Lemna trisulca as a species limiting harmfulness and toxicity of cyanobacterial blooms

Przeciwdziałanie eutrofizacji jest uznawane za jedno z największych globalnych wyzwań. Wzrost żyzności wód prowadzi do promocji rozwoju roślin i samożywnych organizmów w zbiornikach wodnych. W jeziorach głównym objawem eutrofizacji jest okresowe pojawienie się zakwitów sinicowych. Oprócz zwiększonego stężenia składników odżywczych w wodzie powstanie zakwitu może być promowane przez wysoką temperaturę, bezwietrzną pogodę czy słabe mieszanie się wód. Wśród wielu gatunków sinic można wyróżnić gatunki toksyczne i nietoksyczne. Ze względu na szkodliwe działanie na ludzi i zwierzęta największym problem są zakwity powodowane przez gatunki posiadające zdolność do syntezy toksyn. Rozwój tych cyjanobakterii obserwowany jest zarówno w zbiornikach słonowodnych jak i słodkowodnych. Obecnie znanych jest wiele fizykochemicznych metod usuwania komórek sinicowych oraz ich toksyn z wody pitnej jednak nie mogą być one powszechnie wykorzystane. Alternatywną metodą oczyszczania wody jest fitoremediacja.Celem pracy było sprawdzenie biotechnologicznego wykorzystanie makrofitu Lemna trisulca do ograniczenia wzrostu sinic oraz redukcji ilości toksyn znajdujących się w wodzie. W tym celu przygotowano kultury trzech słodkowodnych gatunków sinic: Dolichospermum flos-aquae, Raphidiopsis raciborskii i Microcystis aeruginosa. W kolejnej części eksperymentu do poszczególnych hodowli sinic wprowadzono makrofit L. trisulca. W ustalonych odstępach czasu z kultur pobierano próbki i przeprowadzono pomiary przyrostu biomasy, zawartości barwników fotosyntetycznych, zmian pH i przewodności pożywki oraz ilości toksyn sinicowych zawartych w komórkach sinic, rośliny oraz pożywce hodowlanej.Uzyskane wyniki wskazują na potencjalną możliwość wykorzystania L. trisulca do fitoremediacji wody, dzięki ograniczeniu wzrostu sinic oraz ilości produkowanych przez nie toksyn. W obecności rośliny, w czasie 14 dni przyrost biomasy D. flos-aquae oraz M. aeruginosa jest ograniczony odpowiednio o 22% i 46% w porównaniu z wartością wyjściową, a w przypadku R. raciborskii przyrost biomasy wyniósł 192% w porównaniu do 577% w hodowli bez makrofitu. Obecność rośliny wpływa również na zmniejszoną alkalizację pożywki średnio o 1,2 jednostki w czasie 14 dni trwania eksperymentu. Dodatkowo obecność L. trisulca redukuje produkcję toksyn sinicowych, które w jej obecności są 2,63; 2,05 i 4,10 razy mniejsza dla odpowiednio ANTX-a, CYN i MC-LR produkowanych podczas nieobecności rośliny. Wykazano również, że makrofit zdolny jest do akumulacji ANTX-a i CYN wewnątrz swoich komórek co bezpośrednio wpływa na zmniejszenie ich ilości w pożywce hodowlanej. Obserwowano również wpływ rośliny na pobór jonów zawartych w medium. Zwiększona absorpcja jonów kluczowych dla rozwoju sinic – potasu i azotu – przyczynia się do ograniczenia wzrostu cyjanobakterii.Uzyskane wyniki wskazują na potencjalną możliwość biotechnologicznego wykorzystania L. trisulca do ograniczenia rozwoju i toksyczności zakwitów sinicowych obserwowanych w naturze.

Counteracting eutrophication is considered to be currently one of the biggest global challenges. Increasing water fertility leads to the stimulation of the development of plants and autotrophic organisms in water bodies. In lakes, the main indication of eutrophication is the periodic appearance of cyanobacterial blooms. The formation of agal blooms can be caused by increased concentration of nutrients in the water along with high temperature, windless weather and poor mixing of water. Many species of cyanobacteria exist and due to the harmful effects on humans and animals, the biggest problem are blooms caused by species with the ability to synthesize cyanotoxins. The development of these cyanobacteria is observed in both saltwater and freshwater reservoirs. Many physicochemical methods of removing cyanobacterial cells and their toxins from drinking water are currently known, but they cannot be widely used. An alternative method of water purification is phytoremediation.The aim of the work was to test the biotechnological use of the macrophyte Lemna trisulca to limit the growth of cyanobacteria and reduce the amount of toxins found in the water. For this purpose, the cultures of three freshwater cyanobacterium species were prepared: Dolichospermum flos-aquae, Raphidiopsis raciborskii and Microcystis aeruginosa. The macrophyte L. trisulca was introduced into individual cyanobacteria cultures and at established intervals, samples were taken from the cultures. Measurements of biomass growth, photosynthetic dye content, changes in the pH and conductivity of the medium, and the amount of cyanotoxins contained in cyanobacterial cells, plants and culture medium were made.The results indicated the potential of L. trisulca to be used for water phytoremediation by reducing the growth of cyanobacteria and the amount of toxins they produce. In the presence of the macrophyte, the biomass growth of D. flos-aquae and M. aeruginosa was limited to 22% and 46%, respectively. In the case of R. raciborskii the biomass growth was 192% compared to 577% in cultures without L. trisulca. The presence of the macrophyte also affected the reduced alkalinization of the medium by an average of 1.2 units during the 14 days of the experiment. In addition, the presence of L. trisulca reduced the production of cyanotoxins, which were 2.63, 2.05 and 4.10 times smaller for ANTX-a, CYN and MC-LR, respectively. The macrophyte was also shown to accumulate ANTX-a and CYN inside its cells, which directly reduced the amount in the culture medium. The effect of the plant on the consumption of ions contained in the medium was also observed. Increased absorption of potassium and nitrogen ions crucial for the development of cyanobacteria contributed to the reduction of cyanobacterial growth.The results indicated the potential for the biotechnological use of L. trisulca to reduce the development and toxicity of cyanobacterial blooms observed in nature.