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Type: Dissertação de Mestrado
Title: Dinâmica temporal das cianobactérias em um reservatório urbano hipereutrófico: uma abordagem morfológica e molecular
Authors: Naíla Barbosa da Costa
First Advisor: Alessandra Giani
Abstract: As cianobactérias se destacam dentro do fitoplâncton como um grupo de organismos favorecido por condições de eutrofização do sistema aquático. Devido à produção de toxinas por diversas espécies de cianobactérias, sua proliferação altera a qualidade dos recursos hídricos, frequentemente inviabilizando o uso ou consumo humano. Além disso, promove mudanças nas diversas interações ecológicas existentes dentro de um ecossistema aquático e, por isso, sua prevenção e controle são de extrema relevância. O reservatório da Pampulha, conhecido como lagoa da Pampulha e localizado na cidade de Belo Horizonte (MG), é um pequeno reservatório urbano, que vem sofrendo um longo processo de eutrofização em função do recebimento contínuo de esgotos doméstico e industrial. O grande aporte de nutrientes no reservatório tem favorecido o aparecimento de florações de cianobactérias ao longo do ano, tornando necessários estudos que visem a acompanhar a dinâmica dessas comunidades. Este trabalho teve por objetivo: (1) avaliar a dinâmica da comunidade de cianobactérias no reservatório da Pampulha ao longo de três anos, visando a detectar os fatores que favorecem as espécies dominantes e sua alternância e (2) estudar a diversidade intraespecífica de uma das espécies formadoras de floração, Cylindrospermopsis raciborskii, em dois períodos distintos, uma vez que a existência de variabilidade genética poderia favorecer sua dominância. Para atender ao objetivo 1, foram feitas amostragens mensais no decorrer dos anos de 2010 a 2012 no reservatório da Pampulha, avaliando características físicas e químicas da água, bem como a comunidade de cianobactérias, por meio da abordagem morfológica e molecular. Foram feitas contagens das comunidades de todas as amostras utilizando a técnica de Utermöhl (1958) e, posteriormente, a Análise Automatizada do Espaçador Intergênico Ribossomal (ARISA) foi realizada para treze amostras mais representativas do período estudado. Ambas as abordagens detectaram três florações distintas em diferentes momentos: uma provocada por C. raciborskii (Nostocales) predominantemente no período chuvoso, outra provocada pelas Chroococcales Microcystis aeruginosa e Sphaerocavum brasiliense ao final do período seco e a floração de Planktothix isothrix (Oscillatoriales) no final de 2012, cujo aparecimento modificou o padrão de alternância entre Nostocales e Chroococcales no reservatório. O Escalonamento Multidimensional Não-Métrico (NMDS) e a Análise de Similaridade (ANOSIM) resultaram numa clara separação entre o período chuvoso e seco para as 36 amostras de fitoplâncton, sugerindo que as mudanças nos parâmetros ambientais entre as estações possam resultar em modificações na composição da comunidade de cianobactérias. A Análise dos Componentes Principais (PCA) revelou forte correlação entre a biomassa de C. raciborskii e o aumento da temperatura, resistência da água, concentração de nitrito e precipitação total. As espécies de Chroococcales, pelo contrário, parecem ser desfavorecidas em períodos de estratificação, enquanto a dominância de Oscillatoriales apresentou correlação positiva com concentrações de fósforo total e amônia. A abordagem molecular por meio do ARISA permitiu maior robustez ao estudo, uma vez que se mostrou mais eficiente do que a análise microscópica na diferenciação de espécies proximamente relacionadas. A precisão e rapidez do ARISA são fatores que contribuem para sugerir esse método como uma boa opção para estudos de monitoramento ambiental. A fim de atender ao objetivo 2, duas amostras de períodos de floração no reservatório foram escolhidas, na primeira C. raciborskii representava praticamente 100% do biovolume total e na segunda existia em codominância com Chroococcales. A variabilidade genética do espaçador transcrito intergênico (ITS), entre o 16S rRNA e o 23S rRNA, nas populações de C. raciborskii foi estudada por meio da análise de restrição do DNA amplificado e por meio do Sequenciamento de Nova Geração (NGS). Ambas as abordagens demonstraram haver maior variabilidade no período da floração monoespecífica de C. raciborskii, sugerindo que a pressão por competição com outra espécie leve à redução da diversidade dentro da população. A existência dessa variabilidade é um forte indício de que ecotipos diferentes da espécie coexistam durante o período de floração e favoreçam sua persistência no ambiente. Mais polimorfismos no fragmento ITS 16S-23S foram encontrados por meio do NGS que por meio da análise de restrição do DNA amplificado, demonstrando a maior robustez do NGS e das análises de bioinformática que lhe prosseguiram. Estudos subsequentes serão feitos a fim de obter as proporções das variantes genotípicas encontradas em cada amostra de NGS e de avaliar a relação filogenética existente entre elas. O presente trabalho contribuiu para o melhor entendimento da dinâmica das cianobactérias dominantes no reservatório da Pampulha, bem como de alguns fatores ecológicos (variáveis ambientais) e genéticos (variabilidade intraespecífica) que possam favorecer ou influenciar suas florações em diferentes condições. Além disso, este trabalho exemplifica a importância do uso de técnicas moleculares no estudo de comunidades naturais de microrganismos.
Abstract: Cyanobacteria are an important phytoplankton group that is favored in conditions of water eutrophication. Given their potential toxicity, blooms of cyanobacteria not only contaminate the water, but they also turn it unsuitable for human consumption. Additionally, their presence alters many ecological interactions in the aquatic ecosystem, thus making its prevention and control extremely relevant. Pampulha reservoir, known as Pampulha lake, is a small urban reservoir located in Belo Horizonte city (MG, Brazil) that has undergone a long process of eutrophication due to the continuous input of industrial and domestic sewage. The high nutrient supply in the reservoir has favored the occurrence of cyanobacterial blooms along the year and for this reason studies on the dynamics of these communities become essential. The objectives of this study were: (1) to evaluate the dynamics of the cyanobacterial community in the Pampulha reservoir during three years, aiming to detect factors influencing the proliferation of dominant species and their alternate occurrence and (2) to study the intraspecific diversity of the bloom forming species Cylindrospermopsis raciborskii in two different periods, since its genetic variability could favor its dominance. In order to achieve objective 1, monthly samplings were performed from 2010 to 2012 in Pampulha reservoir, water physical and chemical characteristics were measured and the cyanobacterial community was accessed through morphological and molecular approaches. Microscopic identification and counting of all samples by the Utermöhl (1958) technique were performed and, additionally, the Automated Ribosomal Intergenic Spacer Analysis (ARISA) was performed on thirteen most representative samples. Both approaches were able to detect three different blooms: one promoted by C. raciborskii (Nostocales) predominantly in the rainy season, another by the Chroococcales Microcystis aeruginosa and Sphaerocavum brasiliense at the end of the dry season and a bloom of Planktothix isothrix (Oscillatoriales) at the end of 2012, changing the alternating pattern between Nostocales and Chroococcales in the reservoir. The Non-Metric Multidimensional Scaling (NMDS) and the Analysis of Similarity (ANOSIM) revealed a clear division between rainy and dry periods in the 36 phytoplankton samples, suggesting that changes in the environmental parameters between seasons may modify the cyanobacterial community composition. The Principal Component Analysis (PCA) showed strong correlation between C. raciborskii biomass and increased temperature, water resistance, nitrite concentration and total precipitation. The Chroococcales species, on the other side, were unsuccessful in periods of water stratification while the dominance of Oscillatoriales was positively correlated to total phosphorus and ammonia concentration. The molecular approach through ARISA allowed a more robust study of the cyanobacterial community, since it was more efficient than microscopy to differentiate close related species. The rapidity and precision of ARISA suggest its use as a potential method for environmental monitoring studies. Aiming to achieve objective 2, two samples of bloom periods in the reservoir were chosen: in the first C. raciborskii represented almost 100% of the total phytoplanktonic biomass and in the second it was codominant with Chroococcales. The genetic variability of the intergenic transcribed spacer (ITS) between the 16S rRNA and the 23S rRNA in C. raciborskii populations was studied through restriction analyses of the amplified DNA and Next Generation Sequencing (NGS) analysis. Both approaches revealed a larger variability during the monospecific bloom of C. raciborskii, suggesting that a selective pressure resulting from the interspecific competition leads to a reduced diversity within the population. The detection of intraspecific variability in nature is an evidence that different ecotypes of the species coexist during the bloom and may contribute to its stability in the environment. More polymorphisms in the ITS 16S-23S fragment were detected through NGS than through restriction analyses of the amplified DNA, revealing better accuracy of the NGS and the subsequent bioinformatics analyses. Further studies will be done aiming to detect the percentage of genetic variants present in each NGS sample and to evaluate the phylogenetic relationships between them. The present work has contributed to a better understanding on the dynamics of the dominant cyanobacteria in Pampulha reservoir and on the ecological and genetic factors that can influence or favor their blooms under different conditions. This work also exemplifies the importance of the molecular approach while studying environmental microbial communities.
Subject: Ecologia
language: Português
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUBD-9VZG4A
Issue Date: 26-Feb-2015
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