Nyttiga och skadliga alger Manus: Tore Lindholm och Jussi Meriluoto Vad är alger? Alger är en föråldrad term för fotosyntetiska organismer av mycket olika typ, men termen lever kvar av praktiska skäl. Vetenskapen om alger kallas fykologi (eng. phycology). Algerna är alltså en mycket brokig samling av organismer. Även cyanobakterierna (förr: blågrönalger) tas upp i algböcker trots att de är fotosyntetiska bakterier. Här ges några exempel på alger som kan klassas som nyttiga (till den kategorin hör de flesta) och sådana som ur människans synvinkel är skadliga. Tack vare modern genetisk analys kan man nu börja ordna upp organismvärlden i fylogenetiska grupper, d.v.s. grupper med gemensamt ursprung. Idag (2008) räknar man ofta med 12 huvudgrupper eller riken bland de eukaryota organismerna (Eukarya), men nya genetiska rön gör att indelningen ännu kan förändras. Tabell 1. Översikt av större alggrupper (phyla eller stammar) och var de främst påträffas. Alger som lever på land kallas terrestriska. Några av dem utgör symbionter i lavar. Alggrupp (phylum) Svenskt namn Hav Sjöar Land Cyanobacteria blågrönalger + + + Prochlorophyta proklorofyter + Glaucophyta glaukofyter + + Chlorophyta grönalger + + + Charophyta kransalger m.m. + + Prasinophyta prasinofyter + Rhodophyta rödalger + + Cryptophyta rekylalger + + Haptophyta fästalger + + Dinophyta dinoflagellater + + Bacillariophyta kiselalger + + + Chrysophyta guldalger + + Phaeophyta brunalger + Xanthophyta gulgrönalger + + + Raphidophyta slemalger + + Euglenophyta euglenoider, ögondjur + + Blåstången en nyttig brunalg i Östersjön Blåstången Fucus vesiculosus är en upp till 70 cm stor, flerårig marin brunalg. Den lever fäst på klippor och stenar, och i rena kustvatten bildar den "tångskogar" från ytan ned till 7 8 meters djup (Figur 1). På blåstången växer en mångfald av trådformiga alger och encelliga alger som epifyter. Det rör sig främst om brunalger, grönalger, rödalger och kiselalger. Den här påväxten tjänar som föda för en stor mängd 1
kräftdjur, maskar, snäckor och insektslarver. Vissa kräftdjur (tånglöss) kan också gnaga direkt på blåstången. I tångskogen finns alltså rikligt med föda och därtill en ganska skyddad miljö för fisk. Blåstången räknas därför som en nyckelart (keystone species) i Östersjön. Tångbestånden har minskat sedan mitten av 1900-talet, troligen mest på grund av övergödning. Om det finns rikligt med fosfor och kväve i vattnet växer det så mycket påväxtalger på blåstången att den dör i brist på ljus. Liksom flera andra brunalger är blåstången faktiskt ätlig, men i Norden finns det ingen tradition att äta alger. Lösryckt tång, som bildar vallar på flacka havsstränder, har däremot i århundraden använts som gödsel. Figur 1. Blåstången Fucus vesiculosus dominerar längs skärgårdens klippstränder. På bilden syns också tofsar av grönalger och små brunalger. Bilden togs på Högskär i Ålands hav i augusti 1998. Ätliga alger och algodling Alger kan utnyttjas i många sammanhang, t.ex. som råvara, som föda och i forskningssammanhang. Cirka 150 arter av alger tjänar som människoföda. I Asien finns en lång tradition att utnyttja alger som människoföda. Nori (rödalger av släktet Porphyra) och konbu (olika brunalger) är vanliga ätliga algprodukter t.ex. i Japan. Förr var det vanligt att skörda naturligt förekommande röd-, grön- och brunalger. Många av dessa liknar de alger som växer på klippstränder också i Östersjön. Numera äter man främst odlade alger. Algodling ger renare och mera hållbara produkter. Eftersom alger lätt förfars, särskilt i varmt klimat, torkas de för att kunna lagras och hanteras. Färska alger består nämligen till minst 90 procent av vatten. Man odlar och äter också mikroskopiska alger, t.ex. grönalgen Chlorella, och cyanobakterier av släktena Nostoc och Arthrospira (Spirulina). Alger innehåller bl.a. kolhydrater, vitaminer och mineralämnen. Hos oss ingår alger bara i specialkost, men olika algprodukter ingår i många livsmedel såsom glass och såser, liksom i målarfärg, tandkräm och kosmetika. Grönalger innehåller många användbara pigment. Vissa grönalger är röda av astaxanthin, ett s.k. xantofyll som anses ge skydd mot ultraviolett ljus. En mycket vanlig astaxanthinproducerande art som även odlas, Haematococcus pluvialis, förekommer allmänt i naturen i hällkar, dammar och vattentunnor. När vattnet torkar ut återstår en röd skorpa av intorkade alger (och annat som finns i vattnet). Skorpan består mest av vilostadier (de röda äpplena som finns på bilden i figur 2 ett sådant vilostadium är ungefär som en potatis, färdigt att växa vidare till en ny generation när det är gynnsamt). Astaxanthin ger rödaktig färg åt laxkött och (kokta) kräftor. Genom att tillsätta ämnet i fiskfoder blir också köttet hos odlad lax rödaktigt. 2
Figur 2. Grönalgen Haematococcus pluvialis lever i hällkar och vattentunnor. Bilden visar vilostadier som är knallröda av astaxanthin. Om dessa vilostadier blötläggs gror de till fritt simmande, geleomgivna celler som blir gröna i svag belysning men knallröda ute i starkt solsken. Ett annat rödaktigt pigment är betakaroten som är ett utgångsämne vid syntes av A-vitamin. Hos en grönalg av släktet Dunaliella kan upp till 5 procent av torrvikten bestå av betakaroten. Algen odlas i industriell skala för produktion av just betakaroten. Kiselalger Kiselalgerna eller diatoméerna är encelliga organismer med mönstrade kiselskal. En kiselalgscell kan förliknas vid en ask med lock. Kiselalger finns allmänt som plankton (fritt svävande) och som påväxt på allehanda underlag i hav, sjöar och rinnande vatten. De är mycket viktiga primärproducenter, särskilt i kalla hav och kustvatten där de utgör basen för många näringskedjor. Kiselagerna har rikligt med klorofyll men de är ändå ofta brungula tack vare pigmentet fucoxanthin. Kiselalgerna har fast form men många arter är ändå rörliga. För den som vill studera kiselalger rekommenderas ett skrap bland stenar, trådalger eller växter i skärgården. Det gråbruna slam som fås från varje kvadratcentimeter yta innehåller tiotals arter av kiselalger. På hösten lönar det sig att undersöka påväxten på vass i skyddade havsvikar. Där brukar det krylla av kiselalgen Bacillaria som ömsom bildar långa, glidande kedjor och ömsom kompakta kolonier (Figur 3). Den som sett Bacillaria röra sig minns algen under resten av sitt liv! Figur 3. Kiselalgen Bacillaria förekommer allmänt i havsvikar. Bilden visar en nästan hopdragen 3
Bacillariakoloni. Denna art har mycket fascinerande rörelser. Ibland står cellerna nästan helt efter varandra. Några sekunder senare kan de ligga i bredd som på bilden. Myrarna är rika på alger I myrar och bland vitmossan i skogssjöar finns rikligt med storvuxna arter av kiselalger, särskilt av släktet Pinnularia (Figur 4). De glider sakta fram på underlaget som små kanoter och är tacksamma studieobjekt för nybörjare. I prover från myrarnas våta höljor kan man också hitta encelliga grönalger av släktena Micrasterias, Euastrum, Staurastrum, Cosmarium och Closterium. Många av dessa s.k. okalger ("koristelevät") är relativt stora och mycket vackra (Figur 5). Okalger är oftast indikatorer på rent vatten. Genom att undersöka dessa mikroskopiska alger får man därför ett mått på vattenkvaliteten. Figur 4 (ovan). Bland vitmossan i myrgölar finns en rik algflora som ofta domineras av Pinnulariaarter. Bilden visar två stora Pinnulariaceller. Figur 5. Den vackra grönalgen Micrasterias sol är relativt ovanlig. Alger av släktet Micrasterias är indikatorer på god vattenkvalitet. Värdefulla skalrester Det finns tusentals arter av kiselalger och olika arter har olika miljökrav. Många kiselalger tjänar därför som miljöindikatorer, särskilt i rinnande vatten. Kiselalger utnyttjas mycket inom paleolimnologin, en 4
vetenskap som bl.a. beskriver sjöars historia och forna tiders ekosystem och klimat. Sådan forskning är möjlig tack vare att kiselalgernas och vissa andra organismers skalrester bevaras väl identifierbara i årsvisa skikt i sjöars bottenslam. Det kan också nämnas att urgamla skalavlagringar har bildat mineralet kiselgur som utnyttjas som slipmedel bl.a. i tandkräm. Kiselalgerna är viktiga i miljön Kisel, men också kväve och fosfor, kommer in i våra sjöar och kustvatten i större mängd främst vid vårflödet. Efter islossningen är det vanligt med ett produktionsmaximum som orsakas av kiselalger. Just vårens kiselalger har stor betydelse som föda för djurplankton, t.ex. kräftdjur, som i sin tur äts av fisk och särskilt av fiskyngel. De planktoniska kiselalgernas "vårblomning" kan göra att Östersjöns siktdjup på våren är mindre än 2 meter. När det mesta av kiseln har förbrukats och vattnet blivit varmt sjunker merparten av kiselalgerna snabbt, och vattnet klarnar. Kiselalger som sjunker till bottnen utgör en viktig föda för filtrerande bottendjur såsom musslor. Bland sommarens plankton finns dock en del småcelliga kiselalger, främst sådana som har långa spröt som minskar sjunkhastigheten. Spröten kan också ge skydd mot hungriga planktondjur. Det sker stora förändringar i världshaven. De kustnära vattnen eutrofieras och områden med syrgasfattig botten blir allt vanligare. Dessutom sjunker vattnets ph-värde då allt mera koldioxid upptas ur atmosfären (som berikats med koldioxid genom all förbränning av fossila bränslen). Ingen vet med säkerhet hur algerna påverkas. De marina kiselalgerna är viktiga primärproducenter och binder mycket koldioxid. Om kiselalgerna missgynnas kan förekomsten av andra, mindre önskade, algtyper öka. Dinoflagellater kan vara giftiga Dinoflagellaterna utgör en stor och viktig grupp encelliga alger som lever som plankton i hav, sjöar och små vattensamlingar. Ekologiskt är de nästan lika viktiga som kiselalgerna. Några arter är livsviktiga symbionter i koraller och vissa andra marina djur. Ganska få arter av dinoflagellater lever som påväxt. Dinoflagellaterna simmar snabbt tack vare två flageller som finns i en tvär- och en längsfåra. Många arter av dinoflagellater har skal av små cellulosaplattor. Cellulosaskalen bryts snabbt ned (i motsats till kiselalgernas skal). Vissa vilostadier (cystor) kan dock bevaras länge i bottenslam. Dinoflagellaterna kan i allmänhet äta andra alger, trots att ungefär hälften av arterna hyser kloroplaster. Färgen hos dinoflagellaterna kan variera mycket bl.a. för att kloroplasterna kan vara av olika ursprung. Några arter av dinoflagellater orsakar mareld tack vare sin förmåga att producera ljus (bioluminiscens). En ljusalstrande art av släktet Alexandrium har ökat i Östersjön under 2000-talet. Vid massförekomst av dinoflagellater, s.k. red tide, kan vattnet färgas rött eller brunt. Vissa dinoflagellater odlas för att de producerar speciella fettsyror. Merparten av dinoflagellaterna är harmlösa, men vissa arter är ökända och fruktade för att de alstrar starka toxiner (gifter), som kan anrikas i t.ex. musslor. 5
Tillgång till rent vatten är en nödvändighet Mycket av vår mänskliga verksamhet är beroende av rent vatten, men den äventyras tyvärr ofta av skadliga organismer samt av hälsovådliga och andra oönskade ämnen som förekommer i vattnet. Sjukdomsalstrande bakterier, virus och urdjur är ett kapitel för sig och denna modul i Vetenskapens fronter fokuserar enbart på toxiska cyanobakterier (giftiga blågrönalger). Flera alggrupper producerar diverse bioaktiva substanser, d.v.s. substanser med specifik biokemisk verkan. Det ingår otaliga substanser i denna kategori, allt från nyttiga substanser såsom läkemedelskandidater till toxiner. De bioaktiva substanserna är ofta enzyminhibitorer som stänger av vissa biokemiska processer i målorganismen och således kan fungera som toxiner. I och med att algers skadliga substanser kan återfinnas i dricksvatten utsätts stora grupper människor för dessa substanser, ofta dock i små koncentrationer och under en begränsad period av året. Den vanligaste alggruppen i Finland som producerar toxiner och andra problemsubstanser är cyanobakterierna. Andra alggrupper med skadliga egenskaper eller produkter, t.ex. dinoflagellater, kiselalger, guldalger, fästalger och slemalger, behandlas inte här. Exempel på verksamhet som påverkas av cyanobakterier och toxiner som de producerar är fiske, bevattning av växtodlingar, simning och övrig vattensport, bastubadande (orent bastuvatten kan utsätta människan för toxiner t.ex. via inandning av toxinaerosoler) och, framför allt, framställning av rent dricksvatten. I hemmet behövs rent dricks- och bruksvatten t.ex. vid matlagning och tvättning samt naturligtvis som dryck. Industrin särskilt livsmedelsindustrin behöver rent processvatten. Cyanobakterietoxinerna kan även påverka delar av vatten- och landekosystem. Cyanobakterietoxiner Många av de allra vanligaste cyanobakterierna producerar dödliga lever- och nervtoxiner (Fig. 6). Vanliga toxiska cyanobakteriesläkten är t.ex. sötvattenalgerna Microcystis, Planktothrix och Anabaena samt Östersjöalgen Nodularia. Samma cyanobakterier (med undantag av Nodularia) förekommer i stort sett världen runt och även toxinproblem förekommer i nästan alla länder. I Finland började man på allvar forska i giftiga cyanobakterier i mitten av 1980-talet. Skadliga cyanobakterieblomningar (massförekomster) är dock ett äldre fenomen och t.ex. boskapsdöd rapporterades redan på 1930-talet i Finland. Cyanobakterieblomningarna har blivit kraftigare och vanligare i övergödda sjöar och i Östersjön under de senaste årtiondena. Således har även omfattningen av algproblemen ökat. Undersökningar gjorda i Finland har visat att ungefär hälften av cyanobakterieblomningarna innehåller toxiner och att levertoxinerna är vanligare än nervtoxinerna. Inom en och samma art kan toxinmängden variera kraftigt, från icke-toxiskt till högtoxiskt. 6
Figur 6. Toxinstrukturer: microcystin-lr och nodularin-r är levertoxiner, anatoxin-a ett nervtoxin och cylindrospermopsin ett cytotoxin. Cykliska peptider som kallas microcystiner är de vanligaste toxinerna som cyanobakterierna producerar och sådana har rapporterats förekomma t.ex. inom släktena Microcystis, Anabaena och Planktothrix. Microcystinerna är starka levergifter och tumörbefrämjare och möjliga carcinogener. Mer än 80 olika microcystiner med variation i aminosyresammansättningen har rapporterats. Microcystinerna utövar sin effekt via inhibition av proteinfosfatas-enzymerna som är viktiga reglerare av cellulära funktioner. Nodularinerna (några olika) är med microcystinerna besläktade toxiner som produceras av Östersjöalgen Nodularia. Världshälsoorganisationen WHO har fastställt gränsvärdet för den vanligaste microcystinvarianten, microcystin-lr, till 1 mikrogram microcystin-lr per liter dricksvatten. Halten microcystin i sjövatten är ofta 1 10 mikrogram per liter, men upp till tusentals mikrogram per liter i extrema fall. Man känner inte till att någon människa skulle ha blivit exponerad för en akut dödlig dos av microcystiner eller nodulariner. Microcystiner har dock bevisligen dödat flere tiotal dialyspatienter vid en brasiliansk klinik efter behandling med dåligt renat vatten som innehöll microcystin. De utsatta patienterna dog inom loppet av några veckor efter dialysbehandlingen. I Australien har man kunnat konstatera lindriga leverskador (läckage av leverenzymer ut i blodomloppet) i samband med förtäring av microcystinkontaminerat dricksvatten, och i Kina anser man att människor som utsätts för microcystin i dricksvatten och parallellt för hepatit B-viruset och/eller mögeltoxinet aflatoxin B1 löper större risk för levercancer. 7
Microcystinerna och nodularinerna är relativt beständiga och rester av dessa toxiner kan ibland finnas kvar i veckor efter att den synliga algblomningen har försvunnit. Toxinerna kan inte elimineras genom kokning av dricksvatten eller matvaror. Deras beständighet bidrar också till att de ansamlas i näringsvävar (Fig. 7). Musslor som filtrerar stora volymer vatten fångar upp cyanobakterieceller och samtidigt toxin som kan transporteras vidare i näringsvävarna. Till exempel flundror och ejdrar som äter blåmusslor blir i sin tur exponerade för toxiner. Microcystiner och nodulariner ackumuleras främst i levern. Muskelvävnaden är oftast trygg att äta. Små mängder microcystin kan ackumuleras i växter som bevattnas med vatten som innehåller toxin. Problemet är störst när det gäller de bladformiga växter vilkas strukturer effektivt kan fånga upp cyanobakteriematerial ur algbemängt vatten (t.ex. kinakål och sallad). Figur 7. Exempel på en partiell näringsväv samt återkopplingar mellan människa och cyanobakterier. Cyanobakterien Nodularia spumigena i Östersjön producerar nodularin (NOD) som ansamlas i blåmussla och sedan i flundra och ejder som människan äter. De tänkbara toxinhalterna är angivna per torrvikt. Anatoxin-a är ett nervtoxin som produceras främst av cyanobakteriesläktet Anabaena som är mycket vanligt i Finland. Anatoxin-a binder till acetylkolin-receptorer i nervändorna men sönderbryts inte av acetylkolinesteras och blockerar således den normala överföringen av nervimpulser. Toxinet har legat bakom flera dödsfall bland boskap och hundar som druckit stora mängder algbemängt vatten. Risken för människan är liten eftersom det är osannolikt att människan frivilligt skulle förtära dödliga doser av algmaterial eller bli skadligt exponerad för anatoxin-a via dricksvatten. Exponering för subletala doser anses inte orsaka bestående skador. Anatoxin-a sönderfaller relativt lätt i icke-toxiska föreningar. En annan grupp av nervtoxinerna är saxitoxiner som nyligen hittats i finska sjöar. Saxitoxinerna produceras inte enbart av cyanobakterier utan även av marina dinoflagellater. Saxitoxinerna verkar genom att blockera natrium-kanalerna i nervaxonerna. 8
Lipopolysackariderna är strukturella komponenter som återfinns i cyanobakteriers och andra gramnegativa bakteriers cellväggar. De ger upphov till feberreaktioner och irritation i mag-tarmkanalen men anses inte vara dödliga. En annan kategori av oönskade substanser som härstammar från cyanobakterier är lukt- och smakämnen. Vattenkonsumenterna i Åbo pinades i flera veckor under sommaren 1999 av lukt- och smakfel i dricksvattnet. Orsaken till dessa problem var den icke-giftiga men besvärliga cyanobakteriemetaboliten geosmin som har en stark jord/mögellukt även i extremt låga koncentrationer. Geosmin produceras även av strålsvamparna som är vanliga vatten- och jordlevande mikrober. Hur kan vi skydda oss mot cyanobakterietoxiner? Dricksvattnet är utan vidare den viktigaste exponeringsrutten för algtoxiner i sötvatten (80 procent av exponeringen för microcystiner har uppskattats ske via dricksvattnet). Enklare vattenreningsmetoder såsom utfällning, sandfiltrering och klorinering ger ofullständigt skydd mot algtoxiner. Ozonering och filtrering med aktivt kol fungerar däremot bra mot diverse mikropollutanter inklusive algtoxiner i råvatten. Grundvattnet innehåller algtoxiner endast i undantagsfall i och med att cyanobakterierna inte kan föröka sig i mörker. Det är inte direkt farligt att simma i en svag algblomning eftersom de flesta alggifter inte penetrerar frisk hud. Barn är förstås mera utsatta för kallsupar och de borde därför undvika algrikt vatten. Känsligare personer upplever ofta hud- och ögonirritation efter simning i algbemängt vatten, och sköljning av huden med rent vatten rekommenderas efter kontakt med cyanobakterier. Giftiga och icke-giftiga cyanobakterier ser precis lika ut och det behövs ofta komplicerade laboratorieanalyser för att testa toxininnehållet. För att skydda vattenkonsumenterna mot toxiner är det nödvändigt att dels vidta vattenskyddsåtgärder som förhindrar uppkomsten av cyanobakterieblomningar, dels se till att vattenreningen är av hög kvalitet och dels analysera det färdiga vattnet med avseende på toxiner. Det är också nödvändigt att förstå hur algtoxinerna produceras, transporteras i näringsvävarna (bioackumulering) och nedbryts i naturen. Konsumenterna vill veta om det är tryggt att äta fisk som blivit fångad i algrika vatten o.s.v. Algtoxinerna analyseras allmänt med hjälp av vätskekromatografi (Fig. 8). Det finns även immunologiska analysmetoder för ett flertal toxiner, och vissa av dessa lämpar sig rentav för fält- eller privatbruk. 9
Figur 8. Vätskekromatografi är en metod som används för att separera och kvantifiera beståndsdelarna i ett prov. Analyter (substanser som analyseras) upplösta i mobil fas pumpas genom en kolonn som är fylld med s.k. stationär fas. Olika analyter vandrar olika snabbt genom kolonnen beroende på sina kemiska egenskaper. De separerade molekylerna kan sedan detekteras t.ex. med hjälp av en UV-absorbansdetektor vars utslag är proportionellt mot koncentrationen av en viss substans i provet. Framtiden En total utrotning av alla cyanobakterier är varken möjlig eller önskvärd. Cyanobakterierna hör trots en hel del tråkiga egenskaper till den naturliga algfloran och har en viktig roll som primärproducenter. Det är dock möjligt att begränsa algproblemen genom vattenvårdsåtgärder som siktar på att minimera utsläppen av näringsämnen och återställa balansen mellan olika organismgrupper. En allmän uppfattning bland forskare är att algproblemen kommer att kvarstå i flera årtionden. Eutrofieringen av insjöarna och Östersjön fortsätter på många ställen. Denna utveckling gynnar cyanobakterierna. Klimatförändringen med högre vattentemperaturer, islösa vintrar, ökad nederbörd och kraftigare vindar kommer också att ha sina effekter på algsamhällena. Det är sannolikt att vissa nya hotbilder kommer att uppstå medan vissa andra algers betydelse minskar. Ett nytt hot är t.ex. cylindrospermopsin som tidigare påträffats främst i tropiska och subtropiska cyanobakterier. Cylindrospermopsin som är ett allmänt cytotoxin (cellgift) har nyligen upptäckts i en finsk 10
cyanobakteriestam. Det är skäl att ta de giftiga cyanobakterierna på allvar och inte i onödan utsätta sig för toxinerna. Samtidigt finns det absolut ingen anledning till hysteri, utan sunt bondförnuft ger oftast tillräckligt skydd i finländska förhållanden. 11