Microbiologia de solos permanentemente congelados (permafrost)

O permafrost é um tipo específico de solo que permanece congelado ao longo dos anos. Ocupa cerca de 20% da superfície terrestre, sobretudo nas regiões polares, e sua temperatura permanece abaixo de zero por milhares ou até milhões de anos. No hemisfério norte, o permafrost localiza-se principalmente nas regiões da Eurásia (Sibéria) e da América do Norte (Alasca e Canadá), alcançando a espessura de 700-1000 m, tornando-se mais fina ao sul. O permafrost ocorre ainda em regiões livres de gelo da Groelândia, Antártica e regiões alpinas. A idade de congelamento do permafrost não é uniforme e varia de acordo com a geografia, sendo de 5 milhões de anos no Ártico (Sibéria) e 30 milhões de anos na Antártica (MARGESIN, R. 2009). As baixas e constantes temperaturas do permafrost mantém conservado por milhões de anos todo o material sedimentado. Tais características fazem do permafrost um repositório de materiais biológicos em escalas geológicas, muitos dos quais adaptados biogeoquimicamente às condições de congelamento (VOROBYOVA et al., 1996).

No contexto das mudanças climáticas globais, o estudo da biodiversidade do solo permafrost se mostra importante para que as futuras alterações decorrentes do descongelamento deste solo possam ser monitoradas. Os efeitos do derretimento do permafrost sobre o fluxo de carbono e ciclos biogeoquímicos podem ser significativos, uma vez que ele abriga uma grande quantidade de compostos e gases estufa, como o metano (WALTER et al., 2006).

De uma maneira geral, o interesse principal dos estudos envolvendo o permafrost tem sido a sobrevivência e estabilidade dos micro-organismos depositados (SHI et al., 1997; RIVKINA et al., 2000; VISHNIVETSKAYA et al., 2000; BAKERMANS et al., 2003). Através desses estudos é possível determinar os períodos de tempo em que os micro- organismos conseguem permanecer viáveis sob temperaturas extremas e seu estresse nutricional. Os estudos recentes no Ártico revelaram a presença de bactérias – com predominância de cianobactérias e actinobactérias – arquéias metanogênicas, fungos filamentosos e leveduras, muitos dos quais em estado metabólico ativo (RIVKINA et al. 2005; PANIKOV e SIZOVA, 2007). Vale citar que o micro-organismo mais antigo foi isolado de amostras de 3 milhões de anos do permafrost da Sibéria (SHI et al., 1997). Neste artigo, os autores encontraram diferentes formas de células, sendo 79,3% dos isolados classificados como bastonetes, 17,2% como cocos e 3,5% como filamentosos sem ramificação. A análise filogenética dos isolados do permafrost siberiano através do sequenciamento do gene 16S rRNA revelou quatro grandes grupos, sendo eles; bactérias Gram-positivas de alto-GC, bactérias Gram-positivas de baixo-GC, Beta-proteobacteria e Gama-proteobacteria. Algumas sequências obtiveram alta similaridade com o banco de dados, como Arthrobacter globiformis, Rhodococcus fascians, Alcaligenes faecalis, e Bacillus psychrophilus. Outros isolados não obtiveram similaridade com o banco de dados e podem representar espécies nunca antes descritas. Embora a baixa temperatura do permafrost seja um grande fator de seleção, nenhum psicrofílico foi isolado. Em geral, poucos psicrofílicos são isolados de ambientes terrestres, mesmo em solos da Antártica. Segundo os autores, quando comparadas aos isolados de ambientes marinhos, as bactérias de solos congelados tendem a ter um crescimento mais lento, e desta forma não evoluíram significativamente durante os últimos milhões de anos. As bactérias do permafrost representam, portanto, fósseis vivos de eras geológicas passadas (SHI et al., 1997).

Gilichinsky et al. (1992) foram um dos pioneiros a estudar a preservação de micro- organismos em amostras de permafrost. Estes autores encontraram bactérias, fungos e algas em amostras de permafrost da Sibéria que variavam do Holoceno (12.000 anos) ao Plioceno

(2,5 a 5,3 milhões de anos). A diversidade de organismos encontrados variou entre as amostras, sendo os eucariontes encontrados apenas em amostras do Holoceno, enquanto os procariontes, nas amostras mais antigas do Plioceno.

A longevidade de micro-organismos no permafrost da Antártica foi pouco estudada e estes podem representar talvez os mais antigos seres ainda viáveis (GILICHINSKY, 2002). Johnson et al. (2007) demonstraram que a viabilidade dos micro-organismos no interior do permafrost está associada à presença de água não congelada em microzonas com baixo conteúdo de gelo, assim capazes de permitir o intercâmbio de íons, moléculas de água, nutrientes e de gases com as células. Os autores comprovaram ainda, através de experimentos com bactérias Gram-positivas de Alto-GC, que a viabilidade celular nesse ambiente é resultado de um eficiente sistema de reparo de DNA em baixas temperaturas, contrapondo a idéia anterior de que o estado de dormência era responsável pela viabilidade celular.

Micro-organismos com metabolismo e reprodução abaixo de zero grau Celcius são frequentemente encontradas em amostras de solos congelados. Um dos primeiros relatos de micro-organismos do permafrost revelou isolados bacterianos que apresentaram crescimento – determinado através da formação de colônias – em temperaturas de até –5 °C (GILICHINSKY et al., 1993; 1995). Em outro estudo, isolados de bactérias do permafrost mostraram metabolismo em temperaturas de –10 °C e uma taxa de reprodução de 39 dias nestas condições (BAKERMANS et al., 2003). De forma ainda mais surpreendente, micro- organismos metabolicamente ativos a –20 °C foram encontrados em amostras de 2-3 milhões de anos do permafrost siberiano, detectados através de técnicas de incorporação de acetato marcado com 14_{C nos lipídeos de membrana (RIVKINA et al., 2000). Estes dados expandem}

os limites dos seres vivos quanto à sua capacidade de adaptação, metabolismo e sobrevivência nos ambientes mais extremos conhecidos pelo homem.

Trabalhos recentes mostraram que os permafrosts da Sibéria e da Antártica podem ser considerados análogos ao solo congelado de Marte, expandindo o interesse nestas áreas para o campo da Astrobiologia (SMITH e MCKAY, 2005). A pesquisa por biomarcadores em amostras antigas como o permafrost incluem gases biogênicos, biominerais, pigmentos biológicos, lipídeos, enzimas, proteínas, nucleotídeos, microfósseis, células mortas e viáveis. Tais biomarcadores representam modelos que podem servir como análogos de possíveis ecossistemas ou seres vivos em outros planetas. Esta analogia torna-se ainda mais evidente ao considerar que sete planetas do nosso Sistema Solar, assim como seus satélites, cometas e asteróides, são de natureza criogênica, ou seja, solos e rochas permanentemente congeladas como o permafrost são fenômenos comuns no Universo (GILICHINSKY, 2002).