Avaliação taxonômica e funcional da comunidade bacteriana nos sedimentos do Rio Juliana- Apa do Pratigi, Bahia, Brasil

Abstract

As comunidades microbianas dos sedimentos são as responsáveis diretas pelos ciclos biogeoquímicos que sustentam os ecossistemas. Portanto, é imperativo estudar variações naturais na diversidade estrutural e funcional dessas comunidades e distingui-las dos efeitos causados pelos impactos ambientais. Esse estudo foi realizado com amostras de sedimento do Rio Juliana, Bahia, que escoa por uma área de proteção ambiental de Mata Atlântica, um bioma antropogenicamente ameaçado cuja área original já sofreu redução de 89%. Neste trabalho, amplicons do gene 16S rRNA são usados para descrever os perfis taxonômicos e prever características funcionais das comunidades procarióticas no ambiente. Sedimentos foram coletados na nascente, no vale e em duas áreas de manguezal, uma considerada natural e a outra localmente impactada por esgoto doméstico. Foram realizados experimentos de laboratório com sedimento de nascente para qualificar o impacto do glifosato (pesticida) e do óleo bruto no ciclo biogeoquímico do nitrogênio. Os resultados revelaram variações na biodiversidade procariótica induzidas por fatores naturais e por interferência antrópica. A biodiversidade natural diminui na direção do curso do rio, da cabeceira para o estuário. Observou-se a prevalência de Proteobacteria e Firmicutes nos sedimentos naturais, em todas as áreas do rio. Ao longo do curso do rio, observou-se a substituição de filos prevalentes nos ambientes de água doce, como Bacteroidetes e Verrucomicrobia, por filos prevalentes em sedimentos costeiro, como Crenarchaeota. Os potenciais funcionais correlacionaram-se positivamente com a biodiversidade, com exceção da fotossíntese, com tendência inversa. O impacto ambiental (esgoto, glifosato ou óleo) ocasionou mudanças estruturais e funcionais distintas nas comunidades. A presença de esgoto nos sedimentos dos manguezais levou ao aumento da biodiversidade, porém, favorecendo a colonização de táxons exógenos e associados à patogenicidade. Observou-se, também, uma expressiva diminuição de táxons nativos do manguezal natural, como Firmicutes e Planctomycetes, que contém os organismos responsáveis pelo processo anammox, impactando no ciclo do nitrogênio. A área de mangue também mostra variações estruturais que se correlacionam com as zonas de maré, devido a fatores ambientais como matéria orgânica e salinidade. Os experimentos indicaram que o consumo de nitrato em sedimentos não impactados foi de 0,90 mg/L/min. A adição de óleo e glifosato reduziu essa taxa de consumo em 15% e 50%, respectivamente. Portanto, o impacto causado pelo pesticida foi maior na atividade de transformação do nitrogênio. Após 7 dias de incubação, observou-se um aumento de biodiversidade de procariotos nos sedimentos tratados com glifosato, em comparação com o controle, indicando que a comunidade se beneficiou deste composto. O tratamento com óleo causou uma grande diminuição na biodiversidade procariótica nos sedimentos, indicando um possível grau de toxicidade para a maioria dos organismos. O filo Firmicutes demonstrou sensibilidade às mudanças causadas pelo processo de incubação, diminuindo expressivamente em todos os tratamentos após 7 dias, de modo que o grupo prevaleceu apenas em condições não impactadas. Filos Proteobacteria e Acidobacteria, principalmente a família Corynebacteriaceae, dominaram os sedimentos expostos ao óleo, sendo possivelmente os principais grupos hidrocarbonoclásticos nas amostras. Os perfis funcionais dos sedimentos impactados sugerem que a maioria dos metabolismos pode ser mantida devido à redundância funcional destas comunidades. Grande variedade de táxons contribuem para as rotas metabólicas, sugerindo que os sedimentos com maior biodiversidade apresentam também maior resiliência frente a impactos antrópicos.

Microbial communities in sediments are directly responsible for the biogeochemical cycles that sustain ecosystems. Therefore, it is imperative to study natural variations and distinguish them from the effects caused by environmental impacts on the structural and functional diversity of these communities. This study was carried out with sediment samples from the Juliana River, Bahia, which flows through an environmental protection area of the Atlantic Forest. This is an anthropogenically threatened biome whose original area has already been reduced by 89%. In this work, amplicons from the 16S rRNA gene are used to describe the taxonomic profiles and predict the functional characteristics of the prokaryotic communities. Sediment collections were carried out in the source, valley and in two mangrove areas, one natural and the other locally impacted by domestic sewage. Laboratory experiments were carried out with samples of sediments from the source, to qualify the impact of glyphosate (pesticide) and crude oil on the biogeochemical cycle of nitrogen. The results revealed variations in prokaryotic biodiversity either induced by natural and anthropic factors. In natural sediments, biodiversity decreases in the direction of the river flow, from the head to the delta. The prevalence of Proteobacteria and Firmicutes in natural sediments was observed for all areas of the river. Along the course of the river, the replacement of phyla prevalent in freshwater environments, such as Bacteroidetes and Verrucomicrobia, by phyla prevalent in coastal sediments, such as Crenarchaeota was observed. The functional potentials correlated positively with biodiversity, except for the for photosynthesis, with opposite trend. Environmental impacts (sewage, glyphosate or oil) result in distinct structural and functional changes. The presence of sewage in the mangrove sediments leads to an increase in biodiversity, however, it favors the colonization of exogenous taxa associated with pathogenicity. There is also a significant decrease in some native mangrove taxa, including Firmicutes and the Planctomycetes group, which are responsible for the anammox process, thus impacting the nitrogen cycle. The mangrove area also shows variations that correlate with the tidal zones and environmental variables such as organic matter and salinity. Experiments indicated that nitrate consumption in non-impacted sediments was 0.90 mg/L/min. The addition of oil and glyphosate reduced this consumption rate by 15% and 50%, respectively. Therefore, the impact caused by the pesticide was greater on the nitrogen transformation activity. After 7 days of incubation, there was an increase in the biodiversity in the sediments treated with glyphosate, compared to the control, indicating that the community benefited from this compound. The oil treatment caused a great decrease in the prokaryotic biodiversity in the sediments, indicating a possible degree of toxicity for most organisms. The Firmicutes phylum also showed sensitivity to changes caused by the incubation process, decreasing significantly in all treatments after 7 days, prevailing only in non-impacted conditions. Proteobacteria and Acidobacteria, mainly the family Corynebacteriaceae, dominated the sediments exposed to crude oil, possibly being the main hydrocarbonoclastic groups in the samples. In general, the functional profiles of sediments exposed to disturbances suggest that most metabolisms can be maintained due to the functional redundancy of these communities. A variety of taxa contributed to the different metabolic pathways, suggesting that sediments with greater biodiversity also have greater resilience against anthropic impacts.