UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
DEPARTAMENTO DE MICROBIOLOGIA, IMUNOLOGIA E PARASITOLOGIA CURSO CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
Mariana Galvan Salim
Sucessão ecológica microbiana em solos de recuo de geleira na Antártica sob a perspectiva dos ciclos do Carbono e Fósforo
Florianópolis 2020
Mariana Galvan Salim
Sucessão ecológica microbiana em solos de recuo de geleira na Antártica sob a perspectiva dos ciclos do Carbono e Fósforo
Trabalho Conclusão do Curso de Graduação em Ciências Biológicas do Centro de Ciências Biológicas da Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a obtenção do título de Licenciada em Ciências Biológicas
Orientador: Prof. Dr Rubens T. D. Duarte
Florianópolis 2020
Mariana Galvan Salim
Sucessão ecológica microbiana em solos de recuo de geleira na Antártica sob a perspectiva dos ciclos do Carbono e Fósforo
Florianópolis, 01 de dezembro de 2020.
________________________ Prof. Dr. Carlos Roberto Zanetti
Coordenador do Curso Banca Examinadora:
________________________ Prof. Dr. Rubens Tadeu Delgado Duarte
Orientador
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Prof. Dr. Leonardo Rörig
Membro Titular
Universidade Federal de Santa Catarina
________________________ Camila Tomazini Kinasz
Membro Titular
Universidade Federal de Santa Catarina ________________________ Prof. Dr. Admir José Giachini
Membro Suplente
AGRADECIMENTOS
À minha mãe Eliana Galvan e meu pai José Roberto Salim pelo incentivo, carinho e suporte para que eu pudesse me encontrar entre a autonomia e a liberdade. À minha irmã e melhor amiga Ana Paula, por me ouvir e acreditar em mim.
Às minha avós Jacyra Jocelina e Mathilde Ariente, pelo incentivo aos estudos, trabalho e independência.
Iasmin Kormann, Larissa Schwedersky e Nicole Kormann. Meu carinho e agradecimento pelas conversas, café pós-ru e por tornarem os sábados na biblioteca universitária prazerosos. Agradeço imensamente pela amizade.
Arthur Brotto, Camila Jacomel, Chrislen Ribeiro, Heloisa Haschel, Janaise Renate Machado, Gustavo Zatelli, João Daniel Feltrin, João Stippe Schmittt, Luisa Goss, Rafael Vecchietti, Vanessa Weck e Victor Hugo Bueno Press.
Às amigas e amigos do curso: Ana Paula da Rocha, Bruna Barni, Fabiane Trinches, Larissa Redivo, Lucas Farias, Natalia Monteiro e William Lemes. Obrigada pelo companheirismo, estudo e risadas.
Ao professor Rubens pela oportunidade, ensinamentos e confiança. A Joana Camila Lopes e a Sheila Kerber por todo o auxílio durante o período no laboratório.
Obrigada a todas e todos os professores pelo excelente trabalho, ensino e dedicação. Ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e a Universidade Federal de Santa Catarina pela oportunidade singular de desfrutar do conhecimento e aprendizado.
“O jovem pode construir, plantar ou navegar, basta que não seja impedido de fazer o que ele me diz que gostaria de fazer. Se somos sábios é apenas graças a um ponto matemático, como o marinheiro ou o escravo fugido que se orienta pela estrela polar; mas é um guia suficiente para toda nossa vida. Podemos não chegar a nosso porto num período calculável, mas manteremos o curso certo.’’
RESUMO
A Antártica tem sido causa de debates globais devido à retração de suas geleiras. O fator notável da alteração climática mundial é a exposição dos solos no recuo dessas paisagens, que estava congelado há centenas de milhares de anos. A atividade microbiana nesses solos é influenciada pelo contato com a atmosfera, disponibilidade de água líquida e de nutrientes necessários para o seu metabolismo. Entretanto, ainda não é claro como a sucessão ecológica microbiana ocorre. A retração das geleiras possibilita um modelo de cronossequência para estudo. Devido a oligotrofia desses solos, os microrganismos têm papel chave na entrada e ciclagem de nutrientes nesse ambiente. Esse trabalho visou elucidar a limitação do fósforo para a comunidade microbiana e avaliar a presença e a abundância de microrganismos fotoautotróficos nos solos de recuos de duas geleiras da Ilha Rei George (Península Antártica) que apresentam velocidades de recuo distintas: Baranowski (recuo de 18 m.ano-1) e Collins (recuo de 4 m.ano-1). Amostras de solo foram coletadas em gradiente espaço-temporal de 0, 50, 100, 200, 300 e 400 m de distância em relação à frente da geleira. A contagem de células fotoautotróficas foi realizada por método de número mais provável (NMP) em meio mínimo Bristol modificado. As análises estatísticas ANOVA e multivariada PCA foram utilizadas para interpretar estes resultados obtidos. A respiração de solo induzida (SIR) por fósforo KH2PO4 como fonte inorgânica. O fluxo de CO2 resultante do metabolismo foi
mensurado em LI-COR 8100 e comparado à respiração basal do solo através de teste-t de Student. Os testes explicaram significância nos tratamentos em 100 m da geleira Baranowski e 300 m da geleira Collins. Os fotoautotróficos estavam ausentes a 0 m na geleira Baranowski, aumentando entre 50 e 300 m, e atingindo maior valor a 400 m. Nos solos da geleira Collins sua presença foi observada em 0 m, oscilando entre 50 e 400 m e em maior valor a 100 m. Os resultados indicam um processo de sucessão distinto entre as duas geleiras, muito provavelmente devido à velocidade de derretimento que cada geleira apresentou nos últimos anos. Estes dados irão contribuir para melhor compreensão da sucessão ecológica nos solos da Antártica.
Palavras-chave: cronossequência, ciclos biogeoquímicos, ecologia microbiana, autotróficos, Antártica.
ABSTRACT
Antarctica has been the cause of global debates due to glacier retreat. The notable factor in global climate change is the exposure of soils to the retreat of these landscapes, which had been frozen for hundreds of thousands of years. Soil microbial activity is influenced by contact with atmosphere, liquid water availability and basic nutrients for metabolism. However, it remains unclear how microbial ecological succession occurs. The glacier retreat allows a chronosequence model for study. Due to the oligotrophy of these soils, microorganisms play an input key role and cycling of nutrients in this environment. This work aimed to elucidate microbial community phosphorus limitation and to evaluate photoautotrophic microorganisms presence and existence in two glaciers soils retreat on King George Island (Antarctic Peninsula) which shows diferentes velocity retrats: Baranowski (18 m.year-1) and Collins (4 m.year-1 on average). Soil samples were collected in a space-time gradient distance of 0, 50, 100, 200, 300 and 400 m in relation to the glacier front. The photoautotrophic cells counting was performed using the most likely number (PWN) method in modified Bristol minimal medium. Statistical analyzes ANOVA and multivariate PCA were used to interpret these results obtained. For phosphorus induced soil respiration (SIR), KH2PO4 was added as an inorganic source. The
CO2 flux resulting from the metabolism was measured by LI-COR 8100 and compared to basal soil respiration using Student's t-test. The tests explained significance in the treatments in 100 m of the Baranowski glacier and 300 m of the Collins glacier. Photoautotrophs were absent at 0 m on the Baranowski glacier, increasing between 50 and 300 m, and reaching a higher value at 400 m. In the soils of the Collins glacier its presence was observed at 0 m, oscillating between 50 and 400 m and in greater value at 100 m. The results indicate a distinct succession process between the two glaciers, most likely due to the melting velocity that each glacier has experienced in recent years. These data will contribute to a better understanding of the ecological succession in the Antarctic soils.
Keywords: chronosequence, biogeochemical cycles, microbial ecology, autotrophic, Antarctica.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Pontos de coleta das amostras de solo (em laranja) na cronossequência da Geleira Collins, Antártica. ... 9 Figura 2: Mapa da área de solo exposto por recuo da Geleira Baranowski, Ilha Rei George, Antártica. Os pontos indicados representam a área de coleta de solos (em triplicata). ... 10 Figura 3: Panorama do transecto da geleira Baranowski, Ilha Rei George (Antártica). BGS0 = ponto mais próximo do recuo da geleira. BGS400 = ponto mais distante do recuo da geleira.10 Figura 4: Metodologia para NMP. ... 12 Figura 5: Concentração de células fotoautotróficas em função da distância do solo em relação a frente da geleira Baranowski. ... 17 Figura 6: Concentração de células fotoautotróficas em função da distância do solo em relação a frente da geleira Collins. ... 17 Figura 7: Análise de componentes principais (PCA) entre os dados do projeto MICROSFERA e a concentração de células fotoautotróficas. A) Geleira Baranowski; B) Geleira Collins. Variáveis: MO = matéria orgânica; pH = potencial hidrogeniônico; Ca = cálcio; Cu = cobre 19 Figura 8: Médias das respirações induzidas (1,4 µg, 2,8 µg e 17 µg) e basal do solo de 300 metros da geleira Collins, no intervalo de tempo de 48 horas até 360 horas. ... 21 Figura 9: Médias das respirações induzidas (1,4 µg, 2,8 µg e 17 µg) e basal do solo de 100 metros da geleira Baranowski, no intervalo de tempo de 48 horas até 360 horas. ... 22 Figura 10: Vista da superfície do local de estudo. Coleta do solo de 0m da geleira Baranowski no verão de 2014/2015. Ilha rei George, Península Antártica (Antártica). ... 25 Figura 11: Vista da superfície do local de estudo. Coleta do solo de 300m da geleira Collins no verão de 2014/2015. Ilha rei George, Península Antártica (Antártica). ... 26
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Resultado do teste de NMP para fotoautotróficos nos solos da geleira Baranowski. Nas colunas de diluição (10-2 a 10-6) está apresentado a quantidade de tubos de meio Bristol que apresentaram crescimento microbiano em 5 replicatas. Dois experimentos fora ... 15 Tabela 2: Resultado do teste de NMP para fotoautotróficos nos solos da geleira Collins. Nas colunas de diluição (10-2 a 10-6) está apresentado a quantidade de tubos de meio Bristol que apresentaram crescimento microbiano em 5 replicatas. Dois experimentos foram r ... 16 Tabela 3: Valores de p referentes ao teste de Shapiro-Wilk, apresentando os tratamentos com p > 0,05. ... 20 Tabela 4: Valores de p obtidos através de teste-T de Student, com significância de p < 0,05. 20
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
DNA - Ácido desoxirribonucleico RNA - Ácido ribonucleico
ATP - Adenosina Trifosfato ANOVA – Análise de variância BGS – Baranowski
Ca+2 – Cálcio C – Carbono
WHC – Capacidade de retenção de água CaCl2 – Cloreto de Cálcio
FeCl3 – Cloreto de Ferro
NaCl – Cloreto de Sódio COL – Collins
BOD – Demanda química de Oxigênio P – Fósforo
PO4-3 – Fosfato
K2HPO4- Fosfato dipotássico
KH2PO4 - Fosfato monobásico de potássio
CO2 - Gás Carbônico g - Grama °C - Graus Celsius NH³ - Hidróxido de amônia h - Hora Mg+2 Magnésio Mn – Manganês m - Metro µL - Microlitro μmo - Micromol mL – Mililitro NO32- – Nitrato
NaNO3 –Nitrato de Sódio
N – Nitrogênio W - Oeste
ppm - Partes por milhão K+ – Potássio
pH – potencial hidrogeniônico Km² - Quilômetros quadrados S - Segundo
S – Sul
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 Antártica ... 2
1.2 Península Antártica, Ilha Rei George ... 2
1.3 Sucessão ecológica microbiana ... 3
1.4 Carbono ... 4 1.5 Fósforo ... 5 1.6 Justificativa ... 6 2 Objetivos ... 7 2.1 Objetivo GERAL ... 7 2.2 Objetivos específicos ... 7 3 Metodologia ... 8
3.1 Amostras de solo da Antártica ... 8
3.2 Estimativa de fotoautotróficos através do método dos tubos múltiplos (ou NMP)11 3.3 Avaliação da velocidade de respiração basal e induza por fósforo ... 12
3.4 Análises Estatísticas ... 13
4 Resultados ... 14
4.1 Avaliação de fotoautotróficos ... 14
4.2 Avaliação da velocidade de respiração basal e induzida por fósforo ... 20
5 DISCUSSÃO ... 22
5.1 Avaliação comunidade fotoautotrófica ... 22
5.2 Respiração induzida por fósforo ... 27
6 CONCLUSÃO ... 29
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1 INTRODUÇÃO
Derivada da ação antropogênica, da queima de combustíveis fósseis e de largas produções agrícolas e pecuárias, as emissões de gases contribuintes para o efeito estufa, como gás carbônico e metano, têm tornado as zonas polares e cadeias montanhosas sensíveis a tal mudança. Embora casos de derretimento de geleiras foram antes documentados durante a Revolução Industrial, em meados de 1780, o contínuo retraimento têm sido amplamente discutido ao longo das últimas décadas. O levantamento de valores referentes a quantidade de CO2 na
atmosfera durante os últimos 200 anos mostrou uma concentração deste gás de 390 ppm. Se comparada aos períodos não glaciais e pré-industriais, este valor ultrapassa a média de 280 ppm obtidas nestes em estudos prévios, sugerindo que a influência da ação humana seja um fator pontual no acúmulo de carbono na atmosfera (Biskaborn, 2019; Lacis, 2010). Uma vez que a inserção destas moléculas gasosas entra em contato com a atmosfera, esta está suscetível a um desequilíbrio descontrolado na sua concentração de carbono. (IPCC, 2013). Embora ainda não seja totalmente claro, os resultados desse desbalanço têm sido estudados a partir da elevação do nível do mar, derretimento de coberturas de neve e recuo de glaciares na criosfera. Devido à relação entre o volume das geleiras e o aumento da temperatura global nas regiões alpinas, árticas e antárticas têm despertado a atenção de cientistas de diversas áreas. Nestas regiões, enormes reservas de carbono estão estocadas em solos abaixo da superfície de gelo, conservadas pela baixa temperatura e sob alta pressão (Schuur, 2015). Ainda é pouco clara a dimensão dos futuros impactos possíveis referentes ao aumento da temperatura global, mas o monitoramento da criosfera têm levantado hipóteses sobre a intensidade das ações antropogênicas e direcionado estudos para obstaculizar o agravamento das mudanças climáticas. Todavia, estudos mostram que o volume das geleiras vem reduzindo ao longo de toda a extensão do globo nos últimos 200 anos e como consequência têm causado a exposição acelerada dos solos que estavam antes congelados por
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milhares ou centenas de anos podendo agora ser colonizados (Liu, 2016; Oerlemans, 2005).
1.1 ANTÁRTICA
No tocante da Antártica, as condições extremas impostas pelo meio selecionam os organismos aptos a viverem neste ambiente. Localizado ao sul do globo, o continente Antártico possui a quinta maior extensão territorial do planeta, com uma área equivalente a 14x106 km² e cobertura vasta por gelo e neve. É inteiramente dirigido por severas condições abióticas. Situado em uma região característica de criosfera, a Antártica registrou a temperatura mais fria do globo atingindo −89.2 °C na Estação Vostok, em 1983 (Scambos, 2018). Por consequência, possui baixa disponibilidade de água líquida e clima árido, parâmetros estes que limitam as condições de vida no ambiente (Rothschild, 2011). Os altos índices de salinidade, radiação, períodos extensos de cobertura de neve e baixo conteúdo de nutrientes no solo reforçam a característica inóspita do ambiente (Bradley, 2014).
1.2PENÍNSULA ANTÁRTICA, ILHA REI GEORGE
A Península Antártica é uma das regiões que mais tem sido afetada em decorrência das mudanças climáticas. Na Ilha Rei George, zona climática da Antártica Marinha, a oscilação da temperatura no verão alcança +2,7°C. Todavia, um aumento da temperatura média anual têm sido datado por década em +0,56 °C desde 1951 a 2000 em algumas regiões da península (Turner, 2009). A exposição da paisagem dos recuos de geleira na Ilha Rei George é composta por solos de moraina, formados por pedregulhos e cascalho. Nas áreas mais próximas às geleiras, os solos não possuem vegetação e apresentam carência de matéria orgânica e nutrientes. Em contrapartida, solos expostos há mais tempo apresentam significativo acúmulo de matéria orgânica e são providos de poucos, mas específicos, grupos vegetais. As populações são compostas por espécies de bactérias, arqueas, fungos, líquens, musgos, algas e plantas de pequeno porte.
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Ainda assim, os solos mais antigos são considerados oligotróficos característicos (Duarte, 2010; Tscherko, 2003).
A retração das geleiras oportuniza, através de uma determinada distância de solo exposto correlacionada à velocidade de retração da geleira, um modelo natural para o estudo dos diferentes estágios da sucessão ecológica microbiana como também a resposta metabólica desses microrganismos às condições físicas, químicas e biológicas presentes no determinado transecto (Yoshitake, 2018). Segundo Nemergut et. al (2007), a distância pode servir como um representante para o tempo, e o desenvolvimento do ecossistema pode ser investigado ao longo de um gradiente espacial sem a necessidade de observações de longo prazo no mesmo local. A seleta diversidade de microrganismos aptos a tal ambiente somada a ausência de animais, baixa ou nenhuma cobertura vegetal na maior parte dos transectos e às condições extremas desse ambiente, favorecem um estudo de caso mais eficiente sobre a resposta das comunidades microbianas aos fatores abióticos presentes nesses locais (Sigler, 2002; Strauss, 2012; Tscherko, 2003).
1.3 SUCESSÃO ECOLÓGICA MICROBIANA
Estudos indicam que o metabolismo da comunidade microbiana é dirigido principalmente pela temperatura, umidade e disponibilidade de nutrientes resultantes do processo de pedogênese (Bardgett, 2007; Ilsted, 2005). Esses fatores selecionam a composição da comunidade, sugerindo que apenas uma parcela de microrganismos esteja apta a sobreviver e crescer nesses ambientes de condições extremas. A característica de colonizar e se estabelecer em solos previamente estéreis confere à comunidade microbiana pioneira papéis chaves nos ciclos biogeoquímicos, uma vez que esses organismos vivos fixam e assimilam elementos que não estão de maneira biodisponíveis e favorecem o input de matéria orgânica. Dessa forma, nutrientes como carbono, nitrogênio e fósforo são inseridos em compartimentos biológicos no ambiente. Embora o processo de sucessão ecológica microbiana seja crucial para o desenvolvimento do solo, ainda pouco se sabe como este ocorre. A partir da produção primária derivada do sequestro de carbono, intemperismo de rochas e fixação de
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nitrogênio, as condições físico-químicas e biológicas do solo podem ser alteradas (Kaštovská, 2005; Liu, 2016; Sigler, 2002; Strauss, 2012; Yoshitake, 2017). O resultado da colonização é um solo mais estável com aporte de matéria orgânica para sustentar estágios sucessionais posteriores, como plantas e animais, que podem assim assimilar nutrientes orgânicos do substrato. O processo de sucessão é marcado por alterações na estrutura e função da comunidade e, como consequência, aumento da estabilidade e concentração de nutrientes disponíveis do solo (Lagerström, 2009).
1.4 CARBONO
O ciclo do carbono nos solos conta com a participação de organismos fotoautotróficos, como exemplo das cianobactérias e algas. São elas que, em grande parte, fixam o gás carbônico da atmosfera e o transformam de maneira biodisponível para as comunidades heterotróficas. Apesar disso, ainda há pouca clareza de como essa dinâmica ocorre nos ambientes extremos como nos solos de recuos de geleiras (Hopkins, 2006; Nemergut, 2007; Strauss, 2012).
Embora os ambientes criogênicos exerçam condições severas para o desenvolvimento da vida, grupos seletos destes microrganismos mostraram larga dispersão nessas paisagens. Análises moleculares do gene 16S marcaram a presença de cianobactérias durante todos os transectos de solo da cronossequência na geleira Puca, cordilheira Andina, sendo estas notavelmente bem documentadas. Sequências semelhantes a plastídeos Stramenopila também foram documentadas na análise (Nemergut, 2007). Amostras do estudo de cronossequência em Zhadang, Tibetan Plateau, apresentaram larga distribuição através do sequenciamento do gene cbbL, estando presentes nos solos jovens até nos mais antigos. As formas IA/B do gene, afiliadas a cianobactérias, apresentaram maior frequência relativa em relação às demais (59,4%). As formas IC e ID também foram documentadas, sendo a primeira presente em Proteobactérias e Actinobactérias e ID em 3 ordens de cianobactérias e 2 em Stramenopiles (Liu, 2016). Nos solos previamente estéreis recém descongelados em altas altitudes, como no Himalaia, a presença de cianobactérias e algas foi comprovada através da análise dos genes 16S e 18S, respectivamente, embora o
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estudo não apresente correlações de cronossequência (Schmidt, 2008). A comunidade microbiana fotoautotrófica em ambientes subglaciais e criocônitos foi também documentada em cinco geleiras em Svalbard, Noruega. Entretanto, foram nos solos previamente estéreis que a diversidade de cianobactérias e algas apresentou maior riqueza, sendo correlacionadas aos baixos conteúdos de nutrientes e matéria orgânica, podendo ser considerada uma estratégia de crescimento bem sucedida desses microrganismos (Yoshitake, 2018). Segundo Kaštovská (2005) o papel dos fatores físico-químicos do solo na recolonização pode ser de grande importância.
Estudos recentes em regiões de recuos de geleira mostraram que, embora na ausência de carbono lábil (C de fácil disponibilidade), microrganismos heterótrofos são pioneiros nestes transectos, diferente do que foi sugerido em outros estudos onde as populações fotoautotróficas se mostraram colonizadoras. Através da respiração microbiana e a datação do carbono presente no solo, as amostras de substratos mais recentemente expostos (3 a 18 anos) resultaram em altas quantias de matéria orgânica recalcitrante, cuja assimilação é lenta. A respiração do carbono antigo apresentou altos índices nos solos jovens em relação aos solos desenvolvidos, com estimativa de idade de carbono datada em 7.000 anos. Em contrapartida, nos solos com mais de 50 anos de exposição foi o carbono moderno mais utilizado na respiração. O acréscimo de carbono recente e decaimento de matéria orgânica húmica nesses solos também foi notificado (Bardgett, 2007).
1.5 FÓSFORO
Para entender a ciclagem dos nutrientes nos ecossistemas é condizente esclarecer os processos de comunidades microbianas, uma vez que a atmosfera tem mostrado aumentos na temperatura e a velocidade da atividade microbiana tem respondido a este fator (Arrigo, 2005). O Carbono é o principal elemento que dirige a comunidade microbiana, mas seu aproveitamento pode ser reduzido na ausência de outros elementos, como nitrogênio e fósforo (Ilstedt, 2005, Yoshitake, 2007).
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O fósforo (P) é um importante elemento químico para moléculas chaves da vida, sendo componente da membrana fosfolipídica das células, presente em nucleotídeos como moléculas energéticas de ATP e também no de DNA e RNA. Embora esse nutriente seja largamente encontrado no solo, a sua maior parte está concentrada em composições inorgânicas, sendo pouco encontrado em reservatórios biodisponíveis (Bate, 2007).
Em solos cuja a composição é rica em alumínio e ferro ou que sofrem com processos de intemperismo, o fósforo é documentado como um elemento limitante, pois este se liga em formas mais estáveis quando na presença de Al e Fe tornando o elemento imóvel. Não diferente, os solos da região do Dry Valleys e da Ilha Rei George são oligotróficos característicos e não possuem elevadas quantias de fósforo orgânico (Bate, 2007; Tscherko, 2003). Embora a atividade microbiana seja diretamente modulada pela disponibilidade de C e N, principalmente nos primeiros estágios da sucessão ecológica estudos têm relatado o fósforo como nutriente limitante em solos quimicamente pobres (Ilstedt, 2005; Davidson, 2007). Em ambientes secos e frios a ciclagem de fósforo realizada pela atividade microbiana ainda não foi fortemente estudada. Devido à falta de disponibilidade de água líquida e condições de oligotrofia que estes solos estão condicionados, o desenvolvimento da comunidade ali estabelecida é primariamente, senão único, microbiano. Além disso, o tempo necessário para a mudança de estágio sucessional é mais lenta. A limitação por fósforo no início do desenvolvimento da comunidade microbiana pode sobrepassar outros parâmetros físico-químicos até então conhecidos por dirigirem condições biológicas (Darcy, 2018). Além disso, a movimentação de fosfatos insolúveis para compostos orgânicos de fósforo é bem documentada em microrganismos como resultado da produção de ácidos derivados do metabolismo (Hodkinson, 2002).
1.6 JUSTIFICATIVA
O estudo da sucessão ecológica apresenta a importante função de elucidar os processos realizados pelas diferentes assembléias dentro de uma comunidade em uma determinada paisagem ao longos dos anos. A dinâmica das comunidades é complexa e resulta na progressão dos ciclos biogeoquímicos
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(Sigler, 2002). As comunidades pioneiras são reconhecidas pelo desenvolvimento do solo e aporte de substrato sustentando estágios sucessores. Embora o processo de sucessão ecológica seja bem determinado em plantas, ainda não é claro como este ocorre nas comunidades microbianas (Kaštovská, 2005).
A exposição de solos de recuo de geleira têm sido apontada como resultado das alterações climáticas. Além disso, por apresentar um novo habitat possível de colonização, se faz necessário entender os possíveis efeitos dessa expansão das comunidades no ecossistema local e seu impacto global.
Dito isso, espera-se no presente trabalho que embora o tempo de retração entre as duas geleiras seja distinto, o input de carbono tenha relação direta com a presença de microrganismos fotoautotróficos assim como o fluxo da respiração microbiana se altere após a adição de fonte de fosfato.
2 OBJETIVOS
2.1OBJETIVO GERAL
O objetivo deste projeto foi avaliar os processos de sucessão ecológica em solos da Antártica sob a perspectiva dos ciclos biogeoquímicos do Carbono e Fósforo. Os modelos de estudo foram solos expostos por recuo das geleiras Baranowski e Collins, da Ilha Rei George (Antártica), onde os métodos de quantificação de microrganismos fotoautotróficos e ensaio de respiração induzida foram utilizados para avaliação do ciclo do Carbono e de Fósforo, respectivamente.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar a presença e estimar a quantidade de microrganismos fotoautotróficos ao longo da cronossequência dos solos coletados;
Avaliar o fluxo de CO2 resultante da respiração induzida (SIR) por fósforo,
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monobásico nas diferentes amostras de solo expostos por recuo de ambas as geleiras e compará-las a respiração basal (RSB);
Determinar se houveram correlações entre os dados físico-químicos dos solos, fornecidos pelo projeto MICROSFERA, com os dados biológicos obtidos na avaliação de autotróficos fotossintetizantes ao longo da cronossequência dos solos expostos.
3 METODOLOGIA
3.1 AMOSTRAS DE SOLO DA ANTÁRTICA
As amostras de solo da Antártica foram fornecidas através da parceria com a Profa. Dra. Vivian Helena Pellizari, do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo (IO-USP). A Profa. Pellizari é coordenadora do projeto MICROSFERA (CNPq/PROANTAR #407816/2013-5 “A Vida microbiana na criosfera antártica: mudanças climáticas, e bioprospecção”), o qual o Prof. Rubens Duarte (UFSC) também é colaborador.
A Geleira Collins (62°09'57.5"S; 58°55'17.5"W) apresenta uma taxa de retração média de 4 m.ano-1 e vem recuando há pelo menos 3.500 anos (Watcham et al., 2011). Um total de 10 amostras de solo foram coletadas em triplicata ao longo de um transecto de 400 m em frente à geleira Collins (Figura 1).
Amostras de solo expostos pela geleira Baranowski (62°11'54.5"S; 58°26'55.0"W), localizada na Ilha Rei George, Antártica, foram coletadas durante o verão de 2015/2016 por membros da equipe do projeto MICROSFERA (Figura 2). A geleira Baranowski apresenta uma taxa de retração média de 18 m.ano-1 e vem recuando desde 1956 (Rosa et al., 2009; Duarte, 2010). Um total de 10 amostras de solo foram coletadas em triplicata ao longo de um transecto de 400 m em frente à geleira. As amostras de solos foram armazenadas em freezer a -20 °C do Navio Almirante Maximiano (PROANTAR/Marinha do Brasil), até serem transportadas para o Brasil e aos laboratórios da rede de pesquisa.
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Para a realização deste projeto foram fornecidas 12 amostras de solo de ambas as geleiras distribuídas ao longo da cronossequência. Os solos coletados foram submetidos a análises físico-químicas dos seguintes parâmetros: pH, conteúdo de matéria orgânica (C), fósforo (PO4-3), potássio (K+), cálcio (Ca+2) e magnésio
(Mg+2). Estes dados foram obtidos por pesquisadores do Projeto MICROSFERA e gentilmente cedidos para este estudo.
Figura 1: Pontos de coleta das amostras de solo (em laranja) na cronossequência da Geleira Collins, Antártica.
Fonte: Projeto MICROSFERA, adaptado do Google Earth.
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Figura 2: Mapa da área de solo exposto por recuo da Geleira Baranowski, Ilha Rei George, Antártica. Os pontos indicados representam a área de coleta de solos (em triplicata).
Fonte: Adaptado de Duarte (2010).
Figura 3: Panorama do transecto da geleira Baranowski, Ilha Rei George (Antártica). BGS0 = ponto mais próximo do recuo da geleira. BGS400 = ponto mais distante do recuo da geleira.
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3.2 ESTIMATIVA DE FOTOAUTOTRÓFICOS ATRAVÉS DO MÉTODO DOS TUBOS MÚLTIPLOS (OU NMP)
A presença e abundância de microrganismos autotróficos fixadores de C nos solos foram determinadas através da metodologia de enumeração por número mais provável (NMP) descrita em Pepper e Gerba (2004). O experimento foi preparado a partir de 5 g de solo fresco de cada amostra de solo alocados em um tubo Falcon de 50 mL estéril. Em seguida, um volume de 45 mL de água destilada foi adicionado aos tubos e homogeneizado com um bastão de vidro. A partir dessa solução, foram preparadas diluições seriadas de 10-2 a 10-6 em tubos de ensaio contendo 9 mL de solução salina (NaCl 0,85%, m/v) esterilizada. Para cada tubo de uma diluição foram preparados 5 tubos de replicatas contendo 1 mL da diluição da amostra e 9 mL de meio Bristol modificado (0,25 g NaNO3, 0,025 g
CaCl2, 0,075 g MgSO4.7H2O, 0,075 g K2HPO4, 0,018 g KH2PO4, 0,025 g NaCl, 0,5
mg FeCl3, conversão para volume final de 1000 mL). Todos os cultivos foram
incubados a temperatura ambiente (aproximadamente 20 °C) em estufa do tipo B.O.D. com 40–80 μmol fótons.m−2.s−1 sob regime de fotoperíodo de 24 horas por 60 dias (Casamatta et al., 2005), até a observação de crescimento microbiano nos tubos.
A enumeração de células foi quantificada através do método de número mais provável (NMP). Para o cálculo do resultado foram determinadas as 3 diluições (p1, p2 e p3) que apresentarem crescimento em meio Bristol, sendo p1 a diluição com maior o número de tubos positivos, enquanto p2 e p3 foram as próximas duas diluições. Foi realizado o somatório da quantidade dos tubos que obtiveram crescimento em cada diluição e o resultado foi consultado em tabela de NMP. Este foi o resultado de NMP, quantificando o número de células fotoautotróficas.mL-1. A fórmula apresentada em Pepper e Gerba (2004) foi utilizada para conversão do NMP em células fotoautotróficas.g-1 de solo:
12
Figura 4: Metodologia para NMP.
Fonte: Adaptado de Pepper e Gerba (2004).
3.3 AVALIAÇÃO DA VELOCIDADE DE RESPIRAÇÃO BASAL E INDUZA POR FÓSFORO
A velocidade de respiração do solo foi utilizada como parâmetro de monitoramento da atividade microbiana. Assume-se que, após a adição de uma fonte de nutrientes que está em falta, a comunidade microbiana autotrófica passe a acelerar seu metabolismo, aumentando a respiração e consequentemente a emissão de gás CO2 para a atmosfera.
Para este experimento, as amostras de solo utilizado foram 0, 50, 100, 200 de ambas as geleiras e a amostra de 300 metros da geleira Collins. Foram adicionados 1,4 µg, 2,8 µg e 17 µg de KH2PO4 à uma porção de 20 g de solo em
triplicatas em frascos tipo Schott de 50 mL fechados para cada distância de solo das geleiras Collins e Baranowski. Além do tratamento contendo fósforo, uma amostra de solo sem adição de fontes suplementares foi utilizada como parâmetro comparativo (respiração basal). Adicionalmente, frascos sem solo foram
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preparados e utilizados como controle experimental (branco). Foram realizadas 3 avaliações independentes, caracterizando repetições biológicas.
A umidade dos solos foi calibrada para 60% da capacidade de retenção do solo. Os tratamentos foram incubados a 20 °C e monitorados quanto à taxa de respiração (emissão de CO2) durante os tempos 48, 168, 240 e 336 horas após a
adição de fosfato. Este método é similar ao empregado em solos do Ártico (Yoshitake et al. 2007).
A leitura do fluxo de CO2 foi realizada com a sonda analisadora de gás
LI-8100 (Li-Cor Environmental, USA) que era acoplada aos frascos no momento da leitura, no interior de uma capela de fluxo laminar (Carvalho et al., 2013). As leituras foram realizadas em um intervalo de 2 min, em triplicata. A temperatura interna da câmara da sonda e a temperatura externa do sistema foi monitorada para controle, uma vez que o aumento da temperatura pode induzir a emissão abiótica de CO2 do solo para a atmosfera do frasco via dissolução de carbonatos
(Emmerich, 2003).
3.4 ANÁLISES ESTATÍSTICAS
Os resultados obtidos na estimativa de fotoautotróficos e os dados de fluxo de CO2 foram avaliados por diferentes métodos estatísticos. Diferenças na
quantidade estimada de fotoautotróficos foram determinadas por análise de variância (ANOVA) onde a média de fotoautotróficos foi comparada entre os solos. As amostras foram submetidas a análise de componentes principais (PCA), aplicada para determinar se há uma correlação entre os dados levantados neste projeto (número de fotoautotróficos), com o tempo de exposição do solo (proporcional à distância da geleira) e os parâmetros físico-químicos levantados anteriormente pelo projeto MICROSFERA.
Para o experimento de fluxo de CO2, inicialmente os dados obtidos na
respiração basal de cada solo foram comparados por teste-t não pareado a fim de determinar se há solos com fluxo de CO2 maior ou menor que outros. De forma
similar, os resultados da respiração induzida serão comparados com a respiração basal de cada solo por teste de Shapiro-Wilk a fim de determinar normalidade entre as amostras e em seguida teste-t não pareado.
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Adicionalmente, os parâmetros físico-químicos levantados anteriormente pelo projeto MICROSFERA (item 3.1) foram correlacionados com os dados de fotoautotróficos utilizando PCA.
4 RESULTADOS
4.1 AVALIAÇÃO DE FOTOAUTOTRÓFICOS
O número de células fotoautotróficas do solo de recuo das geleiras Baranowski e Collins foi determinado por técnica dos tubos múltiplos com estimativa do número mais provável (NMP). As culturas em meio Bristol foram incubadas por até 60 dias a temperatura ambiente com iluminação artificial constante. As culturas foram monitoradas diariamente e o crescimento foi considerado positivo ao constatar a formação de turbidez, precipitação de biomassa, ou ocorrência de agregados/biofilmes na parede do tubo.
Os microrganismos fotoautotróficos foram cultivados nos solos das duas geleiras estudadas, embora nem todas as amostras da cronossequência apresentaram crescimento (Tabelas 1 e 2). Durante o período de incubação, os tubos de cultura das amostras BGS50, BGS400 e COL100 apresentaram crescimento antes das outras amostras, indicando uma provável maior concentração de células fotoautotrófica nesses solos.
Os solos de recuo da geleira Baranowski apresentaram crescimento nas distâncias de 50, 100, 200, 300 e 400 m, variando de 7,8 a 184 células fotoautotróficas.g-1 de solo (Tabela 1). O solo abaixo da geleira Baranowski (BGS0 - 0 m) não apresentou nenhum tubo com crescimento nos dois experimentos realizados. Entretanto, considerando o gradiente espaço-temporal, o solo a 50 m (BGS50) já apresentou uma concentração de 74 células.g-1. A maior concentração de células foi detectada no solo BGS400 (184 células.g-1), que corresponde a 400 m de distância da frente da geleira ou aproximadamente 22 anos de retração do gelo (Figura 5).
Os solos de recuo da geleira Collins apresentaram crescimento em todas as amostras, variando de 163 a 1180 células fotoautotróficas.g-1 de solo (Tabela 2). Ao contrário da geleira Baranowski, o solo abaixo da geleira Collins (COL0 - 0 m)
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apresentou células fotoautotróficas (660 células.g-1) e a maior concentração observada foi a 100 m (COL100) da frente da geleira, com 1180 células.g-1. Nas distâncias posteriores (COL200 a COL400), a concentração de células fotoautotróficas diminuiu (Figura 6).
Tabela 1: Resultado do teste de NMP para fotoautotróficos nos solos da geleira Baranowski. Nas colunas de diluição (10-2 a 10-6) está apresentado a quantidade de tubos de meio Bristol que apresentaram crescimento
microbiano em 5 replicatas. Dois experimentos fora
Amostra Diluição NMP* Média Células.g-1 solo
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 BGS0 0 0 0 0 0 0 0 0 BGS0 0 0 0 0 0 0 BGS50 5 1 2 0 0 0 0,05 74 BGS50 3 1 0 0 0 0,1 BGS100 3 0 0 0 0 0,078 0,039 7,8 BGS100 0 0 0 0 0 0 BGS200 4 2 1 0 0 0,26 0,1525 30,5 BGS200 2 0 0 0 0 0,045 BGS300 4 1 0 0 0 0,17 0,085 17 BGS300 0 0 0 0 0 0 BGS400 5 5 3 0 0 0,79 0,46 184 BGS400 4 0 0 0 0 0,13
*O valor de NMP foi estimado pela diluição p2, conforme descrito em Pepper e Gerba (2004).
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Tabela 2: Resultado do teste de NMP para fotoautotróficos nos solos da geleira Collins. Nas colunas de diluição (10-2 a 10-6) está apresentado a quantidade de tubos de meio Bristol que apresentaram crescimento
microbiano em 5 replicatas. Dois experimentos foram r
Amostra Diluição NMP* Média Células.g-1 solo
10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 COL0 5 2 0 0 0 0,49 1,095 660 COL0 5 4 1 0 0 1,7 COL50 5 2 0 0 0 0,49 1,095 219 COL50 5 4 1 0 0 1,7 COL100 5 0 0 0 0 0,23 1,18 1.180 COL100 5 2 2 0 0 0,95 COL200 5 0 0 0 0 0,23 0,72 279 COL200 5 2 0 0 0 0,49 COL300 5 3 1 0 0 1,1 1,43 460 COL300 5 1 0 0 0 0,33 COL400 5 4 0 0 0 1,3 1,63 163 COL400 5 1 0 0 0 0,33
*O valor de NMP foi estimado pela diluição p2, conforme descrito em Pepper e Gerba (2004).
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Figura 5: Concentração de células fotoautotróficas em função da distância do solo em relação a frente da geleira Baranowski.
Fonte: Própria autora.
Figura 6: Concentração de células fotoautotróficas em função da distância do solo em relação a frente da geleira Collins.
Fonte: Própria autora.
A análise estatística pelo teste ANOVA foi realizada, porém não foi observada nenhuma diferença entre as médias de concentração celulares dos solos da geleira Baranowski (p = 0,46872) ou entre os solos da geleira Collins (p = 0,41157).
A análise de componentes principais (PCA) foi realizada utilizando dados pretéritos do projeto MICROSFERA, onde se aplicou a técnica de metagenômica
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para caracterizar a diversidade microbiana das amostras de solo da geleira Baranowski e Collins (Laforce, 2019). Os dados de concentração de células autotróficas, obtidas neste projeto, foram agregados aos dados físico-químicos do solo como variáveis ambientais/explanatórias em busca de melhor compreender quais elementos podem estar influenciando a estruturação da comunidade microbiana.
A análise PCA indicou que a concentração de células fotoautotróficas pode estar correlacionada à diversidade das amostras BGS50, BGS300 e BGS400. As variáveis manganês (Mn) e potássio (K) foram correlacionadas à amostra BGS50, e a variável cálcio (Ca) correlacionada às amostras BGS100 e BGS200 (Figura 7A). As componentes PC1 e PC2 explicaram aproximadamente 50,8% e 35,9% da variação observada, respectivamente.
Para a geleira Collins a estrutura de comunidade microbiana se dividiu entre as amostras mais jovens (COL0, COL50 e COL100) e mais antigas (COL300 e COL400), estando a amostra COL200 espacialmente distante no gráfico da PCA (Figura 7B). As variáveis fósforo (P), manganês (Mn), magnésio (Mg) e a quantidade de fotoautotróficos foram correlacionadas às amostras de solos mais jovens, indicando um papel importante tanto dessas variáveis para a comunidade no início da sucessão ecológica. As componentes PC1 e PC2 explicaram aproximadamente 53,4% e 22,8% da variação observada, respectivamente.
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Figura 7: Análise de componentes principais (PCA) entre os dados do projeto MICROSFERA e a concentração de células fotoautotróficas. A) Geleira Baranowski; B) Geleira Collins. Variáveis: MO = matéria orgânica; pH = potencial hidrogeniônico; Ca = cálcio; Cu = cobre
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4.2 AVALIAÇÃO DA VELOCIDADE DE RESPIRAÇÃO BASAL E INDUZIDA POR FÓSFORO
A determinação do fluxo de CO2 foi realizada com a sonda LI-8100, através
da mensuração da respiração resultante da atividade microbiana e computados no programa SoilFluxPro. O experimento foi realizado em triplicatas para todas as distâncias e todas as concentrações de tratamento, exceto pela amostra de 200 m da geleira Baranowski no tratamento de 17 µg a qual foi realizada em duplicata. A adição de fósforo (KH2PO4) foi realizada com H2O, calibrada em 60% WHC e os
tratamentos incubados em estufa a 20 °C.
Os resultado dos dados obtidos do fluxo de CO2 induzido por fósforo e a
respiração basal previamente mensurada de cada triplicata de tratamento realizada foram submetidos à teste de normalidade por Shapiro-Wilk, onde p>0,05 representa normalidade. Em seguida, a comparação de médias realizada pelo teste-t de Student a 5 % de probabilidade, foi realizada utilizando o software SigmaPlot, a fim de determinar o efeito dos tratamento.
Tabela 3: Valores de p referentes ao teste de Shapiro-Wilk, apresentando os tratamentos com p > 0,05.
VALOR DE P Amostra 1,4 µg 2,8 µg 17 µg BGS 0 0,965 0,260 0,231 BGS 50 0,972 0,205 0,105 BGS 100 0,228 0,955 0,338 COL 300 0,610 0,781 0,695
Tabela 4: Valores de p obtidos através de teste-T de Student, com significância de p < 0,05.
VALOR DE P Amostra 1,4 µg 2,8 µg 17 µg BGS 0 0,0107 0,3200 0,5010 BGS 50 0,0627 0,0080 0,3950 BGS 100 0,0992 0,0096 0,0187 COL 300 0,0270 0,0253 0,0187
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Os solos que apresentaram valores obedecendo distribuição normal (p>0,05), segundo teste de Shapiro-Wilk, foram todos os tratamentos de 0m, 50m e 100m da geleira Baranowski. Em contrapartida, apenas os tratamentos de solo da distância de 300 metros da geleira Collins apresentaram valores de p referentes à distribuição normal: 0,610 para 1,4 µg, 0,781 para 2,8 µg e 0,695 para 17 µg (Tabela 3).
Após a análise do teste de normalidade, os valores que obedeceram às condições do respectivo teste tiveram suas médias obtidas para o teste-t. Foram observadas diferenças significativas entre as médias da respiração basal em todas as concentrações de adição de fósforo na respiração induzida apenas em COL300 (Figura 8). Na amostra BGS100 as concentrações de 2,8 µg e 17 µg apresentaram diferença significativa em relação a média da respiração basal (Figura 9). Nas amostras BGS0 e BGS50 com adições inferiores à 17 µg (1,4 µg e 2,8 µg, respectivamente) o teste indicou diferença significativa de p = 0,0107 e 0,008 respectivamente (Tabela 4).
Figura 8: Médias das respirações induzidas (1,4 µg, 2,8 µg e 17 µg) e basal do solo de 300 metros da geleira Collins, no intervalo de tempo de 48 horas até 360 horas.
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Figura 9: Médias das respirações induzidas (1,4 µg, 2,8 µg e 17 µg) e basal do solo de 100 metros da geleira Baranowski, no intervalo de tempo de 48 horas até 360 horas.
Fonte: própria autora.
5 DISCUSSÃO
5.1 AVALIAÇÃO COMUNIDADE FOTOAUTOTRÓFICA
Os resultados deste trabalho vem a complementar um estudo de longa data realizado pelo projeto MICROSFERA (CNPq/PROANTAR #407816/2013-5) com dados sobre aspectos do ciclo do carbono nos processos de sucessão ecológica dos solos da Antártica.
Processos de sucessão ecológica ocorrem nos solos da Antártica após o recuo de geleiras. Neste processo, a comunidade microbiana que estava previamente coberta por gelo, durante centenas a milhares de anos, passa a ser exposta à atmosfera e é suprida com nutrientes, oxigênio, luz, e água líquida. Nesse momento, os microrganismos ali presentes de forma “pioneira”, dão início aos processos de sucessão ecológica, alterando a composição do solo em que vivem.
As duas geleiras estudadas no projeto possuem registros de retração diferente. A geleira Baranowski apresenta uma velocidade média de 18 m.ano-1 (Rosa, 2009; Duarte, 2010), enquanto a geleira Collins retrai a aproximadamente 4 m.ano-1 (Watcham, 2011). Para a discussão dos resultados deste estudo é
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importante considerar esta diferença na velocidade de retração, pois os solos foram coletados em um gradiente de 0 a 400 m de distância da frente de cada geleira. Considerando uma velocidade de retração constante, o solo BGS400 tem uma idade de exposição estimada em 22 anos, enquanto o solo COL400 tem aproximadamente 100 anos de contato com a atmosfera. Esta importante diferença será discutida frente aos resultados obtidos neste trabalho.
A geleira Baranowski não apresentou fotoautotróficos na amostra de solo de 0 m, indicando que não há fixação de carbono por fotossíntese nos solos imediatamente expostos por retração desta geleira (Figura 10). Sendo assim, a comunidade microbiana do solo recentemente exposto depende de outras fontes de carbono orgânico, como por exemplo da matéria orgânica já estocada no solo. Este fenômeno também foi observado em solos dos Alpes da Áustria que apresentaram recuo de geleira nos últimos 150 anos (Bardgett, 2007). No solo BGS50, que corresponde a 3 anos de exposição do solo, os fotoautotróficos foram detectados a uma concentração de 74 células.g-1, o que sugere que neste intervalo de tempo ocorra a invasão de microrganismos fotoautotróficos na comunidade microbiana, suprindo a cadeia trófica com a fixação de carbono atmosférico. Entretanto, a concentração desses organismos diminuiu entre BGS100 e BGS300, sugerindo que processos de sucessão ecológica nos próximos 16 anos de exposição limitem o tamanho populacional dos fixadores de carbono. Após o solo completar cerca de 22 anos de exposição (BGS400), a concentração de fotoautotróficos aumenta novamente até 184 células.g-1, atingindo o maior valor observado na cronossequência da Baranowski.
Duarte (2010) e Laforce (2019) estudaram a sucessão ecológica nos solos da geleira Baranowski com métodos de sequenciamento do gene RNAr 16S e identificaram que mudanças significativas na estrutura de comunidade microbiana ocorriam às distâncias aproximadamente de 0 m, 50 m, e 400 m. Estes autores identificaram que entre 50 e 300 m a comunidade microbiana era diferente do solo mais jovem (0-50 m) e do solo mais antigo (300-400 m), associando este processo à sucessão ecológica. A divisão da comunidade microbiana nestas distâncias (0-50 m; 50-300 m; 300-400 m) é similar ao observado na concentração de fotoautotróficos determinada neste trabalho (Figura 5). Além disso, Duarte (2010) identificou que a mudança da diversidade por volta dos 300
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m de distância ocorria em paralelo à presença de líquens, musgos e gramíneas, os quais não ocorrem nos solos próximos das geleiras. Por exemplo, os musgos ocorrem a partir de 340 m de distância da frente da geleira Baranowski, e as gramíneas Deschampsia antarctica e Colobanthus quitensis após 380 m de distância da mesma. Este fenômeno pode estar relacionado com uma comunidade microbiana mais desenvolvida e com maior capacidade de dar suporte nutricional para as plantas (Duarte, 2010). Por fim, no solo 400 m de distância da geleira, os fotoautotróficos foram observados em maior quantidade ao mesmo tempo que há o registro de maior densidade de gramíneas no solo (Duarte, 2010). Isso sugere que a fixação de carbono é maior nos solos mais desenvolvidos, pois tanto os microrganismos fotoautotróficos quanto as plantas contribuem para gerar matéria orgânica nestes solos. Uma hipótese alternativa é que as plantas no solo de 400 m sejam responsáveis pela fixação do carbono, uma vez que elas ocorrem com sucesso de dispersão e reprodução no ambiente antártico, e a comunidade de microrganismos fotoautotróficos observada tenha uma função diferente nesses solos - como por exemplo na fixação de nitrogênio. Esta hipótese tem fundamento nos resultados de Duarte (2010) que observou maior concentração de NH3 e NO32- nos solos de 400 m, além do fato de muitas
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Figura 10: Vista da superfície do local de estudo. Coleta do solo de 0m da geleira Baranowski no verão de 2014/2015. Ilha rei George, Península Antártica (Antártica).
Fonte: Acervo Pessoal Diego Franco.
Os solos da geleira Collins apresentaram um resultado quantitativamente diferente, mas ainda assim similar quanto à dinâmica das populações fotoautotróficas. O solo abaixo da geleira (COL0) apresentou 660 células fotoautotróficas.g-1, ao contrário de BGS0 que não apresentou nenhum microrganismo fotoautotrófico. Este resultado pode ser explicado pelo fato de que o solo COL0 apresentava-se coberto por uma fina camada de gelo sobreposta por neve, ao contrário do solo BGS0 que estava completamente coberto por gelo. Estas informações, contidas no relatório de coleta em campo do projeto MICROSFERA, sugere que houve derretimento de parte da geleira Collins seguido por um rápido resfriamento, de alguns dias ou semanas antes do dia da coleta. Este derretimento da geleira provavelmente trouxe microrganismos da superfície da geleira até o solo. A superfície das geleiras são classicamente um habitat onde sobrevivem diversas espécies de bactérias do Filo Cyanobacteria (Hodson et al., 2008).
Um pico de concentração de 1180 células fotoautotróficas.g-1 foi observado no solo a 100 m de distância da geleira Collins (Figura 6). Nos solos mais jovens (0-50 m) a concentração de fotoautotróficos foi menor, indicando que houve um
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aumento desse grupo ao longo do tempo de exposição do solo. Assumindo uma velocidade constante de 4 m.ano-1, o solo a 100 m esteve descoberto pela geleira a 25 anos atrás. Este período de tempo é similar ao tempo que o solo da geleira Baranowski ficou exposto até alcançar a maior concentração de fotoautotróficos (BGS400). Além disso, dados obtidos no relatório de coleta indicam que os líquens, musgos e gramíneas ocorrem a partir dos solos a 100 m de distância da geleira Collins (Figura 11). Estes resultados sugerem que os processos de sucessão ecológica do solo antártico são similares, mesmo em geleiras com velocidades diferentes de derretimento e exposição do solo.
Figura 11: Vista da superfície do local de estudo. Coleta do solo de 300m da geleira Collins no verão de 2014/2015. Ilha rei George, Península Antártica (Antártica).
Fonte: Acervo Pessoal Diego Franco.
Os resultados do teste estatístico ANOVA não apresentaram significância entre as médias de fotoautotróficos dos solos. Este resultado pode ser explicado pelo fato de os desvios padrão das médias serem altos, uma vez que apenas 2 repetições dos experimentos foram realizadas no período. Entretanto, a observação de crescimento de microrganismos no meio Bristol dos solos BGS50, BGS400 e COL100 após poucos dias de incubação indicam que as maiores concentrações de fotoautotróficos realmente ocorrem nestes solos. Outras
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repetições do experimento poderão ser realizadas para complementar este trabalho. Por fim, a análise multivariada por PCA indicou a importância dos microrganismos fotoautotróficos na estruturação da comunidade microbiana a partir dos 3 primeiros anos até cerca de 22-25 anos de exposição do solo, sobretudo na participação destes microrganismos como fixadores de carbono e produtores primários nos solos antárticos.
5.2 RESPIRAÇÃO INDUZIDA POR FÓSFORO
A adição de nutrientes nos solos pode alterar o metabolismo microbiano podendo ser avaliada pela quantidade de CO2 produzido. Visto que o fósforo é um
dos nutrientes que dirige o metabolismo e a composição estrutural das células, a utilização deste para diversas funções metabólicas deve ser considerada (Guo, 2017). A absorção do fósforo pelas comunidades fotoautotróficas e/ou quimiolitotróficas pode ser relevante nos resultados deste experimento, considerando o fato do solo BGS100 apresentar queda na quantidade de células fotoautotróficas no experimento de NMP. A utilização do gás carbônico (apresentada pelos valores negativos de fluxo) pode apresentar um resultado derivado da limitação de fósforo para atividade microbiana autotrófica, inferindo que este elemento estava sendo limitante. Isso representa que a solubilização de fósforo pode ter influência na estrutura da comunidade microbiana (Cabral, 2016; Darcy, 2018).
Os resultados dos testes não conseguiram explicar significância pela adição de fósforo na maioria dos resultados. As leituras do fluxo de CO2
apresentaram a tendência central destoante para 56% das médias obtidas (BGS200, COL0, COL50, COL100 e COL200). Dito isso, apenas as amostras que se enquadraram nos requisitos para teste-t de Student foram inferidas, não optando pelo teste U de Mann Whitney, com a finalidade de obter uma maior confiabilidade nos dados. Outra consideração é a relação da quantidade de solo utilizada para o experimento somada a baixa biomassa microbiana dos solos da Antártica. Essa hipótese foi levantada a partir da leitura do fluxo pelo equipamento LI-COR 8100, onde os valores foram representados em escala linear e não exponencial. Além disso, as condições díspares do experimento montado no
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laboratório são dispares se comparadas às condições extremas do ambiente antártico, resultando numa diferente resposta metabólica provinda da comunidade microbiana.
O consumo de fósforo pela comunidade microbiana com aptidão para solubilizar fontes inorgânicas deste elemento pode cessar quando não há mais fontes deste disponíveis e também quando a necessidade pelo nutriente cessa. Ainda, a escassez de carbono, nitrogênio e outros elementos podem limitar a utilização de fósforo para o metabolismo da comunidade (Ilsted, 2003; 2005; Giesler, 2011). Essa hipótese é sustentada dada a característica oligotrófica dos solos de recuo de geleira da Antártica, onde os distúrbios físicos e químicos dirigem as condições bióticas e abióticas destes substratos (Bradley, 2014).
Visando maior esclarecimento sobre disponibilidade de fósforo nos solos de recuo de geleira, sugere-se que o experimento seja realizado primariamente em campo. Caso realizado em laboratório admite-se necessidade de maior quantidade de solo para elevar os níveis de confiabilidade do estudo, assim como é necessário repetir o experimento mais vezes. Também, considera-se interessante o tratamento somado C+P, N+P e C+N+P para avaliar as possíveis colimitâncias entre os elementos. Devido às características do ambiente, a baixa disponibilidade de água líquida se mostra como um fator possível de interferência na comunidade microbiana, portanto, o tratamento avaliando a disponibilidade de H2O conjunta com o P é tido de interesse (Ehlers, 2011; Illeris, 2003).
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6 CONCLUSÃO
Os experimentos e resultados obtidos neste trabalho permitem concluir que a comunidade microbiana dos solos da Antártica passam por processos de sucessão ecológica com a seguinte configuração:
1) Os organismos fotoautotróficos estão ausentes ou em baixa quantidade no solo coberto pelas geleiras;
2) Nos 3 primeiros anos de exposição do solo, os microrganismos do solo dependem de carbono orgânico já estocado no solo, tal como ocorre em solos dos Alpes Austríacos;
3) Após 3 anos de exposição do solo, os microrganismos fotoautotróficos estão presentes no solo e contribuem com carbono orgânico para a comunidade microbiana;
4) A concentração de fotoautotróficos diminui até os 16 anos de exposição do solo, período no qual a comunidade microbiana modifica a constituição do solo e começam a surgir as gramíneas;
5) O fósforo não é limitante para os anos iniciais da sucessão ecológica na geleira Baranowski.
6) Após 22-25 anos de exposição, o solo volta a apresentar grande quantidade de fotoautotróficos em paralelo à ocorrência de gramíneas, estando estes grupos ambos realizando fixação do carbono e/ou com os microrganismos participando da fixação do nitrogênio.
7) A disponibilidade de fósforo pode alterar o metabolismo da comunidade microbiana autotrófica nos solos mais antigos.
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7 REFERÊNCIAS
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BISKABORN, B.K. Permafrost is warming at a global scale. Nat Commun 10, 264, 2019.
BRADLEY, J. A. et. al. Microbial community dynamics in the forefield of glaciers. Proc. R. Soc. B 281: 20140882, 2014.
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