Bodil Hernroth Professor i biomedicin Högskolan Kristianstad och KVA- Sven Lovén Center för marina vetenskaper- Kristineberg, Fiskebäckskil

Transkript

1 Kan klimatförändringarna påverka smitta via havsvatten? Bodil Hernroth Professor i biomedicin Högskolan Kristianstad och KVA- Sven Lovén Center för marina vetenskaper- Kristineberg, Fiskebäckskil

2 Klimatförändring: Temperaturökning Ökad nederbörd Kustvattnet utsötat Ökad stratifiering och sämre omblandning Kustvattnet brunifierat Kemiska förändringar i havet The 4 th assessment report of the IPCC, 2007

3 Koldioxid reagerar med vatten och gör havet surare (löser sig bättre i kallt vatten än i varmt) CO 2 När koldioxid reagerar med vatten bildas kolsyra: CO 2 + H 2 O H 2 O 3 HCO H + 2H + + CO 3 2- CO Ca 2 + CaCO 3 Kolsyran sänker vattnets ph och ökar lösligheten för kalciumkarbonat.

4 Brist på kalciumkarbonat Drabbar ff.a. skalbyggande organismers överlevnad, tillväxt, skalbildning och reproduktion (Meta-analys: Kroeker et al., Ecol. Lett., 2010) Arthropoda: Svårlösligt calcit Bild: R. Kautsky/Azote Foto: N. Wijkmark/Azote Mollusca: Mer lättlösligt aragonit Echinodermata: Lättlösliga, porösa magnesium-rika karbonater Foto: L. Lokrantz/Azote

5 Vissa av de hot mot Östersjön som vi tidigare upplevt kan förstärkas av klimatförändringen: Ökad biomassa av alger missgynnar syresituationen på bottnarna. Foto: R. Kautsky/Azote

6 Förstärks dessutom i kombination med överfiske av större fiskar som ger ökat utrymme för små fiskar som i sin tur äter djurplankton. Betningstrycket på växtplankton minskar. Större biomassa bryts ner på bottnarna och orsakar syrebrist

7 Stora arealer bottensedimenten drabbas temporärt av syrebrist med frisättning av mangan som följd. Mangan är en essentiell metall som används i flera enzymsystem men vid hög koncentration är mangan ett känt nervgift. Vi har tidigare på olika sätt studerat dess effekt på havskräftans, blåmusslans och sjöstjärnans immunsystem. Foto: sjohistoriska.se

8 MnO 2 finns normalt bundet i bottensediment men reduceras och frisätts vid syremättnad < 16%. Kan öka tusenfalt i koncentration. Foto: Susanne Baden

9 Studierna av immunförsvaret inriktas på hemocyter/coelomocyter som är huvudaktörerna i evertebraternas immunförsvar: Flera miljoner blodceller per ml blod, nybildas hela tiden Vandrar till skadad vävnad och förhindrar blodförlust, Fagocyterar (slukar) skadliga mikroorganismer, Frisätter antimikrobiella ämnen (fenoloxidas, antimikrobiella peptider, etc.), Signalerar till andra blodceller så att de aktiveras.

10 Kräftornas hemocyter degranulerar och aktiverar prophenoloxidas i en kaskad av reaktioner som slutar med melanisering

11 Immuntoxikologisk modell för att undersöka sub-letala effekter Hematopoietiska stamceller Mobilisering av hemocyter/ coelomocyter Celldelning och apoptos Mognad till immunaktiva celler Aktivering av hemocyter/ coelomocyter + stressmarkörer i vävnaderna Degranulering Aktivering av propo-systemet Fagocytos Antimikrobiella peptider Signalsubstanser

12 Mangan immuntoxisk för kräftor Kräftor exponerades för 20 mg Mn l -1 i 10 dagar Antal hemocyter: 60% Apoptos: 15 % Hematopoietiska stamceller: Ingen ökad celldelning trots reducerat antal hemocyter Utmognad: 40 % Immunresponsen hämmades! Degranulering: 80 % ProPO-AS: Blockerad Hernroth et al. Aqua Tox., 2004; Oweson et al. Aqua Tox., 2006

13 A. rubens 5 PC C CFU*10 5 per g tissue PC Mn 8h 24h 48h Mangan påverkade inte elimineringen av Vibrio parahaemolyticus från levervävnaden i A. rubens. M. edulis CFU* 10 4 per g tissue HP C HP Mn 8h 24h 48h Men i M. edulis påverkades elimineringen.. och ännu mer så i N. norvegicus CFU*10 4 per g tissue N. norvegicus HP C HP Mn 8h 24h 48h Ju mer Mn som ackumulerades i djurens vävnad desto mer reducerades antalet blodceller och elimineringen av Vibrio blev sämre. Oweson and Hernroth, Fish & Shellfish Immunology, 2009

14 Vi efterhärmar det scenario som IPCC förväntar att klimatförändringen skall leda till i slutet av detta århundrade, dvs Δ-0,4 ph-enheter På SLC-Kristineberg förvaras djuren i rinnande havsvatten i flera månader. Hälften av djuren utsätts för lägre ph genom kontinuerlig bubbling med CO2 och vattnets temperatur regleras.

15 Exempel på våra studier: Påverkas sjöstjärnans immunförsvar av försurningen? Exponering av försurat havsvatten i sex månader.

16 Påverkas antalet blodceller? 12,00 10,00 TCC *10 6 per ml 8,00 6,00 4,00 Antalet coelomocyter minskade med ca 50% efter 6 månader i försurat havsvatten. 2,00 0,00 Cont OA Cont = Kontroll (ph 8.1) OA = Försurat havsvatten (ph 7.7) Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

17 Påverkas deras förmåga att fagocytera? Blodceller fagocyterar (slukar) mikrober för att döda dem. Denna förmåga försämrades efter 6 månader i försurat havsvatten Phagocytic units * Control OA Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

18 Påverkas aktiveringen av försvaret? 12 MAPKp38 pg per mg protein Control OA Efter 6 månader i försurat havsvatten försämras förmågan att skicka ut signaler som aktiverar immunförsvaret. Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

19 ph i blodet sjunker då de utsätts för försurat havsvatten 7,5 7,45 ph units 7,4 7,35 7,3 7,25 7,2 Control OA Det är energikrävande att försöka hålla den interna ph-balansen: Många cellulära processer kan påverkas! Hernroth et al. Aqua Tox., 2011

20 Vi har gjort liknande studier på havskräftans stress & immun-respons. Resultaten visar att kräftan påverkas efter 4 månaders exponering ungefär på samma sätt som sjöstjärnan. Hernroth et al., Fish & Shellfish Immunol., 2012

21 Musslorna A 7.6 a påverkas också negativt: ab ab 7.5 De växer sämre, deras ph units of hemolymph b 7.4 skalstruktur försämras, de har 7.3 svårare att bryta ner Vibrio tubiashii. I det B 1.5försurade Shell length growth (mm) 7.2 Cont4d OA4d Cont4m OA4m havsvattnet tenderar 1 dessa bakteriers proteolytiska 0.5 och hemolytiska aktivitet att 0 öka vilket indikerar att de Cont OA blir mer virulenta. C D Cont OA Asplund et al. Env Microbiol., 2013

22 Kombinationseffekter Vi har nu börjat undersöka om klimatförändringen leder till the tipping point för organismer som utsätts för temporär syrebrist.

23 Pågående studier: Kombinationseffekter? Vi undersöker om immunförsvaret försämras mer efter att djuren har exponerats för försurat havsvatten under en längre tid och sedan också utsätts för kortare exponering av Mn eller hypoxi. Blir det synergistiska effekter?

24 Vad kan konsekvenserna bli om djuren blir immunsuppressiva då de utsätts för miljöförändringarna?

25 Skaldjur som äter genom att filtrera vatten exponeras ofta för patogena mikroorganismer. Tidigare studier har visat att bakterier och virus kan uppehålla sig i musslor under lång tid och vid gynnsam temperatur kan vissa bakterier t.o.m. föröka sig i musslor. Hernroth et al., Appl Environ Microbiol, 2002; Hernroth, F & S Immunology, 2003; Hernroth and Allard, J. Food Microbiol, 2007; Hernroth et al. FEMS Microbiol Ecol., 2010

26 Viktigt att de vinner kriget mot bakterier och virus: Påverkar deras överlevnad och vår tillgång till mat Påverkar risken för smitta i näringsväven och kan göra oss sjuka då vi konsumerar dem.

27 Smittor i Skånska vatten ett framtida hot? Ann-Sofi Rehnstam-Holm Professor i mikrobiologi Högskolan Kristianstad

28 Vilka typer av bakterier finns som kan orsaka problem? Naturligt vattenlevande bakterier som kan infektera människor Mänskliga bakterier som överlever ute i miljön och som dessutom kan sprida antibiotikaresistensgener

29 Naturligt förekommande bakterier i vatten exemplet Vibrio

30 Vibrio Bakterier som är släkt med våra tarmbakterier Viktigar nedbrytare i akvatiska system. Har en stor palett av nedbrytade enzymer De flesta växer bäst mellan C Olika saltkrav, från sött till salt Kan orsaka sjukdom, leva i symbios eller helt fritt i vattenmassan

31 V. cholerae Växer bäst i sött och bräckt vatten Både koleratoxin- och non-koleratoxinvarianter finns V. cholerae vanliga i våra vatten Bara koleratoxinvarianter orskar sjukdomen kolera! Non- koleravarianten kan orsaka badsårsfeber, blodförgiftning, ytteröroninfektioner, ögoninfektioner, magsjuka fall per år, vanligare varma somrar

32 Exempel på andra vibrioarter som kan infektera människor V. vulnificus: Sårinfektioner med blodförgiftning, allvarliga infektioner efter att man ätit skaldjur hög dödlighet (50%!) för de som är känsliga (personer med leverproblem eller diabetes) V.parahaemolyticus: Ungefär 1-2% av isolaten orsakar magsjuka

33 Vibrio gynnas av algblomningar!

34 Mesokosmexperiment Indien Rehnstam-Holm A-S, Godhe A, Härnström K, Saravanan V, Collin, B, Karunasagar I., Karunasagar I. (2010). Association between phytoplankton and Vibrio spp. along the south west coast of India: A mesocosm experiment. Aquatic Microbial Ecology. 58: Asplund ME, Rehnstam-Holm A-S., Vidjay, A., Raghunath PR, Saravanan V, Härnström K, Collin B, Karunasagar I, Godhe A. (2011). Water column dynamics of Vibrio in relation to phytoplankton community composition and environmental conditions in a tropical coastal area. Environ. Microbiol. 13(10): Rehnstam-Holm, A.-S., Atnur, V., Godhe, A. (2014). Defining the niche of Vibrio parahaemolyticus in coastal Arabian Sea. Microb. Ecol. 67(1): 57-65, doi: /s

35 Men Vibrio gynnas kanske inte av alla alger? Chaetoseros simplex Coscinodiscus consinnus Mesocosmdata

36

37 Vibrioinfektioner i södra delen av Östersjön

38 Vibrio i musslor från Skåne Rehnstam-Holm, A-S, Collin, B. (2009). Vibrio-arter i sydsvenska vatten orsakade badsårsfeber. Läkartidningen, 106: Collin, B, Rehnstam-Holm, A-S. (2011). Occurrence and potential pathogenesis of Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus and Vibrio vulnificus on the South Coast of Sweden. FEMS Microbiology Ecology. 06/2011; 78(2):

39 Vad gör att vissa Vibrio infekterar människor? Vi hittar inga specifika skillnader i virulensgener mellan marina och kliniska isolat! Collin, B., Rehnstam-Holm, A.-S., Ehn Börjesson, S.-M., Mussagy, A., and Hernroth, B. (2012). Characteristics of potentially pathogenic vibrios from sub-tropical Mozambique compared to isolates from tropical India and boreal Sweden FEMS Microbial Ecology. 12 Sept 2012, doi: /j x

40 V. cholerae överlevnad i vatten och sediment Vatten. Klinisk och marin stam Sediment. Klinisk stam Kliniska stammen klarar temperaturskift mycket bättre!

41 JA! Kommer problem relaterade till Vibrio att öka i framtiden? Ökad vattentemperatur, mer avrinning från land (minskad salthalt) och fler algblomingar är alla faktorer som gynnar tillväxt av Vibrio

42 Antibiotikaresistens! Hos både människor och djur Orsak överkonsumtion, felbehandling, bakteriers snabba evolution Friska turister och importerade livsmedel flyttar antibiotikaresistenta bakterier mellan länder!

43 Bakterierna är resistenta, inte vi!

44 Viktigt att komma ihåg: Resistens finns naturligt hos de bakterier som gör antibiotika, som ett skydd mot de egna gifterna Survival of the fittest! Den som är bäst anpassad har störst chans att föröka sig, dvs om det finns antibiotika i miljön har bakterier som kan klara antibiotika de bästa möjligheterna att föröka sig!

45 Antibiotika OCH antibiotikaresistenta bakterier hamnar också i miljön där de kan tas upp av vilda djur eller växter

46 ESBL Står för Extended Spectrum Betalactamase betyder att bakterierna är resistenta mot de flesta penicilliner men även andra typer av vanliga antibiotika Ny variant som dykt upp är ESBL som är ytterligare resistenta vilket gör att bara få dyra och farliga antibiotika kan användas

47 Antibiotikaresistensgener Resistensen orsakas av proteiner och enzymer som på olika sätt skyddar bakterierna från antibiotika. Det är många olika gener inblandade som alla kan ge ESBL resistens hos bakterien, dvs samma resistens kan orsakas av många olika proteiner. Lätta att sprida resistenser kan lätt förflyttas mellan bakterier! Resistensmönstret problematiskt hos Escherichia coli och Klebsiella pneumonie (vanligast), men finns i flera andra arter.

48 Provtagning Sommaren hösten 2013: samlat ihop ESBL-stammar från olika vattenlokaler, inklusive Hanöbukten

49

50 Frågor att besvara Finns ESBL-bakterier ute i vattenmiljön? JA Var finns de i så fall mest? Under vilka betingelser finns de, dvs är ESBL förekomsten kopplad med biologiska, fysiologiska eller kemiska parametrar? Vilka ESBL gener finns i bakterierna från vatten? Är de ESBL-bakterievarianter som är vanligast hos patienter också vanligast i våra vatten?

51 Oroar vi oss i onödan? Är koncentrationen antibiotika/sjukdomsframkallande bakterier i vatten och andelen resistenta bakterier/påverkan på organismer kopplade eller behöver vi inte oroa oss? Om det är ett problem, hur kan då vi styra om reningsverk och våtmarker så att problemen minskar? Hur kan vi göra det kostnadseffektivt? Hur ska vi övervaka vad som händer i havet på bästa sätt?

52 Skaldjur som äter genom att filtrera vatten innerhåller ofta patogena mikroorganismer. Vi tackar för er uppmärksamhet! Viktigt att de vinner kriget mot bakterier och virus: Påverkar deras överlevnad och vår tillgång till mat Påverkar risken för smitta då vi konsumerar dem. Musselbank i Kalmarsund; Foto: I. Eliasson