Criando uma coluna de Winogradsky: um método para enriquecer as espécies microbianas em uma amostra de sedimento

Fonte: Elizabeth Suter¹, Christopher Corbo¹, Jonathan Blaize^1
1 Departamento de Ciências Biológicas, Wagner College, 1 Campus Road, Staten Island NY, 10301

A coluna Winogradsky é um ecossistema em miniatura e fechado usado para enriquecer comunidades microbianas de sedimentos, especialmente aquelas envolvidas no ciclismo de enxofre. A coluna foi usada pela primeira vez por Sergei Winogradsky na década de 1880 e desde então tem sido aplicada no estudo de muitos microrganismos diversos envolvidos na biogeoquímica, como fotossintingesizers, oxidantes de enxofre, redutores de sulfato, methanogens, oxidantes de ferro, ciclodificadores de nitrogênio e muito mais (1,2).

A maioria dos microrganismos na Terra são considerados inculturais,o que significa que eles não podem ser isolados em um tubo de ensaio ou em uma placa de petri (3). Isso se deve a muitos fatores, incluindo que os microrganismos dependem de outros para certos produtos metabólicos. As condições em uma coluna de Winogradsky imitam de perto o habitat natural de um microrganismo, incluindo suas interações com outros organismos, e permitem que eles sejam cultivados em laboratório. Por isso, essa técnica permite que os cientistas estudem esses organismos e entendam como eles são importantes para os ciclos biogeoquímicos da Terra sem ter que cultivá-los isoladamente.

Os ambientes da Terra estão cheios de microrganismos que prosperam em todos os tipos de habitats,como solos, água oceânica, nuvens e sedimentos em alto mar. Em todos os habitats, os microrganismos dependem uns dos outros. À medida que um microrganismo cresce, ele consome substratos particulares, incluindo combustíveis ricos em carbono, como açúcares, bem como nutrientes, vitaminas e gases respiratórios como oxigênio. Quando esses recursos importantes se esgotam, diferentes microrganismos com diferentes necessidades metabólicas podem então florescer e prosperar. Por exemplo, na coluna Winogradsky, os micróbios primeiro consomem o material orgânico adicionado enquanto esgotam o oxigênio nas camadas inferiores da coluna. Uma vez que o oxigênio é usado, organismos anaeróbicos podem então assumir e consumir diferentes materiais orgânicos. Esse desenvolvimento consecutivo de diferentes comunidades microbianas ao longo do tempo é chamado de sucessão (4). A sucessão microbiana é importante em uma coluna winogradsky, onde a atividade microbiana altera a química do sedimento, que então afeta a atividade de outros micróbios e assim por diante. Muitos microrganismos em solos e sedimentos também vivem ao longo de gradientes,que são zonas transitórias entre dois tipos diferentes de habitats baseados nas concentrações de substratos (5). No ponto correto no gradiente, um micróbio pode receber quantidades ideais de diferentes substratos. À medida que uma coluna winogradsky se desenvolve, ela começa a imitar esses gradientes naturais, particularmente em oxigênio e sulfeto (Fig. 1).

Figura 1: Uma representação dos gradientes de oxigênio (O₂) e sulfeto (H₂S) que se desenvolvem em uma coluna winogradsky.

Em uma coluna winogradsky, lama e água de um lago ou pântano são misturados em uma coluna transparente e permitidos a incubação, tipicamente à luz. Substratos adicionais são adicionados à coluna para dar à comunidade fontes de carbono, geralmente sob a forma de celulose, e enxofre. Fotossintificadores normalmente começam a crescer nas camadas superiores do sedimento. Esses microrganismos fotossintéticos são em grande parte compostos por cianobactérias,que produzem oxigênio e aparecem como uma camada verde ou marrom-vermelha (Fig. 2, Tabela 1). Enquanto a fotossíntese produz oxigênio, o oxigênio não é muito solúvel em água e diminui abaixo dessa camada (Fig. 1). Isso cria um gradiente de oxigênio, variando de altas concentrações de oxigênio nas camadas superiores a zero oxigênio nas camadas inferiores. A camada oxigenada é chamada de camada aeróbica e a camada sem oxigênio é chamada de camada anaeróbica.

Na camada anaeróbica, muitas comunidades microbianas diferentes podem proliferar dependendo do tipo e quantidade de substratos disponíveis, da fonte dos micróbios iniciais e da porosidade do sedimento. No fundo da coluna, organismos que aeróbios quebram matéria orgânica podem prosperar. A fermentação microbiana produz ácidos orgânicos a partir da quebra da celulose. Esses ácidos orgânicos podem então ser usados por redutores de sulfato,que oxidam esses orgânicos usando sulfato, e produzem sulfeto como subproduto. A atividade dos redutores de sulfato é indicada se o sedimento ficar preto, pois o ferro e o sulfeto reagem para formar minerais pretos de ferro-sulfeto (Fig. 2, Tabela 1). O sulfeto também difunde para cima, criando outro gradiente no qual as concentrações de sulfeto são altas na parte inferior da coluna e baixas na parte superior da coluna (Fig. 1).

Perto do meio da coluna, os oxidantes de enxofre aproveitam o fornecimento de oxigênio de cima e sulfeto de baixo. Com a quantidade certa de luz, oxidantes de enxofre fotossintéticos podem se desenvolver nessas camadas. Esses organismos são conhecidos como bactérias de enxofre verde e roxo , e muitas vezes aparecem como filamentos e manchas verde, roxo ou roxo-vermelho (Fig. 2, Tabela 1). As bactérias de enxofre verde têm maior tolerância ao sulfeto e geralmente se desenvolvem na camada diretamente abaixo das bactérias do enxofre roxo. Acima das bactérias de enxofre roxo, bactérias não-enxofre roxas também podem se desenvolver. Esses organismos fotossintestêm usando ácidos orgânicos como doadores de elétrons em vez de sulfeto e muitas vezes aparecem como uma camada vermelha, roxa, laranja ou marrom. Oxidantes de enxofre não fotosintéticos podem desenvolver-se acima das bactérias não-enxofre roxas, e estes geralmente aparecem como filamentos brancos (Fig. 2, Tabela 1). Além disso, bolhas também podem se formar na coluna Winogradsky. Bolhas nas camadas aeróbicas indicam a produção de oxigênio pelas cianobactérias. Bolhas nas camadas anaeróbicas são provavelmente devido à atividade de metanogens, organismos que aeróbicamente quebram matéria orgânica e formam metano como subproduto.

Tabela 1: Os principais grupos de bactérias que podem aparecer em uma coluna clássica de Winogradsky, de cima a baixo. Exemplos de organismos de cada grupo são dados, e os indicadores visuais de cada camada de organismos são listados. Baseado em Perry et al. (2002) e Rogan et al. (2005).