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Mikami Environmental Blog

BIODIVERSITY / BIODIVERSIDADE (442)

Publicado em 14 março 2019

Most of the circulating carbon in lakes, floodplains and floodplains does not come from phytoplankton, invertebrates or fish, but from the microbial food web (photo: José Renato Venâncio Resende / Wikimedia Commons) // Maior parte do carbono circulante em lagos, várzeas e planícies inundáveis não vem do fitoplâncton, de invertebrados ou de peixes, mas da teia alimentar microbiana (foto: José Renato Venâncio Resende/Wikimedia Commons)

BIODIVERSITY (442)

Microorganisms are the largest carbon emitters in Amazonian waters

By Peter Moon

FAPESP Agency

A new study found that microbial food web accounts for most of the circulating carbon in lakes, floodplains and floodplains of the Amazon.

"Our work concluded that the amount of carbon circulating in the microbial food web of Amazonian floodplains is up to 10 times greater than the circulating carbon in the classical food chain, which involves phytoplankton and zooplankton," said Hugo Miguel Preto de Morais Sarmento, a professor in the Department of Hydrobiology of the Federal University of São Carlos (UFSCar).

Supported by FAPESP, the study was published in the journal Hydrobiology.

Due to its enormous extent, the Amazon has a fundamental role in the planet's carbon cycle - which must be understood in order to measure the scale and consequences of global climate change. Hence the importance of quantifying the stocks and biomass flows of the various Amazonian, terrestrial or aquatic food chains.

Most of the studies that attempt to quantify the carbon cycle in Amazonia are based on the analysis of terrestrial biomass (plants and animals) or biomass in the water of large rivers, such as Solimões.

So far, few scientific studies have investigated the participation in the carbon cycle of biomass present in waters of floodable regions, which cover no less than 20% of the entire Amazon biome. And these studies take into account only the carbon cycle of the classical food chain, which includes phytoplankton (primary producers) and zooplankton, fish and invertebrates (primary, secondary and detritor consumers).

The new study investigated the so-called microbial food web, which refers to the combined trophic interactions between all microorganisms in aquatic environments, including bacteria, microscopic algae (phytoplankton), unicellular microorganisms like ciliates (protozoans) and flagellates, as well as invertebrates.

"Our work sought to verify and quantify in the Amazon system the interactions in the microbial food web in two moments, in the wet season, when the water level is higher and the food web is simpler (less interactions), and in the dry season, when the amount of water is lower and the food web becomes more complex, with more interactions, "said Sarmento.

In order to collect the study material, the researchers chose Puruzinho, a very narrow, winding lake of almost 8 kilometers long that is located on a tributary of the Madeira River in the state of Amazonas. Thirty water samples were collected about half a meter below the surface at the end of May 2014 during the end of the rainy season in the Amazon, when the flooded areas reached their maximum level, and at the end of October of the same year, at the station dry, when the lake level is the lowest.

"The lake is shallow, with a maximum depth of 11 meters, so there is no relevant difference in the microbial composition of the water collected in the middle, at 2 or 5 meters in depth, since the water column is homogeneous. the lake was deeper, with the formation of two or more layers of water with different dissolved oxygen and temperature, "said Sarmento.

Biodiversity unknown

In the laboratory, the amount of bacteria, phytoplankton, ciliates and flagellates and zooplankton present in the samples was counted.

Sarmento explains that in 1 milliliter of lake water (equivalent to three drops), it is expected to find around 1 million bacteria. The viruses, which are much smaller (and not counted at work), are about 10 million. As for phytoplankton, there are about 10,000 in the same amount of water. In the case of zooplankton, they are much larger organisms, some even visible to the naked eye. Hence what is expected is to find about 10 zooplankton animals in 1 liter of lake water.

"In the case of phytoplankton and zooplankton, counting is done with an inverted optical microscope, counting and measuring organisms one by one. In the case of bacteria, we use the flow cytometer, the same equipment used in clinical analysis laboratories to count amount of platelets and cells in the blood, "said the researcher.

Another important step in the research was to genomic screening to determine the different groups of bacteria in the sample - described in another article recently published by the same laboratory in the journal Freshwater Biology (Flood pulse regulation of bacterioplankton community composition in an Amazonian floodplain lake). The work showed that the bacteria, besides being very numerous, are very diverse and vary a lot in size.

In order to estimate the carbon content in the samples accurately, it was necessary to verify the groups of bacteria present and the quantities of each one, in order to be able to infer how much each group contributes of carbon in the general calculation.

"Genomic screening has revealed another very interesting finding. About 60% of the bacteria in the samples belonged to species and genera as yet unknown. Many microorganisms only identify at the family level. Their genres remain unknown. This shows how much is still unknown about microbial biodiversity in the rivers and lakes of the Amazon, "said Sarmento.

The next step was to estimate the total microbial (carbon) biomass that exists on average in each milliliter of water from Lake Puruzinho collected during the rainy season and in the dry season.

This is how researchers found the difference of an order of magnitude between the amounts of microbial food web carbon in lake waters (on average 245.5 micrograms per liter) and the classic food chain (24.4 micrograms per liter) , formed by phyto and zooplankton.

In other words, 90% of the amount of carbon in Lake Puruzinho circulates in the microbial food web. If this same relation serves as a parameter to estimate the total carbon circulating in the microbial food web of all the floodplain areas of the Amazon, what is verified is that, in any point of view, the amount of carbon in the region is still very underestimated.

Another curious fact that emerged from the general analysis of the results was the finding that the great majority of the microorganisms of the microbial food web in Puruzinho, both in diversity and in the amount of accumulated carbon, are heterotrophic, that is, primary, secondary and detritor.

The autotrophic microorganisms - unicellular algae that constitute the phytoplankton and that carry out photosynthesis - make up a volume incompatible with the sustenance of the food web of the lake.

According to the study, the primary microbial producers of the lake are not in sufficient numbers to metabolize the carbon needed to sustain the existing food web. Doubt is where most of the carbon used by primary and secondary microbial consumers comes from.

"Our hypothesis is that most of the carbon in the waters of Puruzinho comes from leaves, decomposing material and organic particles from humus and litter from the surrounding forest," Sarmento said.

"In the absence of the microbial trophic web, all this carbon would accumulate on the bottom of the lake and would be sequestered in the mud and sediment. But what happens is that much of the carbon that flows from the banks is recycled into the microbial chain, returning to the atmosphere in forms of carbon dioxide and methane, which are greenhouse gases. Every element of this trophic web participates in the carbon cycle in the atmosphere, "he said.

Now that the researchers know what the members of the microbial trophic web are in Lake Puruzinho, the next steps in the research involve finding out what those bacteria are doing.

"We want to understand the connection of terrestrial organic matter with aquatic systems and to know where all the organic matter consumed in the lake comes from. We also want to know specifically what is produced in the lake and what is coming from the forest, so as to better understand the carbon flows in the Amazon, "said Sarmento.

Scientists from the federal universities of Juiz de Fora, Rio de Janeiro and Rondônia and the State University of Rio de Janeiro participated in the research published in the journal Hydrobiologia. The work was also supported by the National Council for Scientific and Technological Development (CNPq) and the Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel (Capes).

The article Plankton community interactions in an Amazonian floodplain lake, from bacteria to zooplankton (doi: https://doi.org/10.1007/s10750-018-3855-x), by IB Feitosa, VLM Huszar, CD Domingues, E. Appel , R. Paranhos, RM Almeida, CWC Branco, WR Bastos and H. Sarmento, is published at https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10750-018-3855-x; and the article Flood pulse regulation of bacterioplankton community composition in an amazonian floodplain lake (doi: 10.1111 / fwb.13198), de Melo, M. L .; Bertilsson, S.; Amaral, J. H. F .; Barbosa, P.M .; Forsberg, B.R .; Sarmento, H., 2018, is published at https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/fwb.13198.

Published and sent by Agência Fapesp on February 13, 2019

(Until the next Thursday, March 21, 2019)

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BIODIVERSIDADE (442)

Microrganismos são os maiores emissores de carbono em águas da Amazônia

Por Peter Moon

Agência FAPESP

Um novo estudo verificou que a teia alimentar microbiana responde pela maior parte do carbono circulante em lagos, várzeas e planícies inundáveis da Amazônia.

“Nosso trabalho concluiu que a quantidade de carbono que circula na teia alimentar microbiana das regiões alagáveis amazônicas é até 10 vezes maior do que o carbono circulante na cadeia alimentar clássica, que envolve fitoplâncton e zooplâncton”, disse Hugo Miguel Preto de Morais Sarmento, professor no Departamento de Hidrobiologia da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar).

Apoiado pela FAPESP, o estudo foi publicado na revista Hydrobiologia.

Pela sua enorme extensão, a Amazônia tem papel fundamental no ciclo de carbono do planeta – que precisa ser compreendido para se poder mensurar a dimensão e as consequências das mudanças climáticas globais. Daí a importância de quantificar os estoques e fluxos de biomassa das diversas cadeias alimentares amazônicas, terrestres ou aquáticas.

A maioria dos estudos que buscam quantificar o ciclo de carbono na Amazônia parte da análise da biomassa terrestre (plantas e animais) ou então da biomassa na água dos grandes rios, como o Solimões.

Até o momento, poucos trabalhos científicos investigaram a participação no ciclo do carbono da biomassa presente em águas das regiões alagáveis, que abrangem nada menos do que 20% de todo o bioma amazônico. E esses estudos levam em conta apenas o ciclo de carbono da cadeia alimentar clássica, que inclui fitoplâncton (produtores primários) e zooplâncton, peixes e invertebrados (consumidores primários, secundários e detritores).

O novo estudo investigou a chamada teia alimentar microbiana, que se refere às interações tróficas combinadas entre todos os microrganismos em ambientes aquáticos, o que inclui bactérias, algas microscópicas (fitoplâncton), microrganismos unicelulares como ciliados (protozoários) e flagelados, além de invertebrados.

“Nosso trabalho buscou verificar e quantificar no sistema amazônico as interações na teia alimentar microbiana em dois momentos, na estação úmida, quando o nível das águas é mais elevado e a teia alimentar é mais simples (menos interações), e na estação seca, quando a quantidade de água é menor e a teia alimentar se torna mais complexa, com mais interações”, disse Sarmento.

Para coletar o material do estudo, os pesquisadores elegeram o Puruzinho, um lago muito estreito e sinuoso de quase 8 quilômetros de comprimento que fica num afluente do rio Madeira, no estado do Amazonas. Foram coletadas 30 amostras de água cerca de meio metro abaixo da superfície, no fim de maio de 2014, durante o final da época chuvosa na Amazônia, quando as áreas inundadas atingem seu nível máximo, e no final de outubro do mesmo ano, na estação seca, quando o nível do lago é o mais baixo.

"O lago é raso, com profundidade máxima de 11 metros. Portanto, não há diferença relevante na composição microbiana das águas coletadas a meio, a 2 ou a 5 metros de profundidade, uma vez que a coluna de água é homogênea. Seria diferente caso o lago fosse mais profundo, com a formação de duas ou mais camadas de água com temperatura e oxigênio dissolvido diferentes", disse Sarmento.

Biodiversidade desconhecida

No laboratório, foi feita a contagem da quantidade de bactérias, de fitoplâncton, de ciliados e flagelados e de zooplâncton presentes nas amostras.

Sarmento explica que, em 1 mililitro de água do lago (equivalente a três gotas), espera-se encontrar cerca de 1 milhão de bactérias. Já os vírus, muito menores (e que não foram contabilizados no trabalho), são cerca de 10 milhões. Quanto ao fitoplâncton, há cerca de 10 mil na mesma quantidade de água. No caso do zooplâncton, trata-se de organismos muito maiores, alguns inclusive visíveis a olho nu. Daí o que se espera é encontrar cerca de 10 animais do zooplâncton em 1 litro de água do lago.

"No caso do fito e do zooplâncton, a contagem é feita com microscópio óptico invertido, contando e medindo os organismos um a um. No caso das bactérias, usamos o citômetro de fluxo, o mesmo equipamento usado em laboratórios de análises clínicas para contar a quantidade de plaquetas e células no sangue”, disse o pesquisador.

Outro passo importante da pesquisa foi fazer o rastreamento (screening) genômico, de modo a determinar quais são os diferentes grupos de bactérias na amostra – descrito em outro artigo publicado recentemente pelo mesmo laboratório na revista Freshwater Biology (Flood pulse regulation of bacterioplankton community composition in an Amazonian floodplain lake). O trabalho mostrou que as bactérias, além de numerosíssimas, são muito diversas e variam muito de tamanho.

Para estimar o total de carbono nas amostras de forma precisa, foi necessário verificar quais eram os grupos de bactérias presentes e as quantidades de cada uma, de modo a poder inferir quanto cada grupo aporta de carbono no cômputo geral.

“O rastreamento genômico revelou outro dado muito interessante. Cerca de 60% das bactérias nas amostras pertenciam a espécies e gêneros ainda desconhecidos. Muitos microrganismos só identificamos no nível da família. Seus gêneros permanecem desconhecidos. Isso demonstra o quanto ainda não se sabe sobre a biodiversidade microbiana nos rios e lagos da Amazônia”, disse Sarmento.

O passo seguinte foi estimar o total da biomassa microbiana (do carbono) que existe, em média, em cada mililitro de água do lago Puruzinho, coletada na estação chuvosa e na estação seca.

Foi assim que os pesquisadores puderam constatar a diferença de uma ordem de grandeza entre as quantidades de carbono da teia alimentar microbiana nas águas do lago (em média 245,5 microgramas por litro) e da cadeia alimentar clássica (24,4 microgramas por litro), formada por fito e zooplâncton.

Em outras palavras, 90% da quantidade de carbono no lago Puruzinho circula na teia alimentar microbiana. Se essa mesma relação servir de parâmetro para estimar o total de carbono circulante na teia alimentar microbiana de todas as áreas alagáveis da Amazônia, o que se verifica é que, sob qualquer ponto de vista, a quantidade de carbono na região ainda é muito subestimada.

Outro dado curioso que despontou da análise geral dos resultados foi a constatação de que a grande maioria dos microrganismos da teia alimentar microbiana no Puruzinho, tanto em diversidade como na quantidade de carbono acumulado, é formada por heterotróficos, ou seja, consumidores primários, secundários e detritores.

Os microrganismos autotróficos – algas unicelulares que constituem o fitoplâncton e que realizam fotossíntese – perfazem um volume incompatível com o sustento da teia alimentar do lago.

De acordo com o estudo, os produtores primários microbianos do lago não são em número suficiente para metabolizar o carbono necessário para sustentar a teia alimentar lá existente. A dúvida é de onde vem a maioria do carbono utilizado pelos consumidores microbianos primários e secundários.

"Nossa hipótese é que a maior parte do carbono nas águas do Puruzinho seja proveniente de folhas, material em decomposição e partículas orgânicas do húmus e da serapilheira da floresta circundante”, disse Sarmento.

"Na ausência da teia trófica microbiana, todo esse carbono acumularia no fundo do lago e ficaria sequestrado no lodo e no sedimento. Mas o que se verifica é que muito do carbono que escorre das margens é reciclado na cadeia microbiana, retornando para a atmosfera nas formas de gás carbônico e de metano, que são gases do efeito estufa. Cada elemento desta teia trófica participa do ciclo de carbono na atmosfera”, disse.

Agora que os pesquisadores sabem quais são os integrantes da teia trófica microbiana no lago Puruzinho, os próximos passos da pesquisa envolvem descobrir o que aquelas bactérias estão fazendo.

“Queremos entender a ligação da matéria orgânica terrestre com os sistemas aquáticos e saber de onde vem toda a matéria orgânica consumida no lago. Queremos também saber especificamente o que é produzido no lago e o que é proveniente da floresta, de modo a entender melhor os fluxos de carbono na Amazônia”, disse Sarmento.

Participaram da pesquisa publicada na revista Hydrobiologia cientistas das universidades federais de Juiz de Fora, do Rio de Janeiro e de Rondônia e da Universidade Estadual do Rio de Janeiro. O trabalho também contou com apoio do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

O artigo Plankton community interactions in an Amazonian floodplain lake, from bacteria to zooplankton (doi: https://doi.org/10.1007/s10750-018-3855-x), de I. B. Feitosa, V. L. M. Huszar, C. D. Domingues, E. Appel, R. Paranhos, R. M. Almeida, C. W. C. Branco, W. R. Bastos e H. Sarmento, está publicado em https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10750-018-3855-x; e o artigo Flood pulse regulation of bacterioplankton community composition in an amazonian floodplain lake (doi: 10.1111/fwb.13198), de Melo, M. L.; Bertilsson, S. ; Amaral, J. H. F.; Barbosa, P. M.; Forsberg, B. R.; Sarmento, H., 2018, está publicado em https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/fwb.13198.

Publicado e enviado por Agência Fapesp em 13 de Fevereiro, 2019

(Até a próxima Quinta-Feira, 21 de Março, 2019)