Cyanobacteria in Kenyan Rift Valley lakes: a biological and toxicological study

Abstract

From 2001 until 2003 the freshwater and alkaline-saline habitats Lake Victoria, Lake Baringo, Lake Bogoria, Lake Nakuru, Lake Elmenteita, Lake Sonachi, Lake Simbi and hot springs at Lake Bogoria in the Kenyan Gregory Rift Valley and Lake Victoria Basin were investigated. The main objectives of the study were: \- Investigation of the quality and quantity of cyanobacterial species, \- Estimation of the types and production of cyanobacterial toxins, \- Determination of the toxicity of strains of Arthrospira fusiformis, Anabaenopsis abijatae, Spirulina subsalsa and Phormidium cf. terebriformis, \- Investigation of a possible impact of the toxins on the environment, \- Determination of the phylogenetic relationship of strains of Arthrospira fusiformis, Arthrospira indica, Spirulina subsalsa and Phormidium cf. terebriformis. This study showed that: 1\. Due to mass developments and production of cyanotoxins, cyanobacteria are those organisms with the highest impact on the water quality of Kenyan freshwater and alkaline-saline habitats. 2\. A cyanobacterial bloom in Nyanza Gulf of L. Victoria was caused by Anabaena flos-aquae, Anabaena discoidea and Microcystis aeruginosa. Anabaena discoidea, rediscovered during this study in L. Victoria, was only known from classical studies, conducted at the beginning of the 20th century. In L. Baringo the phytoplankton community was dominated by Microcystis aeruginosa. 3\. The studied alkaline-saline lakes were dominated by mass developments of Arthrospira fusiformis, Anabaenopsis abijatae, Anabaenopsis arnoldii and Anabaena sp. in different compositions and with changing dominances. Anabaenopsis abijatae and Anabaena sp. are reported for the first time from Kenyan lakes. 4\. The investigation of cyanobacterial mats from hot springs at L. Bogoria revealed four dominant species: Phormidium cf. terebriformis, Spirulina subsalsa, Oscillatoria willei and Synechococcus bigranulatus. 5\. In cyanobacterial samples from all investigated Kenyan freshwater and alkaline- saline lakes (exception: L. Elmenteita) and hot spring habitats cyanobacterial toxins were detected for the first time. In L. Victoria hepatotoxic microcystins were found, in the other lakes and the hot springs microcystins and neurotoxic anatoxin-a. Cyanotoxins were measured in concentrations which can have harmul effects on public health, livestock and wildlife. The detection of microcystins and anatoxin-a in gut contents and liver samples of dead Lesser Flamingos (Phoeniconaias minor), suggest that cyanotoxins are a further contributory cause to occurring mass deaths of these birds, beside infectious diseases and poisoning by pesticides and heavy metals. 6\. Sources for the toxin production in the investigated Kenyan freshwater habitats are mass developments of Microcystis aeruginosa, Anabaena flos-aquae and Anabaena discoidea. Sources for the toxins in the alkaline water bodies are: a) toxic strains Arthrospira fusiformis. As the first evidence in Arthrospira strains from different lakes microcystins and anatoxin-a were found. b) potentially toxic strains of Anabaenopsis abijatae, Anabaenopsis arnoldii and Anabaena sp. which have invaded the alkaline-saline lakes. c) toxic hot spring cyanobacteria. 7\. Despite morphological and habitat differences, Arthrospira fusiformis, Arthrospira indica and Phormidium cf. terebriformis strains from several Kenyan and Indian water bodies showed high similarities in sequences of the 16S rRNA gene, the internally transcribed spacer region and phycocyanin operon. The uniform clusters of the Arthrospira strains in calculated phylogenetic trees suggest that the strains of Arthrospira fusiformis and Arthrospira indica are members of the same species. The investigated Phormidium cf. terebriformis strains from L. Nakuru and the hot springs near L. Bogoria had a 16S rDNA sequence similarity of 92% only. The clear separation of Spirulina strains from Arthrospira strains supports the separation of these two genera. Different salinity tolerance of Spirulina strains coincide with low similarities in sequences of 16S rDNA and PC-IGS and result in a separation in the Spirulina cluster in calculated phylogenetic trees.

Von 2001 bis 2003 wurden die Süßwasser- und alkalinen-salinen Habitate Lake Victoria, Lake Baringo, Lake Bogoria, Lake Nakuru, Lake Elmenteita, Lake Sonachi, Lake Simbi und heisse Quellen am Ufer des Lake Bogoria im kenyanischen Gregory Rift Valley und Lake Victoria Becken untersucht. Die Hauptziele der Studie waren: \- Erfassung von Arten und Biomassen der in den Seen vorkommenden Cyanobakterien, \- Bestimmung der Qualität und Quantität von Cyanotoxinen, \- Cyanotoxikologische Untersuchung von Stämmen von Arthrospira fusiformis, Anabaenopsis abijatae, Spirulina subsalsa and Phormidium cf. terebriformis, \- Ermittlung möglicher Auswirkungen gefundener Cyanotoxine auf die Umwelt, \- Phylogenetische Untersuchung von Stämmen von Arthrospira fusiformis, Arthrospira indica, Spirulina subsalsa und Phormidium cf. terebriformis. Die wichtigsten Ergebnisse sind: 1\. Cyanobakterien sind auf Grund von Massenentwicklungen und der Produktion von Cyanotoxinen die Organismengruppe mit den größten Auswirkungen auf die Wasserqualität Kenyanischer Gewässer. 2\. Eine Cyanobakterienblüte im Nyanza Golf des Lake Victoria wurde verursacht von Anabaena flos-aquae, A. discoidea und Microcystis aeruginosa. Die hier wiederendeckte Anabaena discoidea ist im Lake Victoria bisher nur aus klassischen Studien vom Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts bekannt. Im Lake Baringo war die Phytoplankton-gemeinschaft dominiert vom Cyanobakterium Microcystis aeruginosa. 3\. Lake Nakuru wies mit Arthrospira fusiformis, Anabaenopsis abijatae, Anabaenopsis arnoldii und Anabaena sp. die höchste Anzahl dominanter Cyanobakterienarten auf. Lake Bogoria und Lake Sonachi wurden während der gesamten Untersuchungszeit von Arthrospira fusiformis dominiert. Anabaenopsis abijatae und Anabaena sp. wurden zum ersten Mal in Kenyanischen Gewässern nachgewiesen. 4\. Die Cyanobakteriengemeinschaft in Abflüssen aus Thermalquellen am Ufer des Lake Bogoria wurde dominiert von Phormidium cf. terebriformis, Oscillatoria willei, Spirulina subsalsa und Synechococcus bigranulatus. 5\. In Cyanobakterienproben aus allen untersuchten Süßwasser-, alkalinen-salinen Seen (mit Ausnahme von Lake Elmenteita) und Thermalquellen wurden als Erstnachweis Cyanotoxine nachgewiesen. Im Lake Victoria wurden hepatotoxische Microcystine gefunden, in den anderen Seen und in den Thermalquellen Microcystine und neurotoxisches Anatoxin-a. Die Cyanotoxinkonzentrationen der untersuchten Gewässer liegen in Bereichen, die eine Gefahr für Menschen, Haus- und Wildtiere darstellen. In Magen- und Darminhalten und Lebern toter Flamingos wurden Microcystin und Anatoxin-a gefunden 6\. Die Hauptquellen für die Produktion von Cyanotoxinen sind im Lake Baringo Microcystis aeruginosa und im Lake Victoria Anabaena flos-aquae, Anabaena discoidea und Microcystis aeruginosa. In den alkalinen Seen sind mögliche Quellen a) toxische Stämme von Arthrospira fusiformis. Es gelang der Erstnachweis der Produktion von Microcystinen und Anatoxin-a in mehreren Arthrospira-Stämmen. b) potenziell toxische Stämme der Arten Anabaenopsis abijatae, Anabaenopsis arnoldii und Anabaena sp. c) der Eintrag toxischer Cyanobakterien aus Thermalquellen am Lake Bogoria. 7\. Trotz unterschiedlicher Morphologie und Salinitätsansprüche, wiesen die Stämme von Arthrospira fusiformis, Arthrospira indica und Phormidium cf. terebriformis eine hohe Übereinstimmung in den Sequenzen der 16S rDNA, der Internally Transcribed Spacer Region (ITS) und des Phycocyanin-Operons (PC-IGS) auf. Dies und die von den Arthrospira-Stämmen gebildeten einheitlichen Cluster in den Stammbäumen von 16S, ITS und PC-IGS deuten an, dass es sich bei Arthrospira fusiformis und Arthrospira indica um Vertreter der gleichen Art handelt. Die beiden untersuchten Stämme von Phormidium cf. terebriformis unterscheiden sich mit 92% Übereinstimmung deutlich in den 16S rDNA Sequenzen. Die klare Abgrenzung des Spirulina-Clusters vom Arthrospira-Cluster in den Stammbäumen unterstützt die offizielle Trennung der beiden Gattungen. Die unterschiedliche Salztoleranz der untersuchten Spirulina-Stämme geht einher mit einer geringen Übereinstimmung in den Sequenzen von 16S rDNA und PC-IGS und in einer räumlichen Trennung im Spirulina-Cluster in beiden Stammbäumen.