Você já se perguntou quem vive num rio? 

É claro que podemos imaginar criaturas grandes como peixes nadando em um rio. Mas você já pensou que organismos microscópicos, como as bactérias, também vivem lá? E afinal, o que fazem as bactérias em um rio? 

As bactérias são pequenos organismos unicelulares encontrados em todos os continentes e em quase todos os habitats, desde rios e oceanos até solos e montanhas. Elas vivem até mesmo na superfície e no interior de outros animais, como nós, os seres humanos. A maioria das bactérias é menor do que a espessura de um fio de cabelo humano e usamos microscópios para conseguir ver seus detalhes. É óbvio que existem muitas formas e tamanhos (dentro dos limites microscópicos) para as bactérias, mesmo quando se trata de um único habitat como um rio. Algumas bactérias são redondas (conhecidas como “cocos”), algumas têm a forma de bastões (conhecidas como “bacilos”) e outras têm formato espiral (conhecidas como “espiroquetas”).

Você pode ver exemplos dessas formas bacterianas na Figura 1. Cada espécie de bactéria é exclusiva, exatamente como os humanos são exclusivos em relação a outros animais. Algumas bactérias podem parecer muito semelhantes ao microscópio, mas são na verdade espécies diferentes. 

Por que prestar atenção às bactérias?

Para muitas pessoas, a palavra “bactéria” traz à mente imagens de germes e doenças. Mas muitas espécies bacterianas, incluindo a maioria das que vivem nos rios, são inofensivas para os seres humanos. As bactérias são muito importantes porque contribuem para o ciclo de nutrientes (alimentos) em muitos habitats. Como estão presentes em todos os lugares, elas são indicadores úteis da saúde de um habitat. Em geral, a saúde de um habitat depende da capacidade de sobrevivência dos organismos que vivem lá. Assim como os humanos, todos os demais organismos precisam de água, comida e vitaminas para crescer. E as bactérias desempenham papéis importantes na transformação de compostos químicos complexos, feitos de matéria orgânica em formas comestíveis para outras plantas e animais.

A matéria orgânica é feita de organismos decompostos, como plantas e tecidos animais mortos. É muito importante, porque constitui uma fonte de energia e comida para os organismos vivos em um rio ou em qualquer outro habitat. Quando as bactérias decompõem a matéria orgânica no rio, abastecem as redes alimentares aquáticas. Estas são úteis para entendermos as maneiras pelas quais os produtores e consumidores de alimento estão conectados; você pode ver um exemplo de rede alimentar na Figura 2.

Em um rio, pássaros comem peixes e peixes comem insetos. Esses insetos comem plantas e outros insetos menores, que por sua vez comem plantas e bactérias. Na base da rede alimentar, as bactérias reciclam a matéria orgânica liberada do solo ou de plantas e animais mortos, devolvendo-as à rede alimentar. As bactérias são muito importantes para a rede alimentar, porque transformam a matéria orgânica que outros organismos não podem comer em alimentos comestíveis. Alguns organismos podem também comer bactérias diretamente. Dessa forma, as bactérias ajudam a constituir a base da rede alimentar aquática. Como bem se pode imaginar, sem a ação das bactérias e de outros decompositores a matéria orgânica da rede alimentar se acumularia. Por fim, os organismos mais elevados na cadeia alimentar teriam muito pouco alimento disponível. 

Devido a sua importância para a reciclagem de nutrientes na base da cadeia alimentar, as bactérias podem ser úteis para indicar a saúde do habitat. Os cientistas descobriram que essas comunidades de bactérias reagem rapidamente às mudanças dentro de um habitat, tais como alterações na temperatura da água ou nas quantidades de matéria orgânica em um rio. Essas mudanças podem ter consequências importantes para os animais maiores, como pássaros ou peixes. Certas mudanças ajudam algumas espécies a sobreviver, mas podem também tornar a vida mais difícil para outras. Porém, quando as mudanças afetam animais maiores, o habitat provavelmente já foi alterado para um nível perigoso.

Em um rio, essas mudanças podem incluir elevação das temperaturas da água ou o aumento da quantidade de matéria orgânica. Mudanças incomuns na temperatura da água podem ser prejudiciais para algumas bactérias. Mudanças em suas condições de vida criam problemas para as bactérias que fornecem alimentos e nutrientes para outros animais no habitat. Se não houver comida suficiente para os animais maiores no rio, surgem às vezes outros problemas, que podem ser previstos com antecedência usando-se a saúde das bactérias como medida da saúde do habitat. O tipo e o número de bactérias podem ser monitorados para ajudar a alertar os cientistas sobre pequenas mudanças no habitat que venham a ter, no futuro, um impacto maior sobre ele. 

Os cientistas sabem quantas espécies de bactérias existem em um rio? 

Os cientistas descobriram que uma colher de chá de água de rio contém milhões de bactérias! Porém, é difícil contar seu número exato num dado habitat. Os cientistas podem estimar as diferentes espécies. E também são capazes também de descrever esses organismos baseados no modo como sobrevivem, ou seus estilos de vida. 

Cada espécie de bactéria é única, e diferentes espécies exercem funções diferentes para a reciclagem da matéria orgânica em um habitat fluvial. As espécies bacterianas podem ser únicas na aparência, na forma de nadar ou no local do rio em que vivem. Por exemplo, algumas bactérias se juntam às partículas na água do rio. Essas partículas são, em geral, pequenos pedaços de argila, de areia ou de material vegetal morto, e deixam os rios turvos ou com aparência suja. Mas as partículas podem ser um ótimo lugar para as bactérias se apegarem, bem como uma fonte de alimento.

As bactérias nas partículas são chamadas de bactérias “ligadas a partículas”. Outros tipos de bactérias flutuam ou nadam por conta própria na água do rio. Elas são conhecidas também como bactérias de “vida livre”. Nossa equipe estava curiosa para descobrir se as bactérias com esses dois estilos de vida (ligadas a partículas e de vida livre) tinham funções ou papéis diferentes na reciclagem de nutrientes no rio. Examinamos várias espécies de bactérias que vivem no rio Colúmbia e em seu estuário (o estuário é a parte inferior de um rio, onde as águas do rio e do oceano se encontram e se misturam), na região noroeste dos Estados Unidos banhada pelo Pacífico, e nas imediações. 

Os cientistas encontraram diferenças nas funções das bactérias ligadas a partículas e as de vida livre no rio? 

Sim, as bactérias ligadas a partículas e as que seguem uma vida livre têm estilos de vida diversos e contribuem para a cadeia alimentar aquática de maneiras diferentes. Um número mais alto de bactérias ligadas a partículas é encontrado em águas turvas e de aparência suja. Isso faz sentido, porque a água turva contém mais partículas e mais locais para a bactéria se prender. Desse modo, a água com partículas pode parecer densa e suja, mas serve como lar para bactérias com funções importantes. Nossa equipe descobriu ainda que, em águas mais claras e sem partículas, as bactérias de vida livre estavam mais disseminadas. Assim, os diferentes habitats aquáticos selecionam diferentes estilos de vida de bactérias e a reciclagem de nutrientes ocorre em ambos os lugares! 

Para entender esses diferentes estilos de vida de bactérias nos rios, vamos compará-los com pessoas em navios ou barcos. Assim como em um navio, as bactérias podem estar situadas próximas umas das outras na superfície da partícula. Em uma partícula, diferentes tipos de bactérias às vezes estão perto umas das outras, mas desempenhar diferentes funções. Como na cozinha do navio, um cozinheiro pode estar cortando cenouras enquanto outro tempera a carne.

Exatamente como esses cozinheiros, algumas espécies de bactérias buscam matéria orgânica e a transformam em algo que outro organismo possa comer. Podemos imaginar as bactérias desempenhando atividades similares em uma partícula. Algumas bactérias são exigentes e comem apenas nutrientes muito específicos, enquanto outras não conseguem decompor alimentos mais complexos e precisam encontrar comida simples, já pronta, na água do rio. Outras bactérias não são tão escrupulosas e consomem tudo o que encontram. Depois de consumir matéria orgânica, as bactérias (e talvez até a partícula onde vivem!) são frequentemente comidas por organismos maiores, mas ainda microscópicos. 

Sabemos que, embora as bactérias sejam importantes para um habitat, é difícil vê-las a olho nu. Para entender o que as bactérias podem fazer, nossa equipe estudou seus genes.

Descobrimos que bactérias ligadas a partículas também parecem ter um número maior de genes, ou instruções para a vida, do que as bactérias de vida livre. Analisamos os diferentes tipos de genes bacterianos para entender melhor como as bactérias vivem suas vidas no rio. Por exemplo, bactérias ligadas a partículas têm mais genes usados para quebrar e consumir pequenos organismos fotossintéticos (conhecidos como “fitoplâncton”) do que as bactérias de vida livre. Ou seja, há mais instruções dizendo às bactérias ligadas a partículas como reciclar o fitoplâncton morto. Isso faz sentido, pois encontramos mais bactérias ligadas a partículas em lugares com quantidades maiores de matéria orgânica e mais partículas, ambas oriundas do fitoplâncton morto.

No entanto, bactérias ligadas a partículas não estão tão espalhadas em águas limpas quanto as bactérias de vida livre. Assim, parece que as bactérias ligadas a partículas são decisivas para a reciclagem da matéria orgânica em habitats de rios turvos. Parece também que as bactérias de vida livre são importantes para a reciclagem de nutrientes em habitats de rios de águas claras. Com essa informação, ficamos sabendo um pouco mais sobre como e onde as bactérias de diferentes estilos de vida contribuem para as redes alimentares aquáticas nos rios. Portanto, se no futuro constatarmos algumas mudanças inesperadas nas espécies bacterianas que vivem em águas turvas ou claras de rios, concluiremos que o habitat do rio está mudando, mesmo antes que os pássaros e os peixes na cadeia alimentar sejam afetados pelas mudanças. 

Mas como saber que as espécies de bactérias em um habitat estão mudando? 

Ao examinarmos bactérias ao microscópio, só vemos seu aspecto. Ver as formas das bactérias é útil para diferenciar um tipo de outro, mas existem muitos tipos diferentes de bactéria que são muito semelhantes ao microscópio, mas desempenham funções diferentes num mesmo local. Observar suas formas diz muito pouco sobre a quais espécies pertencem ou como contribuem para a cadeia alimentar aquática. Para saber exatamente de que espécie é uma bactéria ou que funções ela desempenha no rio, examinamos seu DNA.

O DNA é um código, um tipo de impressão digital para cada espécie. Compõe-se de quatro blocos de construção químicos, chamados de bases. As bases do DNA são abreviadas com as letras A, T, G e C. O DNA compõe os genes ou instruções para a estrutura e estilo de vida de cada organismo. Podemos ler as letras do DNA como um código para entender os genes bacterianos. Os genes nos dão a informação sobre a espécie a que uma bactéria pertence e o que ela faz no rio. 

Nossa equipe coletou o DNA de bactérias ligadas a partículas e de bactérias de vida livre. Usamos dois filtros com orifícios muito pequenos que foram acoplados para separar partículas e bactérias de vida livre da água do rio. As partículas podem ser facilmente filtradas da água, como nos filtros caseiros que a limpam. Mas, neste caso, estamos interessados no que fica preso ao filtro, não na água limpa. 

Lembre-se: as bactérias são pequenas, mas as moléculas de água são ainda menores. Assim, as partículas com as bactérias aderidas a elas são coletadas pelo primeiro filtro com orifícios de 3 µm de diâmetro (um µm é igual a 1/10.000 de centímetro) e as bactérias de vida livre são coletadas pelo segundo filtro, que possui orifícios ainda menores (0,2 µm). Usamos esses filtros para capturar as bactérias a fim de extrair e purificar seu DNA. A extração e a purificação do DNA exigem abrir as paredes celulares das bactérias e adicionar uma série de produtos para separar o DNA dos materiais que formam essas paredes e dos outros componentes celulares, como proteínas. Vale lembrar que o DNA purificado é na verdade uma mistura do DNA de todas as diferentes espécies de bactérias que coletamos em nossa amostra de água. 

Uma vez obtida a mistura de DNA bacteriano puro, nossa equipe usou uma técnica chamada metagenômica, que é o estudo de todo o DNA contido em amostras de água, para descobrir quais bactérias estavam lá e o que faziam no rio. O DNA foi colocado em uma grande máquina de sequenciamento que lê e registra os códigos de DNA de cada amostra. Os códigos de DNA foram comparados com listas conhecidas de DNA de outras espécies bacterianas. Existem seções de DNA que não mudaram muito ao longo da evolução. Elas são chamadas de “regiões de DNA conservadas”. Mudanças de letras (mudanças de base de DNA) nessas regiões de DNA conservadas nos ajudam a diferenciar as espécies. Esses códigos de DNA nos ajudam a constatar quais espécies de bactéria estão presentes nas amostras, como uma espécie de crachá de cada uma. 

O DNA permite identificar as espécies presentes numa amostra de água, e também entender as funções que desempenham em seu habitat. Os códigos de DNA bacteriano são como manuais de instruções que nos ajudam a descobrir o que a bactéria pode fazer. Esses manuais informam a cada espécie quais funções ela pode desempenhar, como o modo de buscar nutrientes adequados a seu consumo. Consumir diferentes tipos de nutrientes requer instruções diferentes. Por exemplo, as bactérias que produzem alimentos a partir da luz solar (chamadas bactérias “fotossintéticas”) têm no DNA códigos de instruções diferentes dos de outras bactérias que decompõem matéria orgânica complexa, como madeira ou material vegetal. Conhecer as diferentes funções bacterianas necessárias para reciclar nutrientes em um habitat ajuda os cientistas a entender a importância das bactérias nas redes alimentares aquáticas. 

Nossa equipe pretende descobrir como as bactérias aquáticas reagem às mudanças no meio ambiente, sobretudo antes que essas mudanças afetem animais maiores na rede alimentar aquática, como pássaros e peixes. Fomos dos primeiros grupos científicos a usar a metagenômica para estudar as bactérias de rio usando filtros com orifícios de tamanhos diferentes. As descobertas de nossa equipe ajudam os cientistas a saber mais sobre as várias espécies de bactérias e as diferentes funções das bactérias de vida livre e das bactérias ligadas a partículas nos habitats aquáticos.

Saber mais a respeito das bactérias na base da rede alimentar ajuda os cientistas a identificar e talvez prevenir os impactos negativos das mudanças ambientais em habitats aquáticos. Se o estudo das bactérias no habitat nos permitir antecipar as mudanças climáticas, então essas mudanças na rede alimentar talvez prejudiquem menos, a longo prazo, outros organismos que residem em ambientes aquáticos. Usando o poder da metagenômica, os cientistas podem tomar melhores decisões sobre como manter os habitats fluviais saudáveis para uso dos seres humanos, bem como para outras criaturas importantes, como peixes e pássaros. 

Artigo da fonte original

Simon, H. M., W. e Herfort, L. 2014. “Metagenomic insights into particles and their associated microbiota in a coastal margin ecosystem.” Front. Microbiol. 5:466. DOI: 10.3389/fmicb.2014.00466.

Referências

[1] Fortunato, C.S., Eiler, A., Herfort, L., Needoba, J. A., Peterson, T. D. e Crump, B. C. 2013. “Determining indicator taxa across spatial and seasonal gradients in the Columbia River coastal margin.” ISME J. 7, 1899. DOI: 10.1038/ismej.2013.79.

[2] Maranger, R. e Bird, D. F. 1995. “Viral abundance in aquatic systems: a comparison between marine and fresh waters.” Mar. Ecol. Prog. Ser. 121, 217–226. DOI: 10.3354/meps121217.

[3] Crump, B. C., Baross, J. A. e Simenstad, C. A. 1998. “Dominance of particle-attached bacteria in the Columbia River estuary, USA.” Aquatic Microb. Ecol. 14, 7–18. DOI: 10.3354/ame014007.

[4] Smith, M. W., Allen, L. Z., Allen, A. E., Herfort, L. e Simon, H. M. 2013. “Contrasting genomic properties of free-living and particle-attached microbial assemblages within a coastal ecosystem.” Front. Microbiol. 4:120. DOI: 10.3389/fmicb. 2013.00120.

[5] Markowitz, V. M., Ivanova, N. N., Szeto, E., Palaniappan, K., Chu, K., Dalevi, D. et al. 2007. “IMG/M: a data management and analysis system for metagenomes.” Nucleic Acids Res. 36 (Suppl. 1). D534–D538. DOI: 10.1093/nar/gkm869.

Citação

Schulz, K., Smit, M., Herfort L. e Simon, H. (2018), “The unseen world in the river.” Front. Young Minds. 6:4. DOI: 10.3389/frym.2018.00004.

Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Creative Commons Attribution License (CC BY). O uso, distribuição ou reprodução em outros fóruns é permitido, desde que o(s) autor(es) original(is) e o(s) proprietário(s) dos direitos autorais sejam creditados e que a publicação original nesta revista seja citada, de acordo com a prática acadêmica aceita. Não é permitido nenhum uso, distribuição ou reprodução que não esteja em conformidade com estes termos.