Environmental relevancies and variability of cyanobacterial toxins  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
119647
Type K
Principal investigator Vasas, Gábor
Title in Hungarian Cianobakteriális toxinvariabilitás és funkció
Title in English Environmental relevancies and variability of cyanobacterial toxins
Keywords in Hungarian cianobaktérium, toxin, algavirágzás
Keywords in English cyanobacteria, toxin, algal bloom
Discipline
Hydrobiology, ecological status assessment, applied ecology (Council of Complex Environmental Sciences)100 %
Ortelius classification: Hydrobiology
Panel Agriculture, Environment, Ecology, Earth Sciences committee chairs
Department or equivalent Department of Botany (University of Debrecen)
Participants Bácsi, István
Garda, Tamás
Gáspár, Attila
Gonda, Sándor
Kiss, Attila
Máthé, Csaba István
Mikóné Hamvas, Márta
Riba, Milán
Szűcs, Zsolt
Ujvárosi, Andrea Zsuzsanna
Starting date 2016-10-01
Closing date 2021-09-30
Funding (in million HUF) 34.732
FTE (full time equivalent) 19.88
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az algavirágzások megjelenése és terjedése jól ismert édes- és tengervízi élőhelyeken egyaránt. A víz látványos elszíneződésén túl, számos kellemetlen velejárója van az algák tömeges előfordulásának, gazdasági és közegészségügyi problémák egyaránt jellemzőek lehetnek. Az algák változatos mérgező anyagcsereterméket termelhetnek nagy mennyiségben, melyek fokozhatják a velük kapcsolatosan ismert problémákat, mint az ivóvízminőség leromlása, halak pusztulása. Az elmúlt időszakban több tudományos kutatómunka foglalkozott az algatoxinok hatásával, tulajdonságaival, de ezek elsősorban laboratóriumi megközelítések voltak és viszonylag kevés terepi vizsgálat foglalkozott a jelenséggel. Az egyik fő kérdés a probléma kapcsán nyitott, milyen mértékben károsítják a mérgező algák tömeges megjelenései a természetes életközösségeket, mérgező anyagcsere-termékeik a toxinok milyen hatással vannak a tápláléklánc egyes elemeire. Jelen pályázatunk a mérgező algákkal és valós hatásaival foglalkozik vizes és szárazföldi életközösségekben.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A mérgező algavirágzások mértéke és gyakorisága az elmúlt évtizedekben jelentősen nőtt. Eddigi eredményeink alapján több esetben mutattunk ki algatoxinokat különböző élőhelyeken, melyek mennyisége komoly hatással lehet a tápláléklánc egyes elemeire. A főbb kutatási kérdéseink a következők:
- Milyen hatása van a környezetben megjelenő mikrocisztineknek a termelő szervezetekre nézve? Számos eredményünk van a toxinok specifikus hatásai kapcsán in vitro körülmények között, most célunk egy jól ismert több éven át algatoxinokra karakterizált víztérben egyes termelő szervezeteken (Lemna és Ceratophyllum fajok) ezeket a hatásokat igazolni.
- A specifikus hatásokon túl a termelő, fogyasztó és lebontó szervezetekből egyaránt a toxinok jelenlétét célunk kimutatni a kijelölt víztérben. A pontos mennyiségekből a toxinok perzisztenciáját, bioakkumulációs illetve biomagnifikációs képességét is célunk elemezni.
- Az édesvízi élőhelyen túl a kelet-magyarországi szikeseken tömegesen előforduló Nostoc telepeket is célunk vizsgálni. Elővizsgálataink alapján a különlegesnek mondható filogenetikai státuszú fajok között több toxintermelő kemotípus jelenlétét igazoltuk. A fajok pontos taxonómiai és kemotaxonómiai karakterizálásán túl célunk megvizsgálni milyen hatással vannak a Nostoc telepek a szikes növényi közösségek szerveződésére.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatások eredményei a „valós toxinkoncentrációk hatásai a növényfajokra illetve a növényi közösségek szerveződésére” kapcsán fontos ismeretanyagot, bizonyítékot szolgáltathatnak az algatoxinok szerepének tisztázásához.
A toxinok bioakkumulációja és biomagnifikációja kapcsán elért eredmények a táplálékláncban okozott hatások kapcsán nyithat meg új perspektívákat.
A kijelölt élőhelyek és toxintermelő szervezetek bioanalitikai vizsgálatai során több, eddig nem ismert toxin azonosítása várható.
Invazív, natív algafajok toxintermelésének tisztázása fontos kérdéseket vethetnek fel az algatoxin variabilitás kapcsán.
Kutatási eredményeink gazdasági és környezet-egészségügyi problémát érintenek, hiszen egyes emberi táplálékokban felhalmozódó, akkumulálódó toxinok hatásai kritikusak lehetnek.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Környezetünkben található vízterekben számos esetben tapasztalhatjuk algák elszaporodását, vízminőség romlását a víz elszíneződését. Az algák okozta ártalmas jelenségek között a kellemetlen ízek, szagok mellett egyre több szó esik a mérgező anyagcseretermékek lehetséges és valós hatásairól is. A változatos kémiával és hatással bíró algatoxinok megjelenésének környezetvédelmi, humán-egészségügyi és komoly gazdasági következményei is lehetnek.
Pályázatunk célja, hogy a vizes és szárazföldi életközösségek esetében milyen hatásai vannak a valós körülmények között előforduló algatoxinoknak a tápláléklánc egyes elemeire. Hogyan hatnak a növényi életközösségek alkotóira és azok szerveződésére. Fontos kérdés, hogy a toxinok feldúsulása milyen mértékű a mérsékeltövi ökoszisztémákban, hiszen e tápláléklánc egyes elemeivel, mint táplálékkal (pl. halak) mi emberek (mint fogyasztók) is kapcsolatban állunk.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Blooms of photoautotrophic organisms, like algae and cyanobacteria, are well-known phenomena that have been found in many types of fresh and marine waters over the past few decades. Near to the spectacular discoloration of the habitats, several unpleasant accompanying incidences were detected with health and economic consequences, such as human and animal poisonings, fish-kills, and decline in quality of drinking water. Many cyanobacterial and algal strains can produce several toxic metabolites with diverse chemistry and bioactivity which may cause these problems. Considering the papers regarding the effects of cyanobacterial toxins, there is a relatively low number of field studies. In almost all studies in vitro or implementing artificial conditions are created, which help to understand the effects of the cyanotoxins on organisms, but keep several questions open, such as how the producers and consumers are sensitive in the food webs, how they are degraded or staying alive in the real environment under real algal toxins exposure. The present research project focuses on the occurrences and real consequences of toxins and harmful algal blooms in aquatic and terrestrial habitats.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The frequency and intensity of the toxic bloom formations have increased within the last few decades.
In our preliminary study toxins are found in sufficient quantities to have harmful effects at lower and higher trophic levels too. Our questions are as follows:

How the cyanobacterial toxin effects (under real microcystin exposure and compare it with in vitro studies) on aquatic food chain, particularly focusing on the producers. Although our laboratory has many results and scientific publications on this subject, little is known about the real impact under natural conditions. At the selected sampling locations the characteristic plant species (Ceratophyllum and Lemna species) will be sampled and investigated by MC specific markers.

MC content of elements of the food chain will be investigated, such as producers (species of plants and phytoplankton), consumers (species of fish and aquatic invertebrates), as well as decomposers (microbial species from the sediment). How the bioaccumulation and/or biomagnifications realize relating freshwater algal toxins in aquatic ecosystems?

We plan to study several open alkali plant communities (dry alkali grasslands and meadows) in Eastern-Hungary, focusing on the toxin variability and effects of Nostoc on the species composition and richness of the vegetation and how the cyanobacterial toxins of Nostoc species effects on terrestrial plant community.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Discovery of the effects of algal toxins on aquatic and terrestrial vascular plants may provide knowledge that helps to understand the role of the algal and cyanobacterial toxins.
The summarized data obtained from bioaccumulation experiments related to the aquatic food web will allow us to interpret the route of the toxins from the producers to higher trophic level.
The bio- and chemical analysis of selected cyanobacterial bloom samples and strains may result structural identification of some previously undescribed toxin congeners and toxin classes.
Several native and invasive species can build bloom formation in waters of our region. Our results will also provide data to clarify which species, populations are potentially hazardous.
The results of our proposed project will contribute in revealing the real toxic potential and impact of the harmful algal blooms in freshwaters and fresh-waters used for economic purpose like fishery, water-supply, irrigation canal, recreational water, ponds and shallow-lakes in nature conservation areas and terrestrial habitats too.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Algal blooms are well-known phenomena that have been found in many types of fresh and marine waters over the past few decades. Near to the spectacular discoloration of the habitats, several unpleasant accompanying incidences were detected with health and economic consequences, such as human and animal poisonings, fish-kills, and decline in quality of drinking water. Many cyanobacterial and algal strains can produce several toxic metabolites with diverse chemistry and bioactivity which may cause these problems in our regions.
Our results to be obtained could help to understand how algal toxins effects plant and animal communities, how dangerous is the level of the algal toxins when accumulated in aquatic organism. In addition we research how the toxins variable in the natural habitats.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt célja a cianotoxinok és egyedi cianobaktérium-anyagcseretermékek vízi és szárazföldi közösségekre gyakorolt szerepének és hatásának tanulmányozása volt. A kutatást laboratóriumi, és terepi vizsgálatok segítségével végeztük, melyeket metabolomikai vizsgálatok egészítették ki és különböző in vitro és in vivo toxicitási vizsgálatokat alkalmaztunk. Néhány fontos megállapításunk a következők voltak: Egy komplex vizsgálatban kimutattuk a cianotoxinok hatásait a növényekre valós környezeti feltételek mellett. Morfológiai, citológiai és enzimológiai adatok a specifikus toxinhatásokat mutattak környezeti növényi mintákban. Egy balatoni lokális Microcystis virágzás során megvizsgáltuk a megjelenő toxikus és nem toxikus kemotípusokat és megvizsgálatuk hogy balatoni busa egyedek bélrendszerében milyen kemotípusok tudnak túlélni és életképesen a vízbe ürülni. Kimutattuk, hogy a mikrogininek (bioaktív cianobakteriálsi peptidek) genotoxikus hatásait, ami azt jelzi, hogy az MG-k olyan potenciális veszélyt jelenthetnek a vízi életközösségekre és az emberre, amelyet korábban még nem ismertek fel. Izolált Nostoc törzsek metabolikus mintázataik alapján különböző kemotípus csoportokba sorolhatók. Kiemeltük, hogy ezek a metabolittermelő változatok hatással lehetnek a természetes közösségek szerveződésére.
Results in English
The aim of the proposed project was to study the role and impact of cyanotoxins and unique cyanobacterial metabolites on aquatic ecosystems by analyzing harmful cyanobacterial blooms in ponds/ lakes and terrestrial habitats. The research complemented with laboratory metabolomic studies, applying different in vitro and in vivo toxicity assays on aquatic organisms naturally affected by cyanotoxins and on model cell/tissue cultures. Some important findings are the follows: In a complex studies (this study is one of the first to show) we showed the natural effects of cyanobacterial toxins on vascular plants under real environmental conditions. The HAB decreased peroxidase activity, but increased nuclease and protease activities, showing the decreased capacity of plants. In a chemotyping study, Our results draw attention to the fact that bigheaded carps not only carry and spread viable, mucilaginous envelope-covered Microcystis cells from their alimentary tracts, but harmful cyanobacterial strains can also be found among them according to the chemotypes. We demonstrated genotoxic potential of MGs (this present study are the first) indicating that MGs may represent hazard for aquatic environment and humans that has not been recognized before. The isolated Nostoc-like strains could be classified into different chemotype groups based on their metabolic pattern. We highlighted that these metabolite-producing variants may have an effect on the organization of natural communities.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=119647
Decision
Yes





 

List of publications

  
Judit Sonkoly, Orsolya Valkó, Balázs Deák, Tamás Miglécz, Katalin Tóth, Szilvia Radócz, András Kelemen, Milán Riba, Gábor Vasas, Béla Tóthmérész, Péter Török: A new aspect of grassland vegetation dynamics: cyanobacterium colonies affect establishment success of plants, Journal of Vegetation Science, 2017
Márta M-HamvasKitti AjtayDániel BeyerKatalin JámbrikGábor VasasGyula SurányiCsaba Máthé: Cylindrospermopsin induces biochemical changes leading to programmed cell death in plants, M Márta, Kitti Ajtay, Dániel Beyer, Katalin Jámbrik, Gábor Vasas, Gyula Surányi, Csaba Máthé, 2017
Veronika Nagy, Attila Agócs, József Deli, Gergely Gulyás-Fekete, Tünde-Zita Illyés, Tibor Kurtán, Erika Turcsia, Szabolcs Béni, Miklós Dékány, Andreas Ballot, Gábor Vasas: Carotenoid glycoside isolated and identified from cyanobacterium Cylindrospermopsis raciborskii, Journal of Food Composition and Analysis 65, 6-10, 2018
Tisza A. S. Bell, Emel Sen-Kilic, Tamás Felföldi, Gabor Vasas, Matthew W. Fields, Brent M. Peyton: Microbial community changes during a toxic cyanobacterial bloom in an alkaline Hungarian lake, Antonie van Leeuwenhoek, 2018
Márta M-HamvasKitti AjtayDániel BeyerKatalin JámbrikGábor VasasGyula SurányiCsaba Máthé: Cylindrospermopsin induces biochemical changes leading to programmed cell death in plants, Marine drugs, 2017
Miklós Nagy, Sándor Kéki, Dávid Rácz, Jaideep Mathur, György Vereb, Tamás Garda, M Márta, François Chaumont, Károly Bóka, Béla Böddi, Csongor Freytag, Gábor Vasas, Csaba Máthé: Novel fluorochromes label tonoplast in living plant cells and reveal changes in vacuolar organization after treatment with protein phosphatase inhibitors, Protoplasma, 2018
Andrea Zsuzsanna Ujvárosi, Milán Riba, Tamás Garda, Gyöngyi Gyémánt, György Vereb, M Márta, Gábor Vasas, Csaba Máthé: Attack of Microcystis aeruginosa bloom on a Ceratophyllum submersum field: Ecotoxicological measurements in real environment with real microcystin exposure, Science of the Total Environment, 2019
Milán Riba, Attila Kiss-Szikszai, Sándor Gonda, Gergely Boros, Zoltán Vitál, Andrea Kériné Borsodi, Gergely Krett, Gábor Borics, Andrea Zsuzsanna Ujvárosi, Gábor Vasas: Microcystis Chemotype Diversity in the Alimentary Tract of Bigheaded Carp, Toxins, 2019
Dalma Dobronoki, B Viktória, Gábor Vasas, Sándor Gonda, Sándor Alex Nagy, István Bácsi: Potential role of the cellular matrix of Aphanizomenon strains in the effects of cylindrospermopsin—an experimental study, Journal of Applied Phycology, 2019
Andrea Zsuzsanna Ujvárosi, Klara Hercog, Milán Riba, Sándor Gonda, Metka Filipič, Gábor Vasas, Bojana Žegura: The cyanobacterial oligopeptides microginins induce DNA damage in the human hepatocellular carcinoma (HepG2) cell line, Chemosphere, 2019
Milán Riba, Attila Kiss-Szikszai, Sándor Gonda, Péter Parizsa, Balázs Deák, Péter Török, Orsolya Valkó, Tamás Felföldi, Gábor Vasas: Chemotyping of terrestrial Nostoc-like isolates from alkali grassland areas by non-targeted peptide analysis, Algal Research, 2020
Andrea Zsuzsanna Ujvárosi, Klara Hercog, Milán Riba, Sándor Gonda, Metka Filipič, Gábor Vasas, Bojana Žegura: The cyanobacterial oligopeptides microginins induce DNA damage in the human hepatocellular carcinoma (HepG2) cell line, Chemosphere, 2020
Mikóné Hamvas Márta, Gábor Vasas, Dániel Beyer, Eszter Nagylaki, Csaba Máthé: Microcystin-LR, a Cyanobacterial Toxin, Induces DNA Strand Breaks Correlated with Changes in Specific Nuclease and Protease Activities in White Mustard (Sinapis alba) Seedlings, Plants 10,10, 2045, 2021
Csaba Máthé, Gábor Vasas, Tamás Garda, Csongor Freytag: Subcellular Alterations Induced by Cyanotoxins in Vascular Plants—A Review, Plants 10,5,, 2021
Csongor Freytag, Csaba Máthé, Gábor Rigó, Tomasz Nodzyński, Zoltán Kónya, Ferenc Erdődi, Ágnes Cséplő, Erik Pózer, László Szabados, Adrienn Kelemen, Gábor Vasas, Tamás Garda: Microcystin-LR, a cyanobacterial toxin affects root development by changing levels of PIN proteins and auxin response in Arabidopsis roots, Chemosphere 276, 2021



Back »