianotoxina
Citotoxinas
Cilindrospermopsina 200
Endotoxinas
Lipopolisacaridos
70000
Aplisiatoxina
300
Dermatotoxinas
Debromoaplisiatoxina ?
Lyngbyatoxina
Otros tóxicos no Atrazina
cianobacterianos Sarin
?
4000000
100
Como podemos observar en la tabla 1, la toxicidad de las cianotoxinas es muy variada,
oscilando entre 10 µg/kg de animal en algunas saxitoxinas hasta 70000 µg/kg en los
lipopolisacáridos. Sin embargo, por desgracia la cianotoxina más habitual, la
microcistina LR presenta una toxicidad muy elevada, de unos 50 µg/kg de ratón lo que
para que podamos comparar indica que es el doble de tóxico que el gas sarín usado en
las guerras, o unas 100000 veces más tóxico que el pesticida atrazina, que recientemente
ha contaminado algunas masas de agua españolas. Con estos valores conviene remarcar
que las cianotoxinas se consideran los compuestos más tóxicos y más preocupantes en
las masas de agua tanto por su amplia distribución como luego veremos como por su
elevada toxicidad.
Efectos en el ecosistema
A nivel ecológico lo más importante es la disminución de la biodiversidad, y la falta de
oxígeno, aunque en realidad estas son consecuencias directas de la presencia del
afloramiento masivo independientemente de si este es tóxico o no lo es. Sin embargo, la
presencia de toxina a nivel de ecosistema también tiene gran importancia, porque puede
suponer una variación en las especies de zooplancton, ya que muchas son sensibles a
dichas toxinas, permaneciendo aquellas que no lo son, pero que pueden tener diferente
valor nutricional para los peces que se alimentan de ellos, o incluso pueden no servir de
alimento para dichos peces, por lo que la estructura trófica del ecosistema quedaría
desequilibrada. Se ha comprobado que además hay acumulación de las toxinas en los
tejidos de algunos animales que las ingieren, tanto invertebrados como vertebrados,
pudiendo tener lugar el proceso denominado biomagnificación que consiste en la
acumulación en altas concentraciones de dichas toxinas circulando por la red trófica en
algunos organismos que pueden ser depredados por otros organismos y morir ante la
enorme acumulación de toxina. Recientemente se han atribuido mortandades
importantes de animales, como el caso de los flamencos del Parque Nacional de Doñana
(Alonso-Andicoberry y col, 2002) por el efecto directo de las cianotoxinas contenidas
en las cianobacterias.
Además de estos problemas que podemos considerar ecológicos, la presencia masiva de
cianobacterias en nuestras aguas conllevan otra serie de problemas relacionados con el
uso del recurso hídrico, como son los problemas estéticos de la presencia masiva de
cianobacterias que las hace perjudiciales para las actividades recreativas y/o turísticas.
Además, pueden suponer problemas cuando se utiliza como agua de riego ya que
obstruye las válvulas y los aspersores. Para el mismo proceso de potabilización también
pueden suponer problemas graves ya que obstruyen y colmatan los filtros y complican
enormemente el proceso de potabilización. En muchas ocasiones además confieren
olores y sabores desagradables al agua mediante la producción de sustancias como la
geosmina que aunque no sea tóxica inhabilita el agua para su utilización.
Otro aspecto que hay que tener en cuenta cuando aparece la biomasa de cianobacterias y
esta es tóxica es el efecto que puede tener sobre animales de interés como puede ser el
ganado, o en las mascotas. Desde que en algunos países se estudia el problema se han
atribuido multitud de muertes de ganado y de animales domésticos, perros
fundamentalmente, a la presencia de cianobacterias tóxicas.
Efectos en el hombre
Ya hemos comentado todos los problemas toxicológicos derivados de las cianotoxinas
sobre los vertebrados, pero a continuación vamos a ver cómo han afectado, o están
afectando a las poblaciones humanas. En la Tabla 2, hemos resumido los efectos que
han sido comprobados de las cianobacterias en diferentes poblaciones humanas.
Tabla 2. Casos comprobados en que las cianotoxinas afectaron a poblaciones humanas,
ordenados por la ruta de exposición.
Ruta de
Año Localización Casos
Exposición
1975 EEUU
1979 Australia
Agua de
Bebida
1981 Australia
72-90 China
1988 Brasil
Toxina presente
Síntomas
Cerca de
5000
No analizada
Gastroenteritis
149
Gastroenteritis,
Daño en el
Cilindrospermopsina riñón, Daño
hepático e
intestinal
25000
Microcistina
personas
Análisis
Microcistina
estadístico
2000
incluyendo No analizada
88 muertes
Ruta de
Año Localización Casos
Exposición
1989 Escocia
10
1995 Australia
777
1996 Escocia
11
Aguas
Recreativas
Ruta de
Año Localización Casos
Exposición
1974 EEUU
23
1996 Brasil
117 (+50
muertos)
Hemodiálisis
Toxina
presente
Daño hepático
Cáncer de
hígado primario
Gastroenteritis
Síntomas
Gastroenteritis, Garganta
irritada, Ampollas en la
Microcistina boca, Dolor abdominal,
Fiebre, Vómitos,
Consolidación pulmonar
Gastroenteritis, Síntomas
similares a la gripe,
Hepatotoxinas Llagas en la boca,
Fiebre, Irritación en ojos
y orejas
Microcistinas Erupción, Fiebre
Toxina
presente
Síntomas
Fiebre, Mialgia,
Resfriado, Vómitos
Problemas Visuales.
Microcistinas Nauseas, Vómitos,
Daño hepático
LPS
Cabe destacar que el número de muertos por efectos directos de las microcistinas es
relativamente pequeño, y se circunscribe a episodios concretos. Sin embargo, el número
de casos comprobados en que la incidencia ha sido debida a microcistinas es bastante
elevado, con el agravante de que los síntomas en dosis no letales son parecidos a los de
muchas toxicosis gastrointestinales y por tanto han podido pasar desapercibidos. Nos
parece importante resaltar el hecho de que hoy en día se considera probada la relación
entre las dosis subletales y enfermedades tan graves como el cáncer hepático a largo
plazo.
Legislación
En lo que se refiere a legislación, España es uno de los pocos países que tienen
legislación concreta respecto a las cianotoxinas en aguas de consumo. Se ha elegido
para España el valor de 1 µg/L que es el valor guía que recomienda la Organización
Mundial de la Salud (OMS) para aguas de consumo humano. Esta moderna legislación
tiene un problema y es que no recomienda ninguna metodología ni establece las
variantes de microcistina a medir (hay más de 65 identificadas en la actualidad), lo que
dificulta el cumplimiento de dicha ley. La legislación española no hace referencia aún a
la presencia de otras cianotoxinas, como la cilindrospermopsina que ha sido encontrada
en aguas españolas a concentraciones elevadas (Quesada et al., 2006), o la anatoxina
que también se ha encontrado en aguas de embalses españoles (Carrasco et al 2006b).
En cuanto a las aguas de recreo, no hay ninguna legislación, pero si hay
recomendaciones de la OMS que sugieren no permitir el acceso a la zona recreativa en
presencia de más de 20000 células de cianobacteria potencialmente tóxica por ml de
agua, lo que equivale a unos 10 µg de clorofila por litro. La nueva Directiva Europea
sobre aguas de baño explícitamente incluye la necesidad de determinar la potencialidad
de cada cuerpo de agua para desarrollar proliferaciones masivas de cianobacterias y, en
caso de producirse un afloramiento, evaluar los riesgos para la salud que éste supone. y
deja al libre albedrío de los países miembros el establecer los niveles de abundancia de
cianobacterias límite para la actividad recreativa.
Distribución de cianotoxinas en aguas españolas
Nuestros estudios sobre cianotoxinas en numerosas cuencas hidrográficas durante los
últimos 10 años así como los datos obtenidos por otras instituciones como el CEDEX
desde hace más de 30 años sobre la presencia de cianobacterias en los embalses
españoles, nos han permitido dibujar un mapa sobre la presencia de cianobacterias y
cianotoxinas en las aguas dulces españolas. En resumen las conclusiones más
importantes, aunque las veremos en detalle en otro capítulo de este libro, es que las
cianobacterias potencialmente tóxicas son abundantes o dominantes en alrededor del
50% de los embalses investigados. Nuestros datos sobre toxicidad indican que alrededor
del 65% de las muestras en que las cianobacterias eran abundantes presentaban
cianotoxinas (Quesada et al, 2004). Combinando ambos datos podemos lanzar la
hipótesis de que alrededor del 25% de los embalses españoles puedan presentar en algún
momento cianotoxinas en concentraciones variables.
Las toxinas más habituales en aguas españolas son las microcistinas (Carrasco et al
2006a), y en particular la variante LR que es la más tóxica, aunque otras variantes como
la RR, que es mucho menos tóxica también se han encontrado de manera abundante. Es
importante incidir en que la toxicidad de las diferentes toxinas es muy distinta y que por
tanto es necesario conocer qué toxinas tenemos en nuestro embalse para tomar unas u
otras medidas de gestión.
Uno de los problemas con los que nos enfrentamos respecto a las toxinas de
cianobacterias es que no todos los géneros de cianobacterias producen toxinas, incluso
dentro de un mismo género hay unas especies que normalmente producen unos tipos de
toxinas y otras que producen otros distintos, incluso hay especies del mismo género que
no las producen. Esto mismo llega al nivel de especie, dentro de una especie de
cianobacteria, hay cepas que a veces producen toxinas y otras veces no producen,
incluso la misma cepa puede cambiar notablemente en la producción de toxina,
dependiendo de las condiciones ambientales. Si que parece cierto que en un
afloramiento concreto puede haber una mezcla de especies o de cepas tóxicas y no
tóxicas, y que dependiendo de ciertos factores ecológicos este mismo afloramiento
puede pasar de una toxicidad seria a ligera o lo contrario. ¿Cuáles son estos factores
ecológicos que varían las proporciones de las poblaciones de una cepa sobre otra?. Esto
es lo que más se está estudiando en la actualidad, barajándose todo tipo de hipótesis.
4.- Conclusiones
El mensaje que me gustaría que permaneciera tras este capítulo es que las cianobacterias
producen de forma habitual toxinas y que éstas pueden tener unos claros efectos nocivos
en la salud de las personas expuestas a dichas toxinas. De hecho hoy en día se considera
que los mayores riesgos para la salud derivados del consumo del agua pueden venir
dados por la presencia de cianotoxinas. Los datos existentes muestran que las
cianotoxinas existen en el agua de nuestros embalses y que en algunos momentos y
casos pueden aparecer en altas concentraciones. Pero nos gustaría resaltar que este es un
problema que atañe a todos y en el que si queremos encontrar soluciones, todos los
sectores debemos colaborar, desde el punto de vista científico generando información
que permita entender los procesos para así poder solucionarlos, desde el punto de vista
de la gestión buscando las herramientas que permitan distribuir un agua libre de toxinas,
y desde el punto de vista sanitario elaborando unos criterios de análisis más generales.
Con todo esto y siguiendo el ejemplo de otros países de nuestro entorno, creo que sería
necesario crear un Centro Nacional de Referencia para Cianobacterias y Cianotoxinas
que fuera capaz de reunir todos los esfuerzos y sobretodo de dar respuestas a las
diferentes entidades que solicitan información tales como Confederaciones
Hidrográficas, Comunidades Autónomas, o Ayuntamientos.
5.- Bibliografía
•
Alonso-Andicoberry C., García Villada L., Lopez-Rodas V., Costas E. (2002).
Catastrophic mortality of flamingos in a Spanish national park caused by
cyanobacteria. Vet Rec., 151 (23) 706-7.
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Carrasco D., Moreno E., Sanchis D., Wörmer L., Paniagua T., Del Cueto A.,
Quesada A., (2006). Cyanobacterial abundante and microcystin ocurrence in
Mediterranean water reservoirs in Central Spain: microcystins in the Madrid area.
Eur. J. Phycol., 41(3): 281-291.
•
Carrasco D, Moreno E., Paniagua T., De Hoyos C., Wörmer L., Sanchis D., Codd
G., Quesada A. (2006). Anatoxina-a occurrence and potential cyanobacterial
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•
Quesada A., Sanchis D. , Carrasco D. (2004). Cyanobacteria in Spanish reservoirs.
How frequently are they toxic?. Limnetica 23 (1-2): 109-118.
•
Quesada A., Moreno, E., Carrasco, D., Paniagua, T., ; Wormer, L., De Hoyos, C,
Sukenik, A. (2006). Toxicity of Aphanizomenon ovalisporum (Cyanobacteria) in a
Spanish water reservoir. Eur. J. Phycol., 41 (1):39-45.