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Thèse de Doctorat
DOI
https://doi.org/10.11606/T.11.2020.tde-24112020-152624
Document
Auteur
Nom complet
Juliana dos Santos Costa
Adresse Mail
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
Piracicaba, 2020
Directeur
Jury
Fiore, Marli de Fatima (Président)
Menegário, Amauri Antonio
Rocha, Odete
Taketani, Rodrigo Gouvêa
Titre en portugais
Comunidades microbianas e genes funcionais associados com a ciclagem de arsênio em lagoas salino-alcalinas
Mots-clés en portugais
Cianobactérias
Perfil funcional
Sequenciamento metagenômico
Toxicidade
Resumé en portugais
O arsênio (As) é um dos principais contaminantes de água potável, sendo um problema devido sua toxicidade e potencial carcinogênico mesmo em baixas concentrações. No Pantanal brasileiro, cerca de 600 lagoas salino-alcalinas apresentam altas concentrações deste elemento. Apesar das condições extremas, as lagoas são habitadas por comunidades microbianas capazes de tolerar ou metabolizar As, desempenhando um papel essencial no ciclo biogeoquímico de As, influenciando sua biodisponibilidade e especiação. Estudos de comunidade microbiana associada com a biotransformação do As nas lagoas salino-alcalinas do Pantanal são inexistentes. Desta forma, o objetivo deste trabalho foi avaliar a diversidade bacteriana associada à ciclagem do As, por meio da análise de dados metagenômicos de quatro diferentes lagoas salino-alcalinas, em períodos de seca e cheia, com presença ou ausência de floração de cianobactérias. Além disso, foram determinadas as concentrações de As em amostras de água, sedimento e fitoplâncton, cujos resultados serviram de base para testes de resistência de isolados de cianobactérias a diferentes concentrações de arsenato de sódio. As análises químicas mostraram que todas as lagoas no período de seca apresentaram elevadas concentrações de As total na água, as quais variaram de 53,17 a 1721,68 μg L-1, e no período de cheia foram menores, entre 9,24 e 102,86 μg L-1. Por outro lado, as concentrações de As total nos sedimentos não apresentaram grandes variações entre os períodos de seca e cheia, variando entre 3,3 a 20,1 mg kg-1. As concentrações de As total no fitoplâncton no período de seca e cheia variaram entre 22,7 e 39,9 mg kg-1 e 3,67 e 12,2 mg kg-1, respectivamente. As análises metagenômicas das amostras de água das lagoas recuperaram genes relacionados à redução do arsenato (arsC), transporte de arsenito (arsA, arsB e acr3) e oxidação do arsenito (aioA e arxA). Lagoas com florações de cianobactérias apresentaram menor diversidade microbiana ligadas aos processos de redução e transporte de arsenito, sendo essas funções predominantes em membros das famílias cianobacterianas Aphanizomenonaceae e Microcoleaceae. As principais famílias bacterianas associadas com o processo de oxidação aeróbica do As (III) nas lagoas foram Alcaligenaceae, Comamonadaceae, Rhodobacteraceae, Rhodocyclaceae e Vibrionaceae. Enquanto no processo de oxidação anaeróbica do As (III), as famílias dominantes foram Comamonadaceae, Ectothiorhodospiraceae e Rhodobacteraceae. O gene arsM e/ou operon ars envolvidos na resistência e detoxificação do As foram anotados nos genomas das linhagens cianobacterianas Geminocystis sp. CENA649, Anabaenopsis sp. CENA651 e Limnospira sp. CENA650, sendo as duas últimas as produtoras de florações no Pantanal. Essas duas linhagens formadoras de florações cresceram em meio de cultivo com concentração de 4000 mg L-1 de arsenato de sódio mostrando-se resistentes ao As (V). Esse estudo contribui para o conhecimento da estrutura e a capacidade funcional das comunidades microbianas associadas com a ciclagem de As em lagoas salino-alcalinas, assim como do potencial das linhagens CENA650 e CENA651 na biotransformação do As.
Titre en anglais
Microbial communities and functional genes associated with arsenic cycling in saline-alkaline lakes
Mots-clés en anglais
Cyanobacteria
Functional profile
Metagenomic sequencing
Toxicity
Resumé en anglais
Arsenic (As) is one of the main contaminants in drinking water, being a problem due to its toxicity and carcinogenic potential even at low concentrations. In the Brazilian Pantanal, around 600 saline-alkaline lakes have high concentrations of this element. Despite the extreme conditions, the lakes are inhabited by microbial communities capable of tolerating or metabolizing As, playing an essential role in the As biogeochemical cycle, influencing its bioavailability and speciation. Studies of microbial community associated with the As biotransformation in the Pantanal saline-alkaline lakes are inexistent. Thus, the objective of this work was to evaluate the bacterial diversity associated with As cycling through the analysis of metagenomic data from four different saline-alkaline lakes, in the dry and wet periods, with the presence or absence of cyanobacterial blooms. In addition, As concentrations were determined in water samples, sediment and phytoplankton, whose results served as the basis for resistance tests of cyanobacteria isolates to different concentrations of sodium arsenate. Chemical analyses showed that the lakes in the dry period had high total As concentrations in the water, which ranged from 53.17 to 1721.68 μg L-1, and during the wet period they were lower, between 9.24 and 102.86 μg L-1. In contrast, the total As concentrations in the sediments did not show great variations between the dry and wet periods, varying between 3.3 to 20.1 mg kg-1. Total As concentrations in the phytoplankton in the dry and wet periods varied between 22.7 and 39.9 mg kg-1 and 3.67 and 12.2 mg kg-1, respectively. Metagenomic analyses of the lakes water samples recovered genes related to arsenate reduction (arsC), arsenite transport (arsA, arsB and acr3) and arsenite oxidation (aioA and arxA). Lakes with cyanobacterial blooms showed low microbial diversity linked to arsenite reduction and transport processes, being these functions predominant in members of the cyanobacterial families Aphanizomenonaceae and Microcoleaceae. The main bacterial families associated with the As (III) aerobic oxidation process were Alcaligenaceae, Comamonadaceae, Rhodobacteraceae, Rhodocyclaceae and Vibrionaceae. While in the As (III) anaerobic oxidation process, the dominant families were Comamonadaceae, Ectothiorhodospiraceae and Rhodobacteraceae. The arsM gene and/or operon ars involved in the As resistance and detoxification were annotated in the genomes of cyanobacterial strains Geminocystis sp. CENA649, Anabaenopsis sp. CENA651 and Limnospira sp. CENA650, the last two being the producer of blooms in the Pantanal. These two bloom-forming strains grew in culture medium with concentration of 4000 mg L-1 of sodium arsenate, showing resistance to As (V). This study contributes to the knowledge of the structure and functional capacity of the microbial communities associated with As cycling in saline-alkaline lakes, as well as the potential of the strains CENA650 and CENA651 in the As biotransformation.
 
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Date de Publication
2020-11-27
 
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