Consumption of fa cai Nostoc soup: A Potential for BMAA exposure from Nostoc cyanobacteria in China?

Grown in arid regions of western China the cyanobacterium Nostoc flagelliforme - called fa cai in Mandarin and fat choy in Cantonese - is wild-harvested and used to make soup consumed during New Year's celebrations. High prices, up to $125 USD/kg, led to overharvesting in Inner Mongolia, Ningxia, Gansu, Qinghai, and Xinjiang. Degradation of arid ecosystems, desertification, and conflicts between Nostoc harvesters and Mongol herdsman concerned the Chinese environmental authorities, leading to a government ban of Nostoc commerce. This ban stimulated increased marketing of a substitute made from starch. We analysed samples purchased throughout China as well as in Chinese markets in the United States and the United Kingdom. Some were counterfeits consisting of dyed starch noodles. A few samples from California contained Nostoc flagelliforme but were adulterated with starch noodles. Other samples, including those from the United Kingdom, consisted of pure Nostoc flagelliforme. A recent survey of markets in Cheng Du showed no real Nostoc flagelliforme to be marketed. Real and artificial fa cai differ in the presence of beta-N-methylamino-L-alanine (BMAA). Given its status as a high-priced luxury food, the government ban on collection and marketing, and the replacement of real fa cai with starch substitutes consumed only on special occasions, it is anticipated that dietary exposure to BMAA from fa cai will be reduced in the future in China.

The neurotoxin β-N-methylamino-L-alanine (BMAA) : Sources, bioaccumulation and extraction procedures

β-methylamino-L-alanine (BMAA) is a neurotoxin linked to neurodegeneration, which is manifested in the devastating human diseases amyotrophic lateral sclerosis, Alzheimer’s and Parkinson’s disease. This neurotoxin is known to be produced by almost all tested species within the cyanobacterial phylum including free living as well as the symbiotic strains. The global distribution of the BMAA producers ranges from a terrestrial ecosystem on the Island of Guam in the Pacific Ocean to an aquatic ecosystem in Northern Europe, the Baltic Sea, where annually massive surface blooms occur. BMAA had been shown to accumulate in the Baltic Sea food web, with highest levels in the bottom dwelling fish-species as well as in mollusks. One of the aims of this thesis was to test the bottom-dwelling bioaccumulation hypothesis by using a larger number of samples allowing a statistical evaluation. Hence, a large set of fish individuals from the lake Finjasjön, were caught and the BMAA concentrations in different tissues were related to the season of catching, fish gender, total weight and species. The results reveal that fish total weight and fish species were positively correlated with BMAA concentration in the fish brain. Therefore, significantly higher concentrations of BMAA in the brain were detected in plankti-benthivorous fish species and heavier (potentially older) individuals. Another goal was to investigate the potential production of BMAA by other phytoplankton organisms. Therefore, diatom cultures were investigated and confirmed to produce BMAA, even in higher concentrations than cyanobacteria. All diatom cultures studied during this thesis work were show to contain BMAA, as well as one dinoflagellate species. This might imply that the environmental spread of BMAA in aquatic ecosystems is even higher than previously thought. Earlier reports on the concentration of BMAA in different organisms have shown highly variable results and the methods used for quantification have been intensively discussed in the scientific community. In the most recent studies, liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) has become the instrument of choice, due to its high sensitivity and selectivity. Even so, different studies show quite variable concentrations of BMAA. In this thesis, three of the most common BMAA extraction protocols were evaluated in order to find out if the extraction could be one of the sources of variability. It was found that the method involving precipitation of proteins using trichloroacetic acid gave the best performance, complying with all in-house validation criteria. However, extractions of diatom and cyanobacteria cultures with this validated method and quantified using LC-MS/MS still resulted in variable BMAA concentrations, which suggest that also biological reasons contribute to the discrepancies. The current knowledge on the environmental factors that can induce or reduce BMAA production is still limited. In cyanobacteria, production of BMAA was earlier shown to be negative correlated with nitrogen availability – both in laboratory cultures as well as in natural populations. Based on this observation, it was suggested that in unicellular non-diazotrophic cyanobacteria, BMAA might take part in nitrogen metabolism. In order to find out if BMAA has a similar role in diatoms, BMAA was added to two diatom species in culture, in concentrations corresponding to those earlier found in the diatoms. The results suggest that BMAA might induce a nitrogen starvation signal in diatoms, as was earlier observed in cyanobacteria. However, diatoms recover shortly by the extracellular presence of excreted ammonia. Thus, also in diatoms, BMAA might be involved in the nitrogen balance in the cell.

β-N-methylamino-l-alanine (BMAA) and isomers: Distribution in different food web compartments of Thau lagoon, French Mediterranean Sea

The neurotoxin BMAA (β-N-methylamino-l-alanine) and its isomer DAB (2,4-diaminobutyric acid) have been detected in seafood worldwide, including in Thau lagoon (French Mediterranean Sea). A cluster of amyotrophic lateral sclerosis (ALS), a neurodegenerative disease associated with BMAA, has also been observed in this region. Mussels, periphyton (i.e. biofilms attached to mussels) and plankton were sampled between July 2013 and October 2014, and analyzed using HILIC-MS/MS. BMAA, DAB and AEG (N-(2-aminoethyl)glycine) were found in almost all the samples of the lagoon. BMAA and DAB were present at 0.58 and 0.83, 2.6 and 3.3, 4.0 and 7.2 μg g−1 dry weight in plankton collected with nets, periphyton and mussels, respectively. Synechococcus sp., Ostreococcus tauri, Alexandrium catenella and eight species of diatoms were cultured and screened for BMAA and analogs. While Synechococcus sp., O. tauri and A. catenella did not produce BMAA under our culture conditions, four diatoms species contained both BMAA and DAB. Hence, diatoms may be a source of BMAA for mussels. Unlike other toxins produced by microalgae, BMAA and DAB were detected in significant amounts in tissues other than digestive glands in mussels.

Nouvelles stratégies pour l’analyse des cyanotoxines par spectrométrie de masse

Les cyanobactéries ont une place très importante dans les écosystèmes aquatiques et un nombre important d’espèces considéré comme nuisible de par leur production de métabolites toxiques. Ces cyanotoxines possèdent des propriétés très variées et ont souvent été associées à des épisodes d’empoisonnement. L’augmentation des épisodes d’efflorescence d’origine cyanobactériennes et le potentiel qu’ils augmentent avec les changements climatiques a renchéri l’intérêt de l’étude des cyanobactéries et de leurs toxines. Considérant la complexité chimique des cyanotoxines, le développement de méthodes de détection simples, sensibles et rapides est toujours considéré comme étant un défi analytique. Considérant ces défis, le développement de nouvelles approches analytiques pour la détection de cyanotoxines dans l’eau et les poissons ayant été contaminés par des efflorescences cyanobactériennes nuisibles a été proposé. Une première approche consiste en l’utilisation d’une extraction sur phase solide en ligne couplée à une chromatographie liquide et à une détection en spectrométrie de masse en tandem (SPE-LC-MS/MS) permettant l’analyse de six analogues de microcystines (MC), de l’anatoxine (ANA-a) et de la cylindrospermopsine (CYN). La méthode permet une analyse simple et rapide et ainsi que la séparation chromatographique d’ANA-a et de son interférence isobare, la phénylalanine. Les limites de détection obtenues se trouvaient entre 0,01 et 0,02 μg L-1 et des concentrations retrouvées dans des eaux de lacs du Québec se trouvaient entre 0,024 et 36 μg L-1. Une deuxième méthode a permis l’analyse du b-N-méthylamino-L-alanine (BMAA), d’ANA-a, de CYN et de la saxitoxine (STX) dans les eaux de lac contaminés. L’analyse de deux isomères de conformation du BMAA a été effectuée afin d’améliorer la sélectivité de la détection. L’utilisation d’une SPE manuelle permet la purification et préconcentration des échantillons et une dérivatisation à base de chlorure de dansyle permet une chromatographie simplifiée. L’analyse effectuée par LC couplée à la spectrométrie de masse à haute résolution (HRMS) et des limites de détections ont été obtenues entre 0,007 et 0,01 µg L-1. Des échantillons réels ont été analysés avec des concentrations entre 0,01 et 0,3 µg L-1 permettant ainsi la confirmation de la présence du BMAA dans les efflorescences de cyanobactéries au Québec. Un deuxième volet du projet consiste en l’utilisation d’une technologie d’introduction d’échantillon permettant des analyses ultra-rapides (< 15 secondes/échantillons) sans étape chromatographique, la désorption thermique à diode laser (LDTD) couplée à l’ionisation chimique à pression atmosphérique (APCI) et à la spectrométrie de masse (MS). Un premier projet consiste en l’analyse des MC totales par l’intermédiaire d’une oxydation de Lemieux permettant un bris de la molécule et obtenant une fraction commune aux multiples congénères existants des MC. Cette fraction, le MMPB, est analysée, après une extraction liquide-liquide, par LDTD-APCI-MS/MS. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et des concentrations entre 1 et 425 µg L-1 ont été trouvées dans des échantillons d’eau de lac contaminés du Québec. De plus, une analyse en parallèle avec des étalons pour divers congénères des MC a permis de suggérer la possible présence de congénères ou d’isomères non détectés. Un deuxième projet consiste en l’analyse directe d’ANA-a par LDTD-APCI-HRMS pour résoudre son interférence isobare, la phénylalanine, grâce à la détection à haute résolution. La LDTD n’offre pas de séparation chromatographique et l’utilisation de la HRMS permet de distinguer les signaux d’ANA-a de ceux de la phénylalanine. Une limite de détection de 0,2 µg L-1 a été obtenue et la méthode a été appliquée sur des échantillons réels d’eau avec un échantillon positif en ANA-a avec une concentration de 0,21 µg L-1. Finalement, à l’aide de la LDTD-APCI-HRMS, l’analyse des MC totales a été adaptée pour la chair de poisson afin de déterminer la fraction libre et liée des MC et comparer les résultats avec des analyses conventionnelles. L’utilisation d’une digestion par hydroxyde de sodium précédant l’oxydation de Lemieux suivi d’une purification par SPE a permis d’obtenir une limite de détection de 2,7 µg kg-1. Des échantillons de poissons contaminés ont été analysés, on a retrouvé des concentrations en MC totales de 2,9 et 13,2 µg kg-1 comparativement aux analyses usuelles qui avaient démontré un seul échantillon positif à 2 µg kg-1, indiquant la possible présence de MC non détectés en utilisant les méthodes conventionnelles.