W obliczu trwającej na Odrze katastrofy ekologicznej w przestrzeni publicznej pojawia się wiele pytań, niedopowiedzeń oraz wątpliwości odnoszących się do metod analitycznych, jakimi poddawano próbki skażonej wody. Nie mniej kontrowersji wiąże się także z zaobserwowaniem w niej gatunków wywołujących toksyczne zakwity. Kwestię metod analizy próbek oraz skutków i konsekwencji pojawienia się niebezpiecznych mikroorganizmów komentuje dr Paweł Jedynak z Wydziału Biologii UJ.

Zrozumienie przyczyn zatrucia wód jest jak rozwiązywanie zagadki detektywistycznej – wymaga drobiazgowego zabezpieczenia i zanalizowania próbek z miejsca zdarzenia. Nasze podejrzenia co do natury skażenia rzutują na wybór odpowiednich technik, pozwalających na wykrywanie określonych trucizn. W pierwszej kolejności możemy zadać pytanie o zawartość toksycznych soli metali ciężkich - rtęci, kadmu czy miedzi. Tu przyda się spektrometr absorpcji atomowej – urządzenie rozpyla próbkę w obrębie palnika acetylenowego, którego płomień osiąga temperaturę 2700˚C. Ułatwia to jonizację atomów metali, wydajnie pochłaniających w tej formie światło lampy katodowej. Każdy pierwiastek ma inne preferencje względem różnych barw (długości fali) światła, zatem widmo absorbcji danego pierwiastka jest charakterystyczne niczym odcisk palca. Innym sposobem oznaczania metali jest atomowa spektroskopia emisyjna – obserwowanie tego, jakie światło emitują rozgrzane w płomieniu pojedyncze atomy metali. Znakomicie ilustruje to wrzucenie szczypty soli do płomienia palnika gazowego – na krótką chwilę zawarte w niej atomy sodu zostają wzbudzone w wysokiej temperaturze, a wracając do stanu podstawowego wywołują emisję żółtego światła widowiskowo barwiącego płomień. Detektor światła rejestruje „odcisk palca”, co po porównaniu z wzorcami pozwala na identyfikację pierwiastków rozpuszczonych w wodzie – w tym tych potencjalnie toksycznych. Jeśli ich nie znajdziemy, trzeba wówczas przerzucić się na analizę chromatograficzną, pozwalającą wykrywać także zanieczyszczenia organiczne. Czasami wystarczy wysokosprawna chromatografia cieczowa i porównanie sygnałów wyizolowanych substancji z wzorcami – np. popularnych pestycydów czy herbicydów, lub produktów ich rozpadu. Gdy mamy do czynienia z kompletnie nieznaną substancją sięga się wówczas po chromatografię gazową sprzężoną ze spektrometrią mas – wyizolowane z wody substancje są kolejno jonizowane i rozpadają się na fragmenty o różnych masach – taki układ fragmentów tworzy dla każdego związku kolejny „odcisk palca”. Technika ta, podobnie jak i prawdziwa analiza daktyloskopijna, wymaga jednak sporej bazy danych pozwalających na porównywanie i identyfikację podejrzanego. Dostęp do takich baz bywa cenniejszy niż samo drogie urządzenie analityczne. Jest to szczególnie ważne w przypadku niestandardowych zanieczyszczeń – np. toksynami produkowanymi przez nietypowe gatunki sinic, bakterii czy glonów.

Podejrzenie o występowaniu toksycznego zakwitu można weryfikować badając np. natlenienie wody, zawartości materii organicznej lub obecności DNA charakterystycznego dla danego gatunku. W tym ostatnim przypadku przydaje się technika PCR pozwalająca wprost w badanej wodzie na namnożenie kluczowych dla funkcjonowania komórek kwasów nukleinowych, a następnie albo sekwencjonowanie (poznanie sekwencji) DNA i porównywanie charakterystycznych dla danego gatunku różnic w bazie danych, albo naniesienie ich na płytkę, w której te fragmenty mogą łączyć się z sondami DNA o określonej sekwencji – zgodność oznacza obecność danego mikroorganizmu w wodzie.   

Ze względu na ogromną różnorodność mikroorganizmów wodnych ta ostatnia metoda jest żmudna, ale wyjątkowo ważna. Wiele glonów i sinic bywa zupełnie nieszkodliwa, choć ich zakwit może być tak obfity, że zaczynają one obumierać i gnijąc pozbawiają wodę tlenu, wybijając wszystkie ryby. Wody stojące łatwo zakwitają – końcem sierpnia zieloną toń zobaczymy nie tylko w niewielkich jeziorach, ale nawet w zaniedbanych basenach czy fontannach przyozdabiających miejskie ryneczki. Gorzej, jeśli mikroorganizmy te produkują toksyny – wtedy nawet niewielki zakwit, nawet ledwie dostrzegalny gołym okiem, może być poważnym zagrożeniem. Niekiedy stać się może wręcz plagą egipską – dosłownie, gdyż właśnie zakwit czerwonych alg jest naukowym wyjaśnieniem tego, dlaczego „wszystka woda w Nilu zamieniła się w krew. Ryby rzeki wyginęły i Nil zaczął wydawać przykrą woń”. Powstała katastrofa ekologiczna pociągnęła za sobą kolejne fazy, w postaci namnożenia się żerujących na rybich truchłach much i żywiących się nimi żab. Zakwity takie mogą być gigantyczne i rozciągać się na długości nawet sześciuset kilometrów, czego przykładem są te w australijskim systemie rzecznym Murray-Darling. Jednocześnie jeden zakwit może sprzyjać kolejnym – wybicie ryb i skorupiaków oznacza rozchwianie ogniw łańcucha pokarmowego (brak np. brak planktonożerców) oraz uwolnienie z martwych zwierząt związków azotu i fosforu których stężenia z jednej strony mogą być toksyczne dla organizmów wodnych, lecz z czasem i rozcieńczaniem się działając jak nawóz, sprzyjają ponownemu zakwitowi w kolejnym sezonie. Same glony także masowo mogą obumierać w takich warunkach. Taka cyrkulacja biogenów sprawia, że zbiorniki naturalne bardzo powoli powracają do pierwotnego stanu (często nawet 13 lat). Ich podatność na zakwity często wynika z niekorzystnego wpływu człowieka, w tym dostarczania biogenów ze ścieków czy spływu wód opadowych z terenów rolniczych. Odcięcie dopływu biogenów lub usuwanie ich z wody jest wskazywane jako jedna z podstawowych metod rekultywacji zagrożonych obszarów. Gdy w latach sześćdziesiątych XX wieku zaprzestano wprowadzać ścieki ze Seattle do jeziora Washington odnotowano spadek liczby zakwitów i wzrost przejrzystości wody. Gnicie materii organicznej prowadzi do pogorszenia mechanizmów samooczyszczania się wody – gnijąca materia zabiera tlen konieczny do takiego procesu, wody takie są zatem bardziej podatne na inne zatrucia np. incydentalne wydostanie się ścieków. Nadmiar materii organicznej jest znakomitą pożywką dla bakterii, co nawet po zniknięciu glonów powoduje nieprzyjemny zapach i stanowi potencjalne ryzyko dla zdrowia człowieka. Część z tych bakterii może uwalniać amoniak lub siarkowodór, również trujących dla ryb i innych organizmów wodnych, nasilając negatywne skutki zakwitu. Same toksyny sinic i glonów są osobnym problemem, gdyż niektóre ich rodzaje uszkadzają układ nerwowy (takie neurotoksyny są szczególnie groźne dla ryb, bo mogą je błyskawicznie sparaliżować i skazać na powolne duszenie się), powodując zawroty głowy, niedowłady a nawet symptomy choroby Parkinsona. Inne działają niszcząco na wątrobę, zatem picie niedostatecznie uzdatnionej (a takie rzadkie toksyny bywają trudne do usunięcia konwencjonalnymi metodami oczyszczania) wody może prowadzić do przewlekłego stanu zatrucia i uszkodzenia wątroby – wbrew powiedzeniu, że to cię nie zabije, to cię wzmocni. Nie wzmocni, a wręcz osłabi twój organizm, zmuszając nawet do przeszczepu. Nawet nieszkodliwe substancje produkowane przez glony lub sinice (np. geosmina) ze względu na nieprzyjemny zapach obniżają walory rekreacyjne wód.

Dr Paweł Jedynak

Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin
Wydział Biologii UJ

Grafika na górze: Prymnesium parvum, jeden z niepożądanych gatunków wywołujących toksyczne zakwity (Julia Dölger, Lasse Tor Nielsen, Thomas Kiørboe, Anders Andersen, źródło)

Grafika w tekście: Hanno Böck