Ficotoxinas asociadas a florecimientos algales nocivos

Ficotoxinas asociadas a

florecimientos algales nocivos

FICOTOX: Analisis, monitoreo e investigación sobre ficotoxinas asociadas a florecimientos algales nocivos (FAN)

DEPARTAMENTO DE OCEANOGRAFIA BIOLOGICA CICESE

Ernesto García Mendoza

Grupo de Investigación CONGAL (CONocimiento alGAL)

Líneas de investigación:

(1)Ecología y fisiología del fitoplancton

- Ecología del fitoplancton: Respuesta y fisiología de diferentes grupos algales al forzamiento ambiental - Ecología y fisiología de especies formadoras de

florecimientos algales toxicos (Estudios ecotoxicológicos asociados a FAN: FICOTOX)

(2)Regulación de la fotosíntesis en el grupo algal.

Respuesta fisiológica de organismos fotosintéticos a la

variabilidad ambiental

Synechocystis PCC 6803

Regulación de la fotosíntesis

(respuesta de organismos fotosintéticos a la variabilidad ambiental)

Dilema de las los organismos autotróficos:

Maximizar el uso de un recurso inherentemente variable como la luz, sin que este produzca daño

0.5 mm

40-60 m

?COMO LOGRAN ESTO?

Uno de los orígenes de FICOTOX: El caso APL-Panamá

?Consecuencias?

25 abril 2005

Comunidad fitoplanctónica

?Existió la introducción de especies exóticas (con potencial nocivo)?

Como identificar especies exóticas: (1) conocimiento

de la comunidad y dinámica de la misma

Ecología y fisiología de especies formadoras de florecimientos algales toxicos

¿Que es un florecimiento algal (FA)? ¿Marea Roja?

¿

Por qué se convierte en nocivo un FA (FAN)?

La acumulación de una alta biomasa y/o la producción de metabolitos de las especies formadoras de FA pueden afectar a otros organismos

Aspectos nocivos de los FAN

•Químicos. Producción de metabolitos nocivos: Diferentes tipos de toxinas (neurotoxicas, hemolíticas, diarreicas), especies reactivas de oxigeno y otras sustancias potencialmente nocivas.

•Mecánicos. Lesionan y/o obstruyen las branquias en los peces.

•Biológicos. Por la degradación de las condiciones del

medioambiente afectan a otros organismos. Condiciones

anóxicas, producción de espumas, mucilagos etc

Implicaciones

Económicas (desarrollo costero) Salud Publica

Ecológicas

Hoagland and Scatasta- 2005. Ecology of Harmful Algae, Graneli and Turner (eds). Ecological studies Vol. 189

Microalgas formadoras de FAN

Implicaciones– Salud publica

Salud Publica (Toxinas normadas en Mexico)

Vectores filtradores

MOLUSCOS BIVALVOS

Ingesta  Acumulación  Metabolismo  Depuración

• La toxicidad pueden diferir de acuerdo al perfil de la fuente de toxina, debido a la conversión potencial durante la digestión.

• BIOTRANSFORMACION:

N-sulfocarbomil  Carbamato

Carbomato  Decarbomil

Los dos síndromes tóxicos mas relevantes en el sistema de la

Corriente de California son el envenenamiento por acido domoico (intoxicación amnésica por moluscos; ASP) y por saxitoxina

(intoxicación paralizante por moluscos; PSP)

Alexandrium catenella SAXITOXINA

Pseudonitzschia spp ACIDO DOMOICO

Florecimentos algales nocivos y especies toxicas

Toxinas de tipo diarreico (Acido okadaico y

dinophysistoxina)

Toxinas de tipo paralizante (saxitoxinas)

Toxinas de tipo amnésicas (Ac. Domoico)

Intoxicación causada por una un grupo diverso de moléculas (familia de la Saxitoxina) En 1793, 4 muertos en Columbia Británica (Poison Cove)

En CA se han reconocido 510 intoxicaciones (32 muertes; Langlois, 2001).

(?Que es el PSP y el ASP?) PSP

En México las únicas muertes reconocidas asociadas a FAN es por PSP!!!

Gymnodinium catenatum

La saxitoxina bloquea la conducción de sodio, afecta a células musculares principalmente.

PSP: Modo de acción

Intoxicación leve:

• Parestesias y hormigueo en labios lengua, cuello y extremidades. Nauseas, mareo y cefalea.

Moderada:

• Dificultad para hablar, debilidad de piernas y brazos. Hormigueo, sensación de ceguera y dificultad respiratoria

Severa

• Parálisis muscular severa. Parálisis respiratoria Sintomatología

Sitios receptores de ficotoxinas en la subunidad α del canal de sodio

Intoxicación causada por una el acido domoico, análogo del principal neurotransmisor del sistema nervioso central (L-glutamato).

Detectado en 1987. 150 intoxicados y 3 muertos en Canada

Se bioacumula en los tejidos de especies filtradoras y planctivoras como moluscos, sardinas, anchovetas, y eufasidos

ASP

N COOH

COOH COOH

H₃C

H₃C

H

Isómeros A, B, C, D, E, F, G, H Epímero C’5 (~)

Lefebvre K 2009. Toxicon (10) 1-13

ASP: Modo de acción

El acido domoico (AD) tiene una afinidad alta a los receptores N-metil-D- aspartato del sistema nervioso central.

Causa un incremento de la concentración de Na⁺ y Ca₂^{+ y NA} intracelular, depolarizarión de las neuronas, reducción de la energía y eventualmente muerte celular

Sintomatología en humanos: Perdida de la memoria de corto plazo,

confusión, ataxia, diarrea y vómitos, con casos extremos de dificultad en respirar y coma que se desarrollan en 48 horas después del consumo de la toxina – (Prince Edwards, Canada )

Envenenamiento por Acido Domoico

?Que da origen a FICOTOX? Caso California

DATOS: Marine Biotoxin Monitoring Program / California Department of Public Health

Saxitoxina en moluscos

80mg/100g

FAN en la región relacionados a la producción de AD

EAD es uno de los dos síndromes tóxicos mas importantes del SCC asociados a microalgas

Los procesos oceanográficos de mesoescala (pplmente surgencias) ocasionan la acumulación de especies toxicas de Pseudo-nitzschia

El la parte sur de la CC también se

presentan procesos oceanográficos como meandros, filamentos, remolinos y áreas de surgencia intensa que pueden

ocasionar FAN nocivos

GEOHAB,2005; Busee et al., 2005. Harmful Algae 5: 91-101; Schnetzer et al. 2007. Harmful Algae 6: 372-387

ASP / Acido domoico

20 mg/gr

Gulland eta l Harmful Algal Blooms in the West Coast Region: History, Trends, Causes, and Impacts

Eventos recurrentes de muertes masivas de

mamíferos y aves marinas (intoxicación por AD).

Muerte masiva de pelicanos en diciembre del 2008-

enero 2009 probablemente fue por intoxicación por

AD

Antes del 2007 solo existían observaciones empíricas de la presencia de AD en la región.

2002: 63 lobos marino varados en la región

FANs (tóxicos) la región de la Bahía de Todos Santos

En el 2007

documentamos la

presencia de esta toxina en la regio

Garcia-Mendoza et al 2009. Harmful Algae 8:493

Todos Santos Bay

Pseudonitzschia spp Cel l^-1 (x 10³)

Acido domoico mg Lt¹

0.8

0.6

0.4

0.2

0

250

23-24 abril 2007

Condiciones hidrográficas (superficie)

Temperatura

C Salinidad (ups)

Surgencias en la parte norte. Temp. de 13.5 en

superficie en Bahía Salsipuedes

Nutrientes (superficie)

Especie responsable de la acumulación de AD

FISH: hibridación fluorescente in situ. Hibridación en Células Completas (HCC)

La misma especie que produce los FAN en la

región central y sur del CA,

Pseudonitzschia australis

Evento del 2007

?Cuantas especies productoras de AD existen en la region?

?Cual es la temporalidad y

magnitud de los FA productores de AD ?

?Cuál es el potencial toxico de las especies de Pseudonitzchia

presentes en la región

(crecimiento y producción de AD)?

Crecimiento de Pseudo-nitzschia australis y dinámica de producción de acido domoico bajo condiciones de cultivo

Tesis de doctorado: M.C Ivonne Santiago

Distribución espacial y temporal de diatomeas del género Pseudonitzschia spp y concentración de ácido domoico particulado en la región de la Bahía de Todos Santos, BC., México

Tesis de maestría: Biol. Guadalupe Cabrales

AD en viscera de sardina en 2008

Cabrales-Talavera G..M.C Thesis. Posgrado en Ecología Marina/CICESE.

Nov Mar Jul Nov Mar

0 20 40 60 80 100 120 140

AD mg gr-1 viscera

2008 2009

AD mg gr-1 viscera

2008 2009

Nov Mar Jul Nov Mar

0 5 10 15 20 25 30

In spring and summer we found a high number of positive

samples (<LOQ)

Justificación FICOTOX

-No existia un laboratorio que brinde servicios de cuantificación de ficotoxinas y metabolitos potencialmente nocivos

-No existia un programa de monitoreo de ficotoxinas.

- La investigación sobre ecotoxicologia asociada a los eventos FAN es mínima. No existe información sobre la acumulación,

transferencia depuración y efecto de las ficotoxinas en diferentes niveles tróficos y organismos vectores

No existia la capacidad de respuesta inmediata

(muestreo dirigido con resultados inmediatos) ante a un evento toxico

En la region,

El laboratorio tendrá la capacidad de generar información a diferentes escalas de tiempo y a diferentes niveles de complejidad, desarrolando:

Servicio Monitoreo Investigación

Las tres componentes del proyecto

(y generación de información asociada)

Cubrir una necesidad regional sobre la problemática asociada a los

florecimientos algales nocivos que tendrá impacto en diferentes sectores

poblacionales al generar información que puede ser utilizada por

tomadores de decisiones, tanto en el sector salud, ambiental y

productivo.

MONITOREO: LA OCEANOGRAFIA DE LOS FAN EN LA REGION

Los BTS

Tiempo (2008)

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct

Diatomeas Cel L-1

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Tiempo (2010)

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct

Dinofloagelados Cel L-1

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000

Grupos de fito en 2010

Tiempo (2008)

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct

Acido Domoico mg L-1 0 2 4 6 8 10

Tiempo (2008)

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct

"P. australis" (cel L-1 )

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

140000 10 m

Diatomeas toxicas

La abundancia mas alta se detecto en verano . Celulas tipo

“P. australis”.

Se detectaron altas

concentraciones de

pDA en el mismo

periodo

Variables ambientales asociadas a la presencia de Pseudo-nitszchias toxicas

Temp (o C)

Jun Jul Aug Sep

10 12 14 16 18 20

Tiempo (2008)

Jun Jul Aug Sep Oct

P. austral is (cel L

)

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

Temp. (oC)

10 12 14 16 18 20

4 m 8 m 12 m

Jul-2011

Jun-2011 Ago-2011 Sept-2011 Oct 2011

Variables ambientales asociadas a la presencia de Pseudo-nitszchias toxicas

Temp. superficial (isolineas) vs. Chla (color)

10 12 14 16 18 20 0

1 2 3

Temperature (ºC)

SiO3:NO

3 0.5 SiO3:NO

3 2.5

Maximal growth rates ( máx)

A

10 12 14 16 18 20

0 2 4 6 8

SiO3:NO

3 0.5 SiO3:NO

3 2.5

Temperature (ºC)

Duration of exponential phase (Day) _C

10 12 14 16 18 20

0 3x10⁴ 5x10⁴ 8x10⁴ 1x10⁵

E

cel mL-1

Temperature (ºC)

SiO₃:NO₃ 0.5 SiO₃:NO₃ 2.5

Pseudo-nitzschia australis strains isolated from the region

Santiago-Morales I. S. García-Mendoza E. Effect of temperature and

nutrient ratios on the growth and DA production of Pseudo-nitzschia australis in batch cultures. Harmful Algae 2011. doi:10.1016/j.hal.2011.09.004

!!Clorofila estimada por

floresscencia max= 10

ug/L

Chl a (mg l-1)

0 10 20 30 40

Fucoxantina (mg l-1)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5

Chl a (mg ml-1)

0 2 4 6 8 10

Fucoxanthin (ug ml-1) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Comunidad fitoplanctonica (componentes)

Diatomeas y dinoflagelados componentes importantes de la comunidad. Las diatomeas (fucoxantina) presentan una

contribución relativa mayor que otro grupo algal en la mayor parte de la zona de estudio ([chla] < 10 mg l

)

Chl a (mg l-1)

0 10 20 30 40 50

Peridinina (mg l-1 )

0 2 4 6 8 10 12

Chl a (mg ml-1)

0 2 4 6 8 10

Peridinin (ug ml-1)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Regional model: Baja California (BC)

Some general characteristics

• ROMS

• Baja California-centered domain

• ~1/30^o resolution

• 31 levels in the vertical

• Realistic daily wind stress (QuickScat)

• Climatological surface fluxes

• 3 open boundaries (N, S, W) Open boundary conditions

• Free surface, 3D momentum, tracers:

Radiation + nudging

• 2D momentum:

Flather

• Boundary data from 1/8˚ NCOM (Barron et al., 2006), monthly means

* No tides included

Todos Santos Bay (TSB) model

Some general characteristics

• ROMS

• ~300 m resolution

• 20 levels in the vertical

• Realistic daily wind (NARR)

• Surface fluxes calculated internally (near-surface meteorological data from NARR)

• 3 open boundaries (N, S, W)

Open boundary conditions

• Free surface, 3D momentum, tracers:

Radiation + nudging

• 2D momentum:

Flather

• Boundary data from BC model, daily means

* Tides included

Modelos de distribución de propiedades (y comportamiento de FANs)

?Que pasa en la bahia?

D. Rivas, Garcia-Mendoza, Almazan A. Lagrangian circulation in Todos Santos Bay during spring 2007.

Paths of the advected particles

- Some well defined particle paths, driven by mesoscale features

- Most of the particles entering the TSB come from the northwest, from depths ~50 m

Antes del 23 abril

Despues del 23 abril

Particle advections within the TSB

Se integró una red de monitoreo de gran

escala (Sur y centro de California) con cruce de información para una respuesta rápida ante un evento FAN:

Las preguntas a resolver:

¿Hay una propagación direccional

de los florecimientos tóxicos en la parte sur de la Corriente de California, norte a sur o viceversa? ó ¿Los FAN son eventos locales sin relación geográfica?

Si existe una tendencia: ¿Existe un patrón de aparición geográfica de los FAN mediante el cual se puedan establecer alertas tempranas ante la detección en un punto de la red de muestreo?

Conclusiones: preguntas y mas pregumntas

TEMA 1: Evaluar la transferencia de toxinas en la cadena trófica

Tasa de acumulación, depuración y efecto en diferentes niveles tróficos.

Preguntas:

¿Cuál es el la capacidad de acumulación del ácido domoico (AD) y tiempo de permanencia de esta toxina en organismos vectores para que origine un síndrome toxico? (pocos varamientos en la región)

¿Los niveles detectados de AD en sardinas en la región tienen potencial de intoxicación? (proyecto a aterrizar con productores)

Time (2010)

Jul Aug Sep Oct Nov

mg AD gr-1 viscera

0 200 400 600 800 1000

Sardines

Transferencia trofica: AD en sardinas y anchovetas

Altas concentraciones de AD en víscera de sardinas y

anchovetas. En musculo concentraciones menores (>5 mgDA gr^-1 tiejido).

Tiempo (2010)

Jul Aug Sep Oct Nov

Acido Domoico mL-1

0 2 4 6 8 10

Anchovy

Investigación

¿Cuál es la capacidad de acumulación y depuración de ficotoxinas en especies cultivadas y extraídas en la región? (in situ y en bioensayos)

p -- i0h i5h i12h i24h i36h i48h -- d2h d5h d10h d24h d48h d96h 0

20 40 60 80 100 120

398 g AD (93% heces) 428 g AD

P. australis

MEJILLON

ng AD g-1

heces tejido p: previo i: incorporación d: depuración h:hora

TEMA 2: Mecanismos de incorporación y depuración de ficotoxinas (AD) en diferentes modelos animales

Evaluación de la absorción de ácido domoico en atún aleta azul (Thunnus orientalis) mediante la técnica del saco intestinal invertido.

Santiago-Morales I. S., Martínez-Montaño E., Peña-Marin E., García-Mendoza E. y Viana M.T.

?ATUN?

TEMA 3: Fisiología de las especies productoras de ficotoxinas (ácido domoico)

10 12 14 16 18 20

0 1 2 3

Temperature (ºC)

SiO3:NO

3 0.5 SiO₃:NO₃ 2.5

Maximal growth rates ( máx)

A

10 12 14 16 18 20

0 2 4 6 8

SiO3:NO

3 0.5 SiO₃:NO₃ 2.5

Temperature (ºC)

Duration of exponential phase (Day) _C

10 12 14 16 18 20

0 3x10⁴ 5x10⁴ 8x10⁴ 1x10⁵

E

cel mL-1

Temperature (ºC)

SiO₃:NO₃ 0.5 SiO₃:NO₃ 2.5

Pseudonitzschia australis

Santiago-Morales I. S. García-Mendoza E. Effect of temperature and

nutrient ratios on the growth and DA production of Pseudo-nitzschia australis in batch cultures.

TEMA 3: Fisiología de las especies productoras de ficotoxinas (ácido domoico)

Pseudonitzschia australis

0 3 6 9 12 15 18 21

0 1 2 3 4

pg pAD cel-1

Time (day)

Ratio 0.5 HL LL

0 3 6 9 12 15 18 21

0 10 20 30 40 50 60 70 80

pg dAD cel-1

Time (day)

Ratio 0.5 HL LL

Extracelular

Implicaciones

Ecológicas:

Heisler et al 2008. Eutrophication and harmful algal blooms: A scientific consensus. Harmful algae, 8:3-13

Diaz et al., 2008. Spreading Dead Zones and Consequences for marine Ecosystems. Science 321,926

Sekula et al 2009 Nature Geosciences few studies have examined the

persistence or long-term biogeochemical cycling of domoic acid in marine waters

Proyectos asociados

Las campañas BTS

BTS-3 … BTS0  BTS1…. .BTS6  BTS7….BTS18

Enero 2010…DiC 2012 ???

Julio Candela La Corriente

Subsuperficial De

California Fuera De Las Costas De Ensenada Y Su Influencia En La

Hidrografía De La Bahía De Todos Santos

Paula Perez B/ Fco.

Delgadillo

Factores físicos que influyen en la aparición de

florecimientos algales nocivos en la Bahía de Todos Santos, Baja California

Ernesto Garcia

El plancton marino en la Bahía de Todos Santos en muestras obtenidas en las temporadas de verano, otoño e invierno del 2006, con énfasis en la

identificación y cuantificación de la

abundancia de especies fitoplanctonicas

Julio 2006…… Abril 2007

FICOTOX : Colaboradores Dr. José Bustillos Guzmán. CIBNOR

Dr. David Caron. University of Southern California

Dr. Vera Trainer. Marine Biotoxin Group/ Northwest Fisheries Science Center/NOAA Dr. Jose Luis Peña Manjarrez. CetMar/DGCyTM

Dra. Sharon Herzka/CICESE (peces costeros, sardina)

Dr. Jorge Cáceres/ CICESE (fisiología de moluscos, bioensayos)

Dr. David Rivas / College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Oregon State University

Agradecimientos:

LORAX consultores Usuarios y beneficiarios

Dirección General CICESE y en especial Elena Enríquez y equipo secretarial

Secretaria del Pesca y Acultura de B.C.

Secretaria de Turismo de B.C

Secretaria de Protección al Ambiente de B.C, Secretaria de Salud de B.C (ISESALUD)

Dirección General de Educación en Ciencia y Tecnología del Mar

TEMA 4: Implementación y validación de metodologías alternas de detección y cuantificación de ficotoxinas

Bioensayo ratón

vs.

- ELISA

- Inmunodetección de flujo lateral (Jellet

)

PSP > 80 mgSTXeq 100g^-1 Acido Domoico > 10 ppm

SERVICIOS 2010-2011

ASP • Cuantificacion de AD por HPLC-UV – Metodo alternativo: JRT

PSP • Determinacion de STX eq por MBA – Metodo alternativo: HPLC-PCOX

DSP • Deteccion de toxinas lipofilicas por MBA – Metodo alternativo: Okatest

Fito

• Monitoreo de fitoplancton (identificacion y determinacion de abundancia de especies)

Taller

• Taller: “Florecimientos Algales Nocivos: Reconocimiento de especies

de microalgas con potencial toxico y cuantificacion de ficotoxinas”