Semin Moon;Dong Han Choi;Yeonjung Lee;Jung-Rae Rho
Journal of the Korean Magnetic Resonance Society
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v.28
no.3
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pp.25-31
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2024
Toxins produced by marine toxigenic algae have garnered growing attention due to their detrimental impacts on marine ecosystem, aquaculture, and human health. Among these, diarrhetic shellfish poisoning (DSP) toxins, such as okadaic acid (OA), are of particular concern. In this study, we report the successful isolation and structural elucidation of three new derivatives of OA from the marine dinoflagellate Prorocentrum lima. These newly identified compounds, OA-2Me-C7, OA-2-Me-C8, and OA-1-Me-C8, were characterized through a comprehensive series of NMR experiments, combined with structural comparisons to the well-known OA. The identification of these derivatives contributes to the expanding knowledge of DSP toxin diversity and provides new insights into the structural variations of these harmful algal toxins.
The effective removal of microcystins by chlorination was investigated on a laboratory scale. With an initial chl.a concentration of more than 1,000 $\mu\textrm{g}$/ℓ, the required chlorine dose for the effective removal of microcystins from the raw water was more than 8.0 mg/ℓ. Whereas, a chlorine dose of 3.0 mg/ℓcould effectively remove microcystins from raw water containing a chl.a concentration of less than 1,000 $\mu\textrm{g}$/ℓ. The microcystin removal was more effective below pH 8.0, plus the optimum pH range was unrelated to the concentration of toxic algal material. Although chlorination is one of the most effective methods for reducing the toxin from blue-green algae, it causes cell lysis and toxin release. However, it was demonstrated that the released cell lysates and toxins could be effectively removed by a higher dose of the oxidant. The highest removal efficiency of dissolved microcystins(initial concentration: 280 $\mu\textrm{g}$ L$\^$-1/) was with a chlorine dose of 5.0 mg/ℓ.
Although physiological and ecological characteristics of cyanobacteria have been studied extensively for decades, unknown areas still remain greater than the already known. Recently, the development of omics techniques based on molecular biology has made it possible to view the ecosystem from a new and holistic perspective. The molecular mechanism of toxin production is being widely investigated, by comparative genomics and the transcriptomic studies. Biological interaction between bacteria and cyanobacteria is also explored: how their interactions and genetic biodiversity change depending on seasons and environmental factors, and how these interactions finally affect each component of ecosystem. Bioinformatics techniques have combined with ecoinformatics and omics data, enabling us to understand the underlying complex mechanisms of ecosystems. Particularly omics started to provide a whole picture of biological responses, occurring from all layers of hierarchical processes from DNA to metabolites. The expectation is growing further that algal blooms could be controlled more effectively in the near future. And an important insight for the successful bloom control would come from a novel blueprint drawn by omics studies.
Unusual bloom of toxic cyanobacteria in water bodies have drawn attention of environmentalists world over. Major bloom of Anabaena, Microcystis in water storage reservoir, rivers and lake leading to adverse health effects have been reported from Australia, England and many part of the world. These cyanobacterial cells can release intercellular matter like toxin in water and these intercellular matter can increase the concentration of organic matter. Cellysis can occur when algal cells meet the disinfectants like chlorine in water treatment plant and the resultant rising up of DOC(Dissolved Organic Carbon) or TOC(Total Organic Carbon) can increase the formation of disinfection by products. Disinfectants that kill microorganisms react with the organic or inorganic matter in raw water. In general disinfectants oxidize the matter in raw water and the resultant products can be harmful to human. There are always conflict about which is more important, disinfection or minimizing disinfection by products. The best treatment process for raw water is the process of the lowest disinfection by products and also the the lowest microorganism. In this study the cultured cells, Microcytis Aeruginosa(MA), Anabaena Flos-aquae(AF), Anabaena Cylindrica(AC), and the cells obtained in Daechung Dam(DC) whose dominant species was Anabaena Cylindrica were subjected to chlorination. Chlorination oxidizes inorganic and organic compounds and destruct live cells in raw water. Chloroform was analyzed for the cultured cells which were treated with $20mg/\ell$ dose of chlorine. In general chloroform is easily formed when dissolved organic matter react with chlorine. The cultured cells contributes the concentration of dissolved organic carbon and also that of total organic carbon which might be potent precusors of chloroform formed. The correlations of the concentration of chloroform, DOC and TOC were investigate in this study.
Early studies claimed that heterotrophic dinoflagellates Pfiesteria piscicida and related genera may produce a putative water-soluble toxin that causes death of fish and other marine animals. Several methods were tested to visualize plate morphology of Cryptoperidiniopsis brodyi and Pfiesteria piscicida. Cellulose plates of cells were exposed and visualized- by a membrane stripping method using Triton X-100. While calcofluor M2R white stain could readily bind to the thecal plates, details of the plate tabulation were difficult to observe. Fixation with osmium tetroxide $(OsO_4)$ produced well preserved cells with little morphological distortion, but thecal plates could not be visualized. Scanning electron microscopy (SEM) observation using the membrane stripping method showed distinctive plate tabulations between C. brodyi and P. piscicida suggesting that this method is a useful tool for morphological identification of lightly armored dinoflagellates.
Microcystins (MCs) are toxins produced by cyanobacteria causing a major environmental threat to water resources worldwide. Although several MCs have been reported in previous studies, microcystin-LR (m-LR) has been extensively studied as it is highly toxic. Among the several techniques employed for the removal of this toxin, adsorption with AC has been extensively studied. AC has gained wide attention as an effective adsorbent of m-LR due to its ubiquity, high sorption capacity, cost effectiveness and renewability. In this review, the adsorption of m-LR onto AC was evaluated using the information available in existing scientific literature. The effects of the pore volume and surface chemistry of AC on the adsorption of m-LR considering the structural and chemical properties of ACs were also discussed. Furthermore, we identified the parameters that influence adsorption, including natural organic matter (NOM), pH, and ionic strength during the m-LR adsorption process. The effect of these parameters on MCs adsorption onto AC from previous studied is compiled and highlighted. This review may provide new insights into future activated carbon-m-LR adsorption research, and broaden its application prospects.
The effect of permanganate oxidation was investigated as water treatment strategy with a focus on comparing the reaction characteristics of NaOCl and sodium permanganate (NaMnO4) in algae (Monoraphidium sp., Micractinium inermum, Microcystis aeruginosa)-contained water. Flow cytometry explained that chlorine exposure easily damaged algae cells. Damaged algae cells release intracellular organic matter, which increases the concentration of organic matter in the water, which is higher than by NaMnO4. The oxidation reaction resulted in the release of toxin (microcystin-LR, MC-LR) in water, and the reaction of algal organic matter with NaOCl resulted in trihalomethanes (THMs) concentration increase. The oxidation results by NaMnO4 significantly improved the concentration reduction of THMs and MC-LR. Therefore, this study suggests that NaMnO4 is effective as a pre-oxidant for reducing algae damage and byproducts in water treatment process.
Many species in Gymnodiniales, which are unarmored dinoflagellates, are responsible for marine algal blooms and some of them have potent toxin in the cell. Their taxonomy has so far been well-defined, and several genera (e.g. Akashiwo, Gymnodinium, Karenia) have recently been re-described. In Korea, few works have been carried out on their taxonomical and molecular studies. This study focused on comparison of both morphological and molecular characteristics of five unarmored dinoflagellates on Korean coastal water: Akashiwo sanguinea, Cochlodinium polykrikoides, Gymnodinium catenatum, Gymnodinium impudicum and Karenia aureolum (=K. mikimotoi). Morphological characteristics observed here was in good accordance with the original descriptions of individual species. In addition, none of difference was found in morphological comparisons between the Korean and foreign strains. Furthermore, molecular analysis showed that the SSU rDNA sequences were generally identical according to each species. In some distinct features, A. sanguinea, which has generally the same morphological features, were divided into two groups: one was Korean isolates including European isolates, the other was American isolates. In the two groups, the nucleus was positioned differently: middle of the cells in the Korean isolates (GnSg02, GnSg03), near the epicone in American isolates (CCMP1593, CCMP1837). In addition, this was strongly supported by phylogenetic analysis, inferred from the SSU rDNA sequences. K. aureolum (GrAr01) was corresponded to European G. aureolum (=K. mikimotoi) in shape and position of nucleus, chloroplast, however, which is similar to K. digitata in view of having a finger-like sulcus. This was in good agreement with phylogenetic study of these species. G. catenatum have identical morphology except the ridge location, and their genotype of SSU rDNA was also identical to GenBank data of the same species. From this study, we found that the five Korean unarmored dinoflagellates are identical morphological characteristics and genotype to each species of foreign isolates.
Population dynamics of Anabaena and the anatoxin-a concentration were monitored with physicochemical parameters at 3 sites in the lower Naktong River from May to September in 2000. Total 4 species of Anabaena (A. flosaquae, A. smithii, A. ucrainica and A. mucosa) were identified with morphological characterisitcs. Anabaena flos-aquae was most abundant among the populations. The standing crop of Anabaena ranged from 10 to 11,220 cells · $ml^{-1}$ and biomass of Anabaena more 1,000 cells · $ml^{-1}$ was obseved once at St. Mulgeum and St. Seonam, twice at St. Hagueon out of total 9 samplings. There were not significant correlations between the standing crop of Anabaena and other physicochemical parameters such as temperature, nitrate, total nitrogen, phosphate, total phophorus and N/P ratios. The frequency of trichomes with akinetes was low and ranged from 0 to 4% in the total Anabaena population and A. smithii showed highest frequency of 2.8% among all species. The population at St. Seonam showed highest frequency of 1.4% among all sampling sties. The population in September showed the highest frequency of 3.0% among all sampling period. The frequency of trichomes with heterocysts was low and ranged from 1 to 87% inthe total Anabaena population and A. smithii showed highest frequency of 55.1% among all species. The population at St. Mulgeum showed highest frequency of 17.6% among all sampling sites. The population in August showed the highest frequency of 21.4% among all sampling period. The frequency of trichomes with akinetes and/or heterocysts was not related to all the physicochemical parameters of temperature, nitrate, total nitrogen, phosphate, total phosphorus and N/P ratios. The anatoxin-a concentations were determined in algal materials dominated by Microcystis and Anabaena from June though August by derivatization using 7-fluoro-4-nitro-2, 1,3-benzoxadiazole (NBD-F) and HPLC analysis with fluorimetric detection. All the concentrations were below the detection limit of 0.1 ㎍ · $l^{-1}$ in the present study.
The decomposition processes of Microcystis aeruginosa under the light and dark conditions were investigated in relation to the change of microcystins, physicochemical and biological factors. Cyanobacterial cells from upper stream of Lake Dae-chong were collected and incubated in the matrix of raw water under the light and dark conditions without additional nutrients. The decomposition of Microcystis cells started from beginning of the experiment and most of the cells were decomposed on 12th day. Under the light condition the concentration of toxins in filtrate fractionwas increased with the increase of viscosity as the decomposition of algal cells proceed whereas no significant change was observed under the dark condition. Microcystin- RR was most labile toxin than the other two microcystins because it was identified mainly in lyophilized cells but detected at trace level in the filtratefraction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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