Biologia

Diatomáceas de Sedimento: respirando nitrato em condições escuras e anóxicas

Este artigo é muito interessante e me fez lembrar do meu primeiro plano de monografia, que era com diatomáceas de sedimento. Anja Kamp e seus colaboradores do Instituto Max Planck para Microbiologia Marinha fizeram um experimento para elucidar como as diatomáceas sobrevivem em condições de falta de luminosidade, nutrientes e anoxia. Isso é interessante porque justamente as diatomáceas são conhecidas por sobreviverem enterradas no sedimento por longos períodos, algo totalmente fora do padrão das outras algas.

As diatomáceas são organismos fotoautótrofos que podem ser encontrados em todo o planeta, tanto em águas continentais (rios e lagos) quanto marinhas (estuários inclusos) além serem encontradas entre o fitoplâncton (pelágicas) ou vivendo no fundo da água, no sedimento (bentônicas). Sua grande resistência, distribuição e produtividade as tornam responsáveis por certa de 40% da produção primária dos ecossistemas marinhos, são importantes como alimento para todo tipo de organismo e tem um importante papel no ciclo global do carbono.

Logo depois de grandes florações algais, os blooms, ocorre a precipitação de massa da superpopulação de diatomáceas. Geralmente esse processo é mediado pelo esgotamento dos nutrientes na coluna d’água, principalmente a sílica, que é usada pelas diatomáceas para sintetizar sua parede celular – atende pelo nome de teca – que é praticamente uma concha de vidro. Uma fração importante das diatomáceas depositadas no sedimento pode sobreviver por muito tempo em condições anóxicas e sem luminosidade. A forma como as diatomáceas sobrevivem nestas condições, assim como a função do nitrato intracelular, ainda é desconhecida.

As precipitações de blooms são apenas uma das formas pelas quais as algas acabam debaixo da terra. A atividade de animais no sedimento também pode enterra-las, isso se chama bioturbação. Outra coisa que pode acontecer são perturbações no sedimento causadas por correntes ou pela maré que podem soterrar colônias de diatomáceas betônicas.

Algumas diatomáceas que vivem em ambientes litorâneos apresentam um comportamento interessante. Elas migram de grão em grão para camadas mais profundas de sedimento para fugirem de serem levadas pela maré (MOSS, 1977; HARPER, 1969). Depois elas retornam para a superfície para fotossintetizar. Outras que carecem de mobilidade precisam esperar a boa vontade das ondas para desenterra-las e isso pode demorar muito tempo. Por isto, muitas apresentam uma incrível resistência e podem viver enterradas, sem fotossíntese ou oxigênio por bastante tempo. Algas que vivem enterradas no sedimento são chamadas de episâmicas (ROUND, 1965) e justamente as diatomáceas são as principais representantes deste grupo de algas (UBOM & ESSIEN, 2003).

Muitas diatomáceas estocam NO3- dentro das células em concentrações 100mM o que excede a concentração do ambiente em muitas vezes. Já era conhecido que elas usam o Nitrato para redução assimilatória (incorporação de nitrogênio), porém, o estoque também pode ser usado para redução dissimilatória. A redução dissimilatória de nitrato é um processo de respiração encontrado em bactérias, principalmente nas sulfurosas. Dentre os eucariotos, somente os fungos apresentam este mecanismo. A reação consiste de redução do NO3- para NO2- – com transporte de elétrons via fosforilação – seguido da redução do NO2- em NH4+(amônia) com uma fosforilação em nível de substrato.

Métodos:

Foram feitas 3 culturas de diatomáceas pelágicas e bentônicas para avaliar a capacidade máxima de estocagem de NO3- e a correlação entre isto e a sobrevivência em condições afóticas e anóxicas. Depois a diatomácea bentônica Amphora coffeaeformis foi usada como modelo para avaliar o consumo de Nitrado depois de uma súbita exposição a condições afóticas e anóxicas.

Resultados e Discussão:

Foi encontrada uma correlação positiva entre a concentração de nitrato intracelular a a resistência a condições anóxicas e afóticas das espécies avaliadas. Curiosamente não há relação a sobrevivência e ela ser pelágica ou não. Nitzschia punctata e A. coffeaeformis foram as recordistas com 28 semanas de sobrevivência. Nenhum dos cultivos apresentou crescimento durante o teste de sobrevivência, porém, todos ainda estavam crescendo assim que o teste iniciou. Este experimento mostrou que a armazenagem de NO3- intracelular é parte de um mecanismo que permite a estas algas sobreviverem em condições adversas. A. coffeaeformis foi a espécie que mostrou os maiores estoques de nitrato.

Foi registrado um grande consumo de nitrato intracelular durante o experimento de sobrevivência, sendo a maior parte usado nas primeiras 8 horas. 21 horas depois 87% do nitrato havia sido consumido. Durante o experimento de sobrevivência, a A. coffeaeformis consumia o nitrato intracelular liberando amônia no meio de cultura. Quando as colônias eram expostas a luz a respiração do nitrogênio prosseguia, mas sem liberação de amônia. Aparentemente o nitrato é usado para crescimento em condições ótimas e para sobrevivência em condições adversas. O consumo extremamente rápido do nitrato nas primeiras horas em condições adversas sugerem que ele é usado como fonte de energia durante a transição do estado de crescimento para um estado de latência das células. Isto é evidenciado pela queda abrupta do consumo de nitrato algumas horas depois de iniciado o experimento.

As células sobreviventes ao experimento mostraram pouca degradação dos pigmento e fotossintetizaram assim que expostas à luz. A habilidade das diatomáceas de processar o nitrato como os procariotos e fungos fazem pode ter sido incorporada ao seu DNA via transferência horizontal de genes de bactérias marinhas. Além disto, as diatomáceas revelaram ter uma combinação de mecanismos metabólicos que jamais foram encontrados juntos em qualquer organismo. Esta capacidade de sobreviver em condições anóxicas e afóticas explicaria porque a s diatomáceas se mantêm tão ativas em meios sem luz ou nutrientes e também porque elas retomam as atividades tão rapidamente depois de submetidas a condições adversas.

Ilustração do artigo: Mostra como seria o ciclo de vida das diatomáceas em função do nitrato intracelular. Elas o utilizariam para crescimento em ambiente rico em nutrientes. Quando expostas a condições adversas, o nitrato seria a fonte de energia para a entrada em um estado de resistência que duraria até que a alga encontrasse um ambiente adequado mais uma vez por ressurgência ou migração até camadas de sedimento ou água mais iluminadas e ricas em nutrientes.
Ilustração do artigo: Mostra como seria o ciclo de vida das diatomáceas em função do nitrato intracelular. Elas o utilizariam para crescimento em ambiente rico em nutrientes. Quando expostas a condições adversas, o nitrato seria a fonte de energia para a entrada em um estado de resistência que duraria até que a alga encontrasse um ambiente adequado mais uma vez por ressurgência ou migração até camadas de sedimento ou água mais iluminadas e ricas em nutrientes.

O experimento também evidência a importância das diatomáceas no ciclo do nitrogênio pois são extremamente abundantes em ambientes marinhos onde são responsáveis por cerca de 30-50% da perda de nitrogênio da água oceânica.

 

 

Artigo de Referência:
Kamp, A.; Beer, D.; Nitsch, J. L.; Lavik, G.; Stief, P. Diatoms respire nitrate to survive dark and anoxic conditions. Preceedings of the National Academy of Sciences, v.108, n.14, p. 5649–5654. 2011.

Referências Consultadas:
HARPER, M.A. Movement and migration of diatoms on sand grains. European Journal of Phycology. [S.I.], p. 97-103, ABR. 1969.

MOSS, B. Adaptations of Epipelie and Epipsammic Freshwater Algae. Oecologia . Berlin, v. 28, n° 1, p. 103-108, mar. 1977.

ROUND, F.E. The epipsammon; a relatively unknown freshwater algal association. European Journal of Phycology. [S.I.], p. 456-462. 1965.

UBOM, R. M.; ESSIEN, J. P.; Distribution and Significance of Epipsammic Algae in the Coastal Shore (Ibeno Beach) of Qua Iboe River Estuary, Nigeria . The Environmentalist. [S.I.], n° 23,p. 109–115. 2003.

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