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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.11.2013.tde-26062013-161320
Document
Author
Full name
Danice Mazzer Luvizotto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2013
Supervisor
Committee
Lira, Simone Possedente de (President)
Dias, Armando Cavalcante Franco
Mendes, Rodrigo
Saia, Flavia Talarico
Taketani, Rodrigo Gouvêa
Title in Portuguese
Transformações do nitrogênio e diversidade de Planctomycetes em sedimentos de manguezais
Keywords in Portuguese
Bactérias anaeróbicas
Desnitrificação
Ecossistema de mangue
Microbiologia do solo
Sequenciamento genético
Abstract in Portuguese
O nitrogênio é o quinto elemento mais abundante em nosso sistema solar, é essencial para a síntese de ácidos nucleicos e proteínas, os dois polímeros mais importantes da vida. Apesar da importância do nitrogênio e sua abundância na atmosfera, o N2 é praticamente inerte; assim, as formas de nitrogênio inorgânico fixados mais comuns são os íons nitrato e amônio que muitas vezes limitam a produtividade primária nos ecossistemas marinhos e terrestres. Uma biosfera ativa requer a incorporação do nitrogênio em moléculas biológicas por meio da fixação de nitrogênio, um processo no qual os domínios em procarióticos Bacteria e Archaea reduzem gás nitrogênio em amônia. Porém, a maioria dos organismos não pode fixar nitrogênio, mas sim obtê-lo na forma de nitrogênio orgânico a partir do ambiente, ou a partir da redução do nitrato. O amônio é retornado para o ambiente quando os organismos morrem e isto depende da presença do oxigênio nestes locais. Na presença do oxigênio, o amônio é oxidado em nitrato, numa via conhecida como nitrificação. Na ausência de oxigênio, o nitrato é utilizado por muitos microrganismos como um receptor de elétrons, como na redução dissimilatória de nitrato a amônia (DNRA), acoplada à oxidação anaeróbica de carbono orgânico; o nitrato pode ser convertido em gás dinitrogênio pela desnitrificação, ou ainda uma via alternativa pode transformar o nitrogênio fixado em N2, realizada por um grupo de bactérias conhecido como planctomycetes, onde a oxidação do amônio é acoplada a redução de nitrato, no processo chamado anammox. Neste trabalho de tese foi realizada a avaliação do ciclo do nitrogênio, buscando entendimento de três vias de transformação deste elemento. Neste sentido, estas vias foram avaliadas quanto as suas taxas de ocorrência, com uso incubações do sedimento de manguezais e nitrogênio marcado, como também por meio da identificação de genes funcionais envolvidos nestes três processos, por meio de pirosequenciamento. O grupo Planctomycetes ainda pode ser estudado utilizando a hibridização com sonda fluorescente in situ FISH. Os resultados indicam a presença marcante de genes identificados como parte da via desnitrificação, assim como as taxas de incubação observadas para esta via foram muito expressivas quando comparadas com as taxas obtidas para o processo anammox e DNRA. Os resultados obtidos com as análises metagenômicas e com a técnica FISH sustentam os resultados obtidos com as incubações. Pode-se observar que a filogenia sugere a tendência do agrupamento com organismos planctomycetes não descritos como responsáveis pelo processo anammox. Por meio da técnica FISH pode-se confirmar a detecção destas bactérias e visualizar sua menor presença nos manguezais amostrados, quando comparadas às bactérias totais encontradas nestas amostras.
Title in English
Nitrogen transformations and Planctomycetes diversity in mangrove sediments
Keywords in English
Anaerobic bacteria
Denitrification
Genetic sequencing
Mangrove ecosystem
Soil microbiology
Abstract in English
Nitrogen is the fifth most abundant element in our solar system, essential for the synthesis of nucleic acids and proteins, one of the most important polymers of life. Despite the importance of nitrogen and its overwhelming abundance in the atmosphere, N2 is practically inert, so the most commom forms of inorganic nitrogen fixed are nitrate and ammonium ions, which often limit primary productivity in marine and terrestrial ecosystems. An active biosphere requires the incorporation of nitrogen in biological molecules through nitrogen fixation, a process in which domains Archaea and Bacteria reduce nitrogen gas into ammonia. The most organisms can't fix nitrogen, but they can get it in inorganic nitrogen form from the environment or from the reduction of nitrate. The ammonia is returned to environment when organisms die and it depends on the presence of oxygen at these sites. In the presence of oxygen, ammonia is oxidized to nitrate, in a way known as nitrification, and in the absence of oxygen, the nitrate being used by many microbes as an electron acceptor, such as dissimilatory nitrate reduction to ammonia (DNRA), coupled to anaerobic oxidation of organic carbon. The nitrate can be converted to dinitrogen gas by denitrification, or an alternative route can turn fixed nitrogen in N2, performed by a bacteria group known as Planctomycetes, where oxidation is coupled to the ammonium nitrate reduction, in a process called anammox. In this work, with mangrove sediments from Bertioga city, State of São Paulo, the evaluation of these three pathways of nitrogen transformation was performed as their rates of occurrence, with incubations with labeled nitrogen, as well as through the identification of functional genes involved in these three cases, by pyrosequencing. The group Planctomycetes can also be studied using the hybridization probe FISH fluorescence in situ. The results show the strong presence of genes identified as part of the denitrification pathway, as well as the rates observed for incubation of this pathway were very significant when compared with the rates obtained for the process anammox and DNRA. The results obtained from the metagenomic analyze and the FISH technique support the results obtained with incubations. It can be observed that the trend suggests the phylogeny of the organisms group with Planctomycetes not described as responsible for anammox process. Through the FISH technique, it was possible to confirm the detection of these bacteria and view its reduced presence in mangrove sampled compared to total bacteria found in these samples.
 
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Publishing Date
2013-07-03
 
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