Classification of Algae Diatoms stoneworts Chlorophyta/ green algae

15 Pages·2013·1.46 MB·English

Classification of Algae
• Diatoms are traditionally 
divided into twoorders:
• centricdiatoms 
(Centrales), which are 
radiallysymmetric
• pennatediatoms 
(Pennales), which are 
bilaterally symmetric.
stoneworts
The broad algae classification includes:
• Bacillariophyta –diatoms
• freshwateralgaein the 
• Charophyta –stoneworts
divisionCharophyta
• Chlorophyta –green algae
• macroscopicthalligrowi
• Chrysophyta –golden algae
ng up to 120cm long, 
• Cyanobacteria –blue‐green they are branched, 
• Dinophyta –dinoflagellates multicellular
• Phaeophyta –brown algae • can become encrusted 
• Rhodophyta –red algae in lime
Diatoms
Chlorophyta/ green algae
•encased within a unique
cell wall made ofsilica • include unicellular and 
called afrustule colonialflagellates
•found in theoceans,
infreshwater, insoils • twoflagellaper cell, as well as 
•belong to a large group various colonial, coccoid, and 
called theheterokonts
•Their yellowish-brown filamentous forms, and 
chloroplastsare typical of macroscopicseaweeds
heterokonts, with
• chlorophyllsaandb, giving them 
fourmembranesand
containingpigmentssuch a bright green color
as the carotenoid • stackedthylakoids
fucoxanthin
• mitochondriawith flat cristae
Chrysophyta – golden algae
• mostly in freshwater
• unicellularflagellates
• no cell covering
• pigmentfucoxanthin
• facultatively 
heterotrophic
• Can be naked(Noctiluca)or armoured 
Cyanobacteria
(Protoperidinium)
• thick celluloseplateswith boundingsutures
• Blue‐green algae
• Bioluminescence (noctiluca)
• oceans, fresh water ‐even bare 
rock and soil
• thick, gelatinouscell wall
• No flagella, move by gliding or 
oscillation
• colour from the bluish pigment 
phycocyanin
Dinophyta/dinoflagellates Phaeophyta/Brown algae
• Unicellular • greenish‐brown colored algae
• 2 flagella, one trails behind cell  • contain fucoxanthin, beta carotene 
and chlorophyll a and c
(longitudinal flagellum) and other 
• Multicellular
encircles the cell at right angles 
• Mainly marine
(transverse flagellum, in 
• cell walls are composed of 
cingulum, ribbon‐like)
cellulose and alginic acid
• Xanthophyll pigment  • extraction of iodine, alginic acid 
• Produce toxins and potash
• Marine and freshwater • laminaria is cultivated on man‐
made algal ponds (using ropes) for 
• mixotrophic, combining  the production of food 
photosynthesis with ingestion of  supplements
prey
Rhodophyta/Red algae
• the physical presence of so many cells may 
suffocate fish by clogging or irritating the gills.
• Multicellular
• when the densely concentrated algal cells die 
• Marine, eukaryotic off, the decay process, assisted by bacteria, 
• Phycobilins give red  can deplete the water of oxygen, which in 
colour turn can lead to the death of oxygen‐
• used as food, nori in  dependent marine creatures.
Japan, Dulse in Ireland • some algal species produce deadly toxins 
which directly kill the animals that ingest the 
poisons. 
Harmful algal blooms
•Analgal bloomis a rapid increase or accumulation in the 
population in an aquatic system
•freshwater as well as marine
•only one or a small number ofphytoplanktonspecies are involved
•discoloration of the water may results from the high density of  A spectacular “red tide”
pigmented cells
•Algal blooms are often green, but they can be as yellow‐brown or  bloom (non‐toxic) of
red, depending on the species of algae. Noctiluca scintillans
•Bright green blooms are a result ofcyanobacteriasuch 
asMicrocystis in New Zealand
•harmful algal blooms(HABs), algal bloom events involving toxic or 
otherwise harmful phytoplankton such asdinoflagellatesof 
thegenusAlexandriumandKarenia, ordiatomsof the 
genusPseudo‐nitzschia. 
•Such blooms often take on a red or brown hue and are known 
colloquially asred tides.
Dead fish from 
aKarenia 
brevisbloom in 
Texas. At high 
concentrations, 
toxins produced by 
this organism can 
cause massive fish 
kills.
EXAMPLES OF MARINE BIOTOXINS
Human Health Impact Toxigenic PhytoplanktonPrimary Toxin
Unnamed poisoning Pfiesteria piscicidaand Unidentified toxins HARMFUL ALGAL BLOOMS IN 
related species
Amnesic Shellfish Poisoning SgepneucisePs soefu tdhoe- dniiatztoscmh ia Domoic acid SOUTH AFRICA
NPoeiusroontionxgic Shellfish Gymnodinum breve Brevetoxin •The Benguela system is characterised by upwelling 
Alexandriumspp.,Gymnodin circulation. 
Paralytic Shellfish Poisoning ium catenatum, Saxitoxins
Pyrodiniumspp. •Harmful Algal Blooms [HABs] are common 
Species of the dinoflagellate •harmful impacts are most often ascribed to dinoflagellate 
genusDinophysis;species of
Diarrhetic Shellfish Poisoningthe dinoflagellate Okadaic acid species
genusProrocentrumhave
also been implicated •associated with either their high biomass or the 
PrimarilyGambierdiscus toxigenicity. 
toxicus,a benthic •blooms impact both commercial and recreational interests 
dinoflagellate, but
Ciguatera Fish Poisoning alsoProrocentrum, Ciguatoxin/Maititoxin •causing fish kills, contaminating seafood with toxins, or 
Ostreopsisspp.,Coolia
monotis, altering ecosystems in ways that are perceived by humans 
Thecadiniumsp.,Amphidiniu as harmful.
m carterae
Pfiesteria
• micropredation
• Pfiesteriais a genus ofheterotrophicdinoflagellatesthat has been 
associated withharmful algal bloomsand fish kills.
• Pfiesteriaacts as an "ambush predator" and utilizes a "hit and run" 
feeding strategy by releasing a toxin that paralyzes the respiratory 
systems of susceptible fish, such asmenhaden, thus causing death 
bysuffocation. It then consumes the tissue sloughed off its dead prey
• non‐toxic forms of the Pfiesteria feed on the algae and bacteria 
• Pfiesteria becomes toxic in the presence of fish, particularly schooling fish 
like menhaden, triggered by their excrement in the water
• conditions that support an Pfiesteria outbreak are 1) warm water Discolouration of an inner basin of Cape Town Harbour in 
temperatures of about 70 degrees F, 2) High levels of Phosphorous,  November 2003 was caused by a bloom of the toxic 
Ammonium (NH4), and suspended solids, 3) moderate to low salinity  dinoflagellateAlexandrium minutum.
levels, 4) increased rainfall or runoff, and 5) the presence of fish in  This species is known to produce paralytic shellfish poisoning 
particularly large numbers. Massive increases in the nontoxic flagellated  toxins and the bloom persisted in the harbour for several 
stage have been observed where there are phosphorous enriched waters weeks. This was the first record of this species on the South 
African coast
• high biomass dinoflagellate blooms lead to 
low oxygen events and in some cases the 
production of hydrogen sulphide, 
• red tides cause fluctuations in fish stocks in 
the Benguela. 
• Monitoring has indicated that the distribution 
of these blooms is typically associated with 
the upwelling system, with few red tides 
reported east of Cape Agulhas [Pitcher and 
Calder, 2000].
• the Benguela is characterized by a variety of 
toxic microalgae 
• The northern Benguela is characterised by the 
fish‐killing dinoflagellate Karlodinium micrum
• Another fish‐killing dinoflagellate is the newly 
described speciesKarenia cristata
Bright green discolouration of the waters of Saldanha Bay in 
January 2003 was of concern to port authorities. Investigations  • also responsible for large abalone mortalities 
determined that the bloom was dominated by an unknown species  in the 1980s.
ofTetraselmis.Although these blooms show no signs of toxicity 
and pose no serious threat they are often considered aesthetically 
unpleasant and are in many cases perceived to be associated with
eutrophied or polluted waters. For this reason blooms such as 
these have significant negative effects on the recreational usesof 
coastal areas.
• Anoxia in continental shelf waters may be  Karenia, a toxic unarmoured
ascribed to the advection of oxygen‐deficient  dinoflagellate
water from a remote source and from in situ 
formation.  • Karenia brevisulcataproduces an aerosol 
toxin responsible for respiratory and skin 
• In the southern Benguela, in situ formation 
disorders.
resulting from the degradation of organic‐rich 
material derived from phytoplankton blooms is 
generally thought to be the controlling factor. 
• The inshore decay of red tides after the 
exhaustion of nutrients has in many instances 
been responsible for marine mortalities as a 
consequence of oxygen depletion.
Karenia brevis
In March 1994 large marine mortalities were experienced in St Helena Bay on the South African 
west coast as a consequence of hydrogen sulphide poisoning. Thisfollowed the decay of a red  • Produces brevitoxin
tide dominated by the dinoflagellatesCeratium furcaandProrocentrum micans.Oxygen 
concentrations were maintained at less than 0.5 ml.l‐1 in the bottom waters of the Bay and  • responsible for large die‐offs of marine organisms and 
hydrogen sulphide, generated by anaerobic bacteria in the absence of dissolved oxygen, was  seabirds
recorded in excess of 50 μmol.l‐1. Although common in the northern Benguela, this was the first 
recorded case of hydrogen sulphide poisoning in the southern Benguela.
Karenia mikimotoi (hemolysins)  Akashiwo sanguinea (ichthyotoxic) 
• •can kill larval oysters and 
• mortalities of invertebrates  clams 
• •inhibits growth of molluscs  • •occasionally associated with 
fish kills 
• •fish mortalities in the wild 
and in aquaculture  • •water quality 
• •pathology, asphyxiation  • •low dissolved oxygen 
• •osmotic shock  • •produces surfactants 
associated with bird and fish 
kills 
• phytoplankton belonging to other groups 
known to produce toxins are common in the 
Benguela. 
• The raphidopyteHeterosigma 
akashiworenowned for its ichthyotoxic 
properties has, for example, been observed to 
bloom in the northern and southern 
Benguela. 
• Only recently have fish mortalities in the 
Benguela been associated with this species.
Karlodinium micrum
Heterosigma akashiwohave 
two flagella, 
• Produces Karlotoxins,lethal to fish one of which is used for 
swimming. 
• damaging to the gills 
Cells contain many yellow 
• serves to stun prey before ingestion  green chloroplasts.
Mixotrophic, ingest bacteria
• A. catenellaappears almost every year, typically during 
the latter part of the upwelling season.
• A. catenellain the Benguela can be found at 
exceedingly high cell concentrations of many million 
cells l‐1 
The first fish mortality in the Benguela attributed toHeterosigma akashiwowas  • these blooms not only render shellfish toxic to 
observed in Saldanha Bay in March 2004. High concentrations of this raphidophyte  consumers, but are also seemingly responsible for fish 
caused a yellow brown discolouration of the water, and although the mortalities were  and shellfish mortalities [Pitcher and Calder, 2000].
not particularly extensive large shoals of disorientated fish were observed in shallow 
water [Photographs –©J. de Goede].
• One major category of public health impact from HABs 
occurs when toxic phytoplankton are filtered from the 
water by shellfish such as clams, mussels, oysters and 
scallops, which then accumulate the algal toxins to levels 
that are potentially lethal to humans and other consumers. 
• Of particular concern in the Benguela are the shellfish 
poisoning syndromes known as Paralytic (PSP) and 
Diarrhetic (DSP) Shellfish Poisoning.
• In the southern Benguela, blooms ofAlexandrium 
catenella, responsible for PSP are common
• accumulateneurotoxins, calledSaxitoxin • can exist singularly
• Symptoms can appear ten to 30 minutes after ingestion,  • tend to form chains (2, 4 or 8 individuals long). 
and includenausea,vomiting,diarrhea,abdominal  • Cells are armoured, semicircular (longer in width than 
pain,tingling or burninglips, gums, tongue, face, neck,  length), anterio‐posteriorly compressed, with a rounded 
arms, legs, and toes.[1]Shortness of breath,dry mouth, a  apex and a slightly concave antapex. 
choking feeling,confused or slurred speech, andloss of  • The apical pore plate (po) houses the characteristic 
fishhook shaped foramen. 
coordinationare also possible
• A. catenalla has yellow green to orange‐brown 
chloroplasts and a U‐shaped nucleus 
• Forms a resting cyst as part of its lifecycle.
• PSP has been implicated as a possible cause 
ofsea ottermortalityandmorbidityin Alaska, as 
one of its primary prey items, the 
butterclam(Saxidonus  • Dormant cysts ofA. catenellaare able to settle 
giganteus)bioaccumulates saxitoxin as a  to the seafloor and can survive there for 
chemical defense mechanism.[5]In addition,  several years. When favourable conditions 
ingestion of saxitoxin‐containingmackerelhas 
return, cysts are able to germinate and 
been implicated in the death ofhumpback 
reinoculate the water with vegetative cells 
whales[6]
that can again bloom.
• The full northern extent ofAlexandrium 
catenellais not clearly defined, but it is known to 
extend into southern Namibia
• another toxicAlexandriumspecies has recently 
been isolated from the Western Agulhas Bank
• Pseudo‐nitzschia, known to cause Amnesic Shellfish 
Diarrhetic (DSP) Shellfish Poisoning
Poisoning
• Amnesic shellfish poisoning(ASP) is a human illness caused 
by consumption of the marine biotoxin domoic acid.
• DSP symptoms occur half an hour after  • This toxin is produced naturally by 
ingesting infected shellfish marinediatomsbelonging to the genusPseudo‐
nitzschiaand the speciesNitzschia navis‐varingica. 
• The causative poison isokadaic acid, which  • the toxin canbioaccumulatein manymarineorganisms 
that consumephytoplankton, such asanchovies, 
inhibits intestinal cellular de‐phosphorylation.
andsardines
• This causes the cells to become very  • domoic acid acts as aneurotoxin, causing permanentshort‐
term memory loss,brain damage, and death in severe 
permeable to water and causes profuse  cases
diarrhea with a risk of dehydration.  • no trace of the toxin domoic acid has been found in 
cultures of this species and no form of shellfish poisoning 
has been associated with these blooms in South Africa
• in the Benguela is DSP, usually attributable  Pseudo‐nitzschiais 
a chain forming 
toDinophysis acuminataorDinophysis fortii.
pennate diatom.
• okadaic acid identified as the primary toxin
• In 1991, examination of the stomach contents 
of dead seabirds found along the beaches of 
Monterey Bay, California revealed high levels 
of domoic acid. 
• The birds had been eating anchovies which 
had been consumingPseudo‐nitzschia.
• In 1998, sea lion deaths on the California 
•Dinophysid dinoflagellate
coast also were associated with domoic acid, 
•shape round to triangular, 
which entered the food chain via toxigenic 
•extended with projections or 
diatoms, which were eaten by anchovies that 
spines;
in turn were eaten by the sea lions.
•two main hypothecal plates are 
often ornamented.
Aquaculture • HABs can cause serious economic losses in 
aquaculture if they kill cultured organisms or 
• Harmful algal blooms also can threaten  cause consumers concern about food safety
theaquacultureindustry. 
• Toxic algal blooms caused $38 million dollar 
• For example, unpredictable and destructive 
loss to commercial abalone farmers
blooms of the small flagellateHeterosigmahave 
threatened the commercial farmed salmon 
industry 
• Heterosigma blooms also have destroyed some 
captive populations of threatened and 
endangered salmon being raised innet 
pensbefore their release to the wild.
Algal bloom kills millions of abalone 
Pond Aquaculture
in E China
• Algal toxins can cause problems in the 
freshwater aquaculture of both vertebrates 
(fish) and invertebrates (shellfish). 
• Such problems include:
• • off‐flavor 
• • indirect toxicity through changes in water 
quality 
• • direct toxicity
• Some algae are toxic only at very high densities, while 
others can be toxic at very low densities Cyanobacteria
• filter‐feeding shellfish (clams,mussels, oysters, 
scallops) feed on toxic phytoplankton and accumulate 
• produce substances that cause taste and odor problems in 
harmful toxins that are passed up the food chain;
water supplies and aquacultural products 
• fish, shellfish, birds and even mammals are killed by  • Anabaena and Microcystis
eating organisms that have consumed algal  • Cyanobacteria can colonize and rapidly grow to great 
toxins; masses in aquaculture ponds
• light cannot penetrate the water, thus changing the  • nutrient status, salinity or ionic strength, light conditions, 
turbulence and mixing, temperature and herbivory
function and structure of the aquatic ecosystem;
• Cyanobacteria can affect the production of zooplankton 
• discoloration makes water aesthetically unpleasant; and consequently the production of fish. 
• the decaying biomass of a bloom depletes dissolved  • They also produce allelochemicals that can inhibit 
oxygen (especially critical in aquaculture);  competing algae and invertebrate grazers
• blooms kill other algae important in the food web • toxins (both neurotoxins and hepatotoxins) affect 
zooplankton
• Cyanobacteria can rapidly overtake an 
Treatment
aquaculture pond and contribute to unstable 
conditions. 
• Algicide
• Cyanobacteria blooms can decrease fish 
• physical mixing and aeration
production and kill fish due to oxygen 
depletion.  • flushing to decrease hydraulic retention time
• Cyanobacteria can also cause off‐flavor and  • decreasing or altering nutrient content and 
objectionable odour in fish. composition
Microcystis
Cyanotoxins Prymnesiophytes
• dermatotoxins are produced primarily by benthic  • Haptophyte
cyanobacteria, damageskin,mucous  • form harmful blooms usually in brackish water
membranes, often leading tonecrosis • responsible for fish kills
• most cyanotoxins are either neurotoxins • produces ichthyotoxin, cytotoxin and hemolysin
(anatoxin‐a & saxitoxin) causing rapid paralysis of  • contain chlorophylls a and c as well as yellow‐brown 
the peripheral skeletal and respiratory muscles or  accessory pigments (Called golden algae)
hepatotoxins (microcystins) symptoms of  • Bloom density does not correlate strongly with toxicity
poisoning in fish include flared gills because of  • toxicity may be enhanced by temperature lower than 
difficulty breathing and weakness or inability to  30 ºC, pH greater than 7.0 and high phosphate 
swim concentration
Monitoring and diagnosing the 
Signs of intoxication
problem
• While not all blooms of toxin‐producing cyanobacteria  • Dense growths of Prymnesium parvum may color the 
result in toxin production, most do water yellow to copper‐brown or rust.
• onset of toxicity will be rapid • water may foam if aerated or agitated
• fish behave erratically, accumulate in the shallows and 
• To confirm the problem, fresh samples (unpreserved) 
try to leap from the water to escape the toxins
of the water containing the suspected cyanobacteria 
• fish may have evident blood in gills, fins and scales and 
will need to be examined
may be covered with mucus
• A sample of both sick and dead fish will also be  • If fish are removed to uncontaminated water in the 
needed, along with information on fish behavior and  early stages of intoxication, their gills can recover 
any other symptoms observed. within hours but growth will be affected if they survive
• Young fish are generally more sensitive than older fish. • Aquatic insects, birds and mammals are not affected 
by P. parvum toxin