Using SAR Methodology for Identification of Freshwater Macrophyte Allelochemicals with High Anti-Cyanobacterial Effect against Planktonic Cyanobacteria

Abstract

Controlling harmful cyanobacterial “blooms” through developing a new generation of algaecides based on allelochemical substances is a challenge facing modern aquatic ecology and biotechnology. The present article is devoted to the use of the SAR (Structure-Activity-Relationship) information technology to identify allelochemicals from aquatic macrophytes (floating-leaved Nuphar lutea (L.) Sm. and several species of submerged macrophytes: Ceratophyllum demersum L., Myriophyllum spicatum L., Elodea canadensis Michx, and species of the genus Potamogeton) effective against planktonic cyanobacteria. Detection and identification of compounds were performed using gas chromatography-mass spectrometry. The PASS (Prediction of Activity Spectra for Substances) computer program has been applied to predict biological activity spectra of the major components of macrophyte metabolomes and discover their ecological potential against cyanobacteria. A study of the biological activities of major low-molecular-weight organic compounds showed that monocarboxylic acids, gallic acid, cis‑6-octadecenoic acid, cis‑9-octadecenoic acid, palmitoleic acid, linolenic acid, and 9-cis‑12-cis-linoleic acid are the most promising compounds for the experimental verification and creation of nature-like algaecides of a new generation. PASS predictions were successfully compared to the available information on the biological activity of those compounds and confirmed experimentally. The present study shows that some organic acids significantly inhibit the growth of Synechocystis aquatilis Sauvageau and Aphanizomenon flos-aquae Ralfs ex Bornet and Flahault and can be used as algaecides for suppression of cyanobacteria. The inhibitory effect of the combined mixture of these allelochemicals is stronger than the effect of each individual component, suggesting that there are various mechanisms of cyanobacterial growth inhibition

Проблема борьбы с опасными цианобактериальными «цветениями» посредством разработки нового поколения альгицидов, основанных на аллелохемиках растений, актуальна на современной стадии развития водной экологии и биотехнологии. Статья посвящена использованию информационной технологии SAR (cвязь структура – активность) для выявления эффективных аллелохемиков водных макрофитов (с плавающими листьями – Nuphar lutea (L.) Sm., и нескольких видов погруженных макрофитов: Ceratophyllum demersum L., Myriophyllum spicatum L., Elodea canadensis Michx и виды рода Potamogeton) против планктонных цианобактерий. Обнаружение и идентификацию соединений проводили с использованием метода газовой хромато-масс- спектрометрии. Компьютерная программа PASS (прогнозирование спектров активности для веществ) была применена для прогнозирования спектров биологической активности мажорных компонентов метаболома макрофитов, чтобы обнаружить их экологический потенциал против цианобактерий. Изучение биологической активности основных низкомолекулярных органических соединений показало, что монокарбоновые кислоты, галловая кислота, цис‑6-октадеценовая кислота, цис‑9-октадеценовая кислота, пальмитолеиновая кислота, линоленовая кислота и 9-цис‑12- цис-линолевая кислота являются наиболее перспективными соединениями для экспериментальной проверки и создания природоподобных альгицидов нового поколения. Прогнозные оценки PASS были успешно сопоставлены с доступной информацией о биологической активности этих соединений, а также подтверждены экспериментально. Было показано, что некоторые жирные кислоты значительно ингибировали рост Synechocystis aquatilis Sauvageau и Aphanizomenon flos-aque Ralfs ex Bornet and Flahault и могут использоваться в качестве альгицидов для подавления цианобактерий. Поскольку ингибирующий эффект комбинированной смеси аллелохемиков был сильнее, чем у отдельных компонентов, имеются основания предполагать, что существуют различные механизмы ингибирования роста цианобактерий