XXVI. A importância das bactérias na Antártida

         As bactérias e as arqueas são microorganismos procariotos, isto é, sem núcleo constituído, e podem ser encontradas em quase todos os ambientes da Terra, das montanhas ao mar profundo, inclusive em condições extremas de temperaturas, salinidade, pH, etc.. Elas também fazem parte do bom funcionamento dos seres vivos. Por exemplo, no intestino humano, encontra-se uma grande concentração de bactérias que ajudam na digestão, na absorção dos nutrientes e na síntese de alguns compostos essenciais, como vitaminas. No ambiente, elas têm uma grande importância nos ciclos naturais dos principais elementos necessários para a vida, como do carbono e nitrogênio.

         O Oceano é considerado o ecossistema com maior taxa de produção celular do planeta e contém alta biomassa de bactérias e arqueas. Em oceano aberto, elas podem contribuir com até 40% do carbono planctônico e serem responsáveis por até 80% da produção primária. Além disso, elas são cerca de 100 vezes mais rápidas na absorção de nutrientes do que o fitoplâncton eucarioto. Esses microorganismos contribuem também com a base da rede trófica, em um importante processo chamado de alça microbiana. Nesse processo, as bactérias incorporam o carbono dissolvido, que não é utilizado por outros organismos, e os convertem em material particulado, disponibilizando tanto o carbono como outros nutrientes de volta para a rede trófica.

Modelo da alça microbiana de um ecossistema aquático (disponível em: http://www.esf.edu/efb/schulz/Limnology/Bacteria.html)

         Apesar das restrições que as baixas temperaturas trazem aos processos celulares, o Oceano Antártico possui grande abundância e diversidade de bactérias. As variações ambientais que ocorrem ao longo do ano são acompanhadas pela variação na composição da comunidade, havendo dominância de diferentes metabolismos e linhagens bacterianas conforme a época. No verão, blooms de algas unicelulares fixam uma grande quantidade de carbono. Parte dele, proveniente tanto dos restos celulares quanto de produtos excedentes da fotossíntese, permite o desenvolvimento de populações de bactérias heterotróficas, responsáveis pela alça microbiana. Em períodos quando a incidência solar diminui, há menor produção primária fotossintética e ausência de blooms fitoplanctônicos. Nessas épocas, a contribuição de bactérias e arqueas que fixam carbono por processos de quimiossíntese é muito importante.

         Alguns grupos de bactérias são extremamente importantes na quimiotrofia dos oceanos profundos, como é o caso das Deltaproteobacteria que são comuns em águas mesopelágicas em torno dos 3000m de profundidade da frente polar, na passagem de Drake. Análises genômicas indicaram que elas fixam carbono e oxidam enxofre, assim como compostos metilados. Outros grupos, por sua vez, exercem papel essencial na degradação de detritos e remineralização dos produtos da produção primária. Os indivíduos do gênero Flavobacteria, por exemplo, frequentemente representam a maior fração planctônica e formam comunidades que vivem fixadas em partículas orgânicas. Este grupo foi encontrado abundantemente em águas ricas em nutrientes e em organismos fitoplanctônicos das águas ao sul da frente Polar.

Dentre os organismos fototróficos das águas Antárticas, a importância do filo Cyanobacteria está sendo estudada mais recentemente, pois acreditava-se que esse grupo não tolerava as baixas temperaturas. Os gêneros Synechococcus e Prochlorococcus foram identificados na coluna d’água de diversos lagos de origem marinha, até mesmo os com temperaturas abaixo de 0ºC.

  • Continente: lagos


          No continente, mesmo que este pareça monótono e homogêneo, existe uma grande diversidade de comunidades microbianas, adaptadas a diferentes tipos de  ambientes e nichos. Não há somente gelo e terra na Antártida; há também vários lagos de diferentes origens. Mais de 3000 lagos se encontram na região de Vestfold Hills, por exemplo. Esses lagos  podem ter de 300 (Lago Miers) até cerca de 1,5 milhão de anos (Blood Falls) e sua idade e formação os concederam características muito variáveis. Encontramos desde lagos de água doce até de águas hipersalinas; lagos epiglaciais, formados na interface entre o gelo e a atmosfera, a lagos subglaciais, permanentemente cobertos por uma capa de gelo de maior ou menor espessura. Alguns deles podem ter uma cobertura de gelo no inverno e ficarem expostos no verão, assim como podem ter a coluna d’água estratificada ou não.

(Blood Falls: exudação de salina subglacial em um lago de 1,5 milhão de anos, Peter Rejcek, National Science Foundation)

         Toda essa diversidade é para a ciência um grande laboratório experimental natural, pois cada comunidade evoluiu e se adaptou às condições locais, bem como às fontes de energia e nutrientes disponíveis. As comunidades são compostas de bactérias, vírus e algas verdes. Elas estão distribuídas em toda a coluna d’água, da superfície até o fundo, onde podem se aglomerar e formar tapetes de associações de organismos. A escassez de recursos e as condições extremas encontradas em muitos desses lagos, trazem um grande impacto para as comunidades microbianas e afetam suas interações com o ambiente. O Lago Ace, de origem marinha, foi isolado do oceano a mais de 5 mil anos. Verificou-se que nele, o ciclo natural do nitrogênio foi encurtado devido a falta de algum grupo de bactérias que tenha o metabolismo necessário para o ciclo completo.

Lago Ace (http://www.antarctica.gov.au/living-and-working/stations/davis/this-week-at-davis/2014/28-february-2014/2)
  • Mar: Comunidades do gelo marinho


          Além do gelo acumulado sobre o continente e o gelo formado nos lagos, também existe o gelo formado pela água do mar, que pode ser altamente produtivo. Normalmente, ele é caracterizado por um contínuo de salinidade, pH e temperatura. Existem ainda, no gelo marinho, canais de salmoura formados pela exclusão de cristais de sal durante o congelamento, fornecendo mais um tipo de habitat para microrganismos (para mais detalhes sobre os canais de salmoura, leia o texto XVIII).

Técnicas moleculares evidenciaram que a comunidade microbiana do gelo marinho Antártico é similar à do Ártico. As bactérias e arqueas que vivem no gelo são, geralmente, diferentes das encontradas na coluna d'agua. Os eucariotos do gelo marinho são bastante diversificados, podendo ser fototróficos, heterotróficos e mixotróficos, dependendo da posição na coluna de gelo, da cobertura de neve, da intensidade de luz e suprimento de nutrientes. Assim como praticamente tudo na Antártida, a comunidade eucariótica de gelo marinho também é modulada pelas alterações sazonais.

Os microorganismos de gelo marinho também produzem compostos que interagem com a matriz de gelo para aumentar sua habitabilidade. Algas e bactérias produzem substâncias poliméricas extracelulares que podem ter efeito anticongelante, inibindo a recristalização no gelo e aumentando a retenção de sal, o que ajuda na retenção de ferro e nutrientes críticos para a atividade fotossintética.

  • Bactéria e Bentos


          Como já mencionado anteriormente, as bactérias têm papel fundamental na regeneração dos nutrientes, fazendo com que estes retornem à teia trófica. A alça microbiana também tem importância nas comunidades bentônicas. Estudos recentes utilizando uma inovadora técnica de análise com isótopos estáveis, demonstraram que em algumas regiões da Antártida, esse processo é especialmente interessante. Durante o verão ocorre o bloom de fitoplâncton e liberação das algas do gelo, e este material particulado (MOP – material orgânico particulado) afunda. O MOP, por ser pesado, afunda rapidamente e é pouco degradado na coluna d'água, chegando ao substrato em grande quantidade. Sem a presença das bactérias remineralizadoras, este rico material orgânico seria desperdiçado. A ação das bactérias permite que haja disponibilidade de recursos durante todo o ano, mesmo nos períodos nos quais a baixa luminosidade acarreta em reduzida produção primária na coluna d’água. Dessa forma, a comunidade bentônica tem uma oferta constante de nutrientes durante todas as estações, fato que justifica sua abundância.

  • Mudanças globais e perspectivas


         Pesquisas estão sendo realizadas para descobrir se eventos como bloom fitoplanctônico e mudanças sazonais afetam a composição e o papel da comunidade microbiana. Nos próximos anos deve haver grande avanço no estudo das mesmas e de suas respostas à perturbação do ecossistema. A comunidade da interface gelo/água, por exemplo, vem sendo estudada como modelo para estimar qual a contribuição do gelo marinho para o clima, frente às mudanças globais. As alterações que podem ocorrer na Antártida terão, provavelmente, grandes consequências ecológicas tanto para microrganismos como para toda fauna.

Leituras Sugeridas:

Cavicchioli, R. 2015. Microbial ecology of antarctic aquatic systems. Nature Reviews Microbiology, v. 13: p. 691-706.

Luria, C. M.; Amaral-Zettler, L. A.; Ducklow, H. W.; Rich, J. J. 2016. Seasonal Succession of Free-Living Bacterial Communities in Coastal Waters of the Western Antarctic Peninsula. Frontiers in Microbiology, v. 7: a. 1731.

Martín, R.; Miquel, S.; Ulmer, J.; Kechaou, N.; Langella, P.; Bermúdez-Humarán, L.G. 2013. Role of commensal and probiotic bacteria in human health: a focus on inflammatory bowel disease. Microb. Cell Fact. 12, 71. doi:10.1186/1475-2859-12-71

Mincks, S. L.; Smith, C. R.; Jeffreys, R.M.; Sumida, P.Y.G. 2008. Trophic structure on the West Antarctic Peninsula shelf: Detritivory and benthic inertia revealed by 𝛅13C and 𝛅15N analysis. Deep-Sea Research II, v.55: p. 2501-2514.

Wilkins, D.; Yau, S.; Williams, T.J.; Allen, M.A.; Brown, M.V.; DeMaere, M.Z.; Lauro, F.M.; Cavicchioli, R.  2013. Key microbial drivers in Antarctic aquatic environments. FEMS Microbiology Reviews, v. 37: p. 303-335.

Autores: Ivan Gonçalves de Castro Ferreira, Amanda Martinelli, Carolina C. Medeiros, Hevelim Serrão de Lima, Laura Busin Campos, Morgan Danielo

Coordenador: Vicente Gomes - IOUSP

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