The use of Lemna trisulca macrophyte to reduce the harmfulness and toxicity of multi species cyanobacterial blooms

The progressive eutrophication of the aquatic environment significantly contributes to the increase in frequency of appearance and intensity of cyanobacterial blooms. Cyanobacterial blooms cannot only generate economic loss through decreases in tourism, but can also be detrimental to human and animal health due to toxic secondary metabolites. Currently known physicochemical methods allow the removal of cyanobacteria and cyanotoxins from drinking water. However, they require infrastructure and cannot be used everywhere due to monetary limitations. An alternative way to counteract the development of cyanobacteria and the increasing amount of toxins in the environment is phytoremediation. The main objective of the study was to test the biotech-based use of the macrophyte Lemna trisulca to reduce toxic cyanobacterial blooms. For this purpose, a series of co-cultures of toxic cyanobacterial species commonly found in the environment were prepared: Raphidiopsis raciborskii, Dolichospermum flos-aquae and Microcystis aeruginosa, into which L. trisulca was subsequently introduced. In the presence and absence of L. trisulca, measurements were made at specified time intervals to examine toxin content in cyanobacteria, L. trisulca (if present) and culture medium. Other parameters monitored were changes in biomass, photosynthetic dye concentration and variations in pH and conductivity of culture medium. Based on the obtained results, it was concluded that the addition of the macrophyte L. trisulca to cyanobacterial co-cultures of D. flos-aquae, R. raciborskii and M. aeruginosa reduced the growth of microorganisms in the range from 69% to 80% compared to control and stabilized the pH of the aquatic environment which, in the absence of L. trisulca, was alkalized from pH 8.3 to pH 9.3. In addition, L. trisulca contributed to a significant reduction in the amount of cylindorspermopsin (CYN) by approximately 59% and anatoxin-a (ANTX-a) by approximately 40% which is additionally absorbed and degraded in the macrophyte. In the presence of L. trisulca, microcystin LR (MC-LR) was released from cyanobacterial cells into the medium, but no degradation was observed. All results indicate that the macrophytes used in these experiments may be utilized, with caution, in natural conditions to reduce and eliminate harmful and advanced cyanobacterial blooms.

Postępująca eutrofizacja środowiska wodnego znacząco przyczynia się do wzrostu częstotliwości pojawiania się oraz intensywności zakwitów sinicowych. Zakwity sinicowe mogą generować nie tylko straty gospodarcze poprzez spadki dochodów z turystyki, lecz również mogą być niebezpieczne dla zdrowia i życia ludzi oraz zwierząt ze względu na produkowane toksyczne metabolity wtórne. Aktualnie znane są fizykochemiczne metody pozwalające na usunięcie komórek sinicowych i ich toksyn z wody pitnej, jednak wymagają one infrastruktury i nie mogą być wykorzystane w każdym miejscu. Jednym z alternatywnych sposobów przeciwdziałających rozwojowi sinic oraz zwiększającej się ilość toksyn w środowisku jest fitoremediacja. Główny celem pracy było sprawdzenie możliwości biotechnologicznego wykorzystania makrofitu Lemna trisulca do ograniczania toksycznych zakwitów sinic. W tym celu przygotowano serie kokultur toksycznych gatunków sinic: Raphidiopsis raciborskii, Dolichospermum flos-aquae i Microcystis aeruginosa powszechnie występujących w środowisku, do których następnie wprowadzono makrofit L. trisulca. W określonych odstępach czasu przeprowadzono pomiary zmian biomasy, zawartości barwników fotosyntetycznych, zmian pH i przewodności pożywki hodowlanej oraz zawartości toksyn w komórkach cyjanobakterii, makrofitu i pożywkach w dwóch wariantach kokultur sinic: z makrofitem L. trisulca oraz w jego nieobecności. Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że dodanie makrofitu L. trisulca do kokultur sinic D. flos-aquae, R. raciborskii i M. aeruginosa ogranicza wzrost mikroorganizmów od 69% do 80% w porównaniu kontrolą, stabilizuje pH środowiska wodnego, które w przypadku braku makrofitu ulega alkalizacji od 8,3 do 9,3 jednostek pH. Ponadto makrofit przyczynia się do znacznego ograniczenia ilości cylindorspermopsyny (CYN) o około 59% oraz anatoksyny-a (ANTX-a) o około 40%, która dodatkowo jest absorbowana i degradowana w makroficie. W obecności rośliny mikrocystyna LR (MC-LR) ulega uwolnieniu z komórek sinic do pożywki, jednak nie zaobserwowano jej degradacji. Wszystkie uzyskane wyniki wskazują, że wykorzystany w doświadczeniach makrofit może być wykorzystany, z zachowaniem środków ostrożności, w warunkach naturalnych do ograniczania i eliminacji szkodliwości zaawansowanych zakwitów sinicowych, składających się z mieszaniny kilku powszechnie występujących gatunków sinic.