Microbiologia das Cianobactérias

Juliana Calabria de Araujo

Juliana Calábria de Araújo

Principais Características • Conhecidas como algas verdes-azuis (Cianofíceas);

cianoprocariontes;• Origem: 3,5 bilhões de anos; Primeiros organismos

fototróficos emissores de O2 na Terra, conversão atm de anóxica para óxica.

• Células procariotas, não apresentam organelas; DNA não está localizado em núcleo definido; Gram negativas

• Ausência de plastos, rep. Assexuada, parede celular com glicopeptídeos

• Fotossíntese oxigênica, mas algumas podem crescer em ausência de luz a partir de glicose e outros açúcares

• Somente clorofila a, ficobilinas (pig. Acessórios):ficocianinas e ficoeritrinas;

• Substância de reserva semelhante ao glicogênio• Vivem ambientes diversos e inóspitos (fontes termais,

neve, cinzas vulcânicas, deserto)

Principais Características das Cianobactérias

• Classe Cyanophyceae, com 150 gêneros , 2.800 espécies

• Principais gêneros: Synechococcus,• Oscillatoria, Nostoc;• Espécies unicelulares (Chroococcus);• Coloniais (Microcystis)• Filamentosas (Anabaena, Planktothrix,

Cylindrospermopsis); e filamentosa com ramificações (Fischerella)

• Produzem cepas tóxicas (cerca de 40 sps.) e não-tóxicas; no Brasil: 20 sps. Tóxicas distribuídas em 14 gêneros;

• Tamanho: cels. Diâmetro de 0,5- 1um até 40 um (Oscillatoria princeps)

Fonte: http://www.waterquality.crc.org.au

Biodiversidade: gêneros com conteúdo homogêneo ou com grânulos

Gêneros e Grupos de Cianobactérias

Grupo Gênero DNA (mol% GC)

I. Unicelular: células individuais ou agregados

Gloeothece, Gloeobacter,Synechococcus, Cyanothece, Gloeocapsa,Synechocystis, Chamaesiphon, Merismopedia

35-71

II.Pleurocapsaleano: reproduzem-se por pequenas cels. esféricas

Dermocarpa,Xenococcus,Dermocarpella,Pleurocapsa,Myxosarcina,Chroococcidiopsis

40-46

III.Oscilatoriano:filamentosas, dividem-se por fissão binária

Oscillatoria, Spirulina, Arthrospira, Lyngbya,Microcoleus, Pseudanabaena

40-67

IV.Nostocaleano: filamentosas que produzem heterocistos

Anabaena, Nostoc, Calothrix, Nodularia, Cylinodrosperum, Scytonema

38-46

V.Ramificantes, dividem-se formando ramificações

Fischerella, Stigonema, Chlorogloeopsis, Hapalosiphon

42-46

Fonte : Madigan et al. (2004), Microbiologia de BROCK

Diversidade Morfológica

IV-Filamentosa

III-Oscilatoriano

IVII

IV

I I

I-Unicelular

II-PleurocapsalenoIV-Nostocaleano

Estratégias Adaptativas• Produção de toxinas;• Fixação de N2 (- células especiais heterocistos-

nitrogenase-N2-NH3-Glutamina); exigem 10x mais Fe que algas Não-fixadoras; ambientes com baixos valores N/P;

• Flutuabilidade na coluna d´água (aerótopos); existência de vacúolos de gás com acúmulo de carboidratos, > ou < densidade da célula (buscam + ou – luz);

• Luxury consuption (assimilam mais nutrientes que o necessário, estocam P);

• Baixa exigência de CO2 e luz (quando o pH é alto, precisam de pouca E p/ processos vitais); mas são capazes de suportar elevada intensidade luminosa;

Estratégias Adaptativas (cont...)

• Resistem a altos valores de pH (pH 6 a 9), temp. 15 a 30°C e águas com alta [nutrientes] ;

• Aumento da Temp = estratificação: vantagem para algas com capacidade de migração (cianob.); eliminação de competidores da Z. fótica (diatomáceas afundam); > atividade do zooplâncton = > consumo de outros grupos algais;

• Pouco eficientes na competição por fosfato (dependem de carga > de P); presença de NH3 (favorece o crescimento- ambientes impactados); NO3 inibe o crescimento;

• São pouco predadas pelo zooplâncton (pois possuem muita proteína e pouco carboidratos), existência de camada gelatinosa (baixa digestabilidade, célula é dura);

• São K estrategistas, exigem portanto > tempos de residência da água (> 10 dias)

Cianotoxinas• São metabólitos secundários,

intracelulares;• Função protetora contra herbivoria;• São estáveis no escuro (não removidos por

fervura)• Durante floração:> 90% toxinas nas células• Durante a lise celular: > 50% toxinas estão

dissolvidas• são hepatotóxicas (cilindrospermopsina),

neurotóxicas (anatoxina-a e saxitoxina), ou citotóxicas;

• Anatoxina e cilindrospermopsina podem sofrer degradação fotoquímica;

• Microcistina sofre lenta degradação fotoquímica e podem ser degradadas por bactérias

• Não tem estudos de degradação de saxitoxina por bactérias

anatoxina-a

saxitoxinas

cilindrospermopsina

Cianotoxinas• Microcistina: hepatotoxina (fígado) peptídeo• Principais gêneros com sps. produtoras de

microscistinas: Microcystis (aeruginosa e viridis), Anabaena, Anabaenopsis, Aphanizomenon flos-quae, Nostoc, Planktothrix, Sinechocystis, Oscillatoria, Radiocystis.

Cianotoxinas• Saxitoxinas (PSP ou TPM-toxina paralisante de Mariscos):

Neurotoxina/alcalóides; Gêneros protudores: Anabaena, Aphanizomenon,

Cylindrospermopsis, Trichodesmium, Nostoc• Anatoxinas: Neurotoxina/alcalóides nitrogenados (TS: 1 a 20 minutos), morte por parada respiratória Gêneros protudores: Anabaena, Aphanizomenon,

Plaktothrix• Betametil amino alanina (BMAA):

Neurotoxina/ amino ácidos• Causa desenvolvimento precoce de doença

neurodegenerativa semelhante a esclerose amiotrófica lateral/Parkinsonismo

Gêneros produtores: Nostoc, Microcystis, Synechocystis, Lyngbya, Anabaena, trichodesmium, Cylindrospermopysis, Nodularia, Aphanizomenon, Calothrix

Cianotoxinas• Cilindrospermopsina :

Citotoxina/alcalóides sulfatados; Toxina de ação lenta, inibi a síntese protéica;

causa lesões no fígado, pulmãos, rins e mucosa gástrica

Principais gêneros produtores: Aphanizomenon, Cylindrospermopsis, Umezakia, Raphidiopsis

• Nodularina: hepatotoxina; identificada em Nodularia spumigena

• Lipopolissacarídeos (LPS):Dermatotoxina

Todas as cianobactérias podem produzir

Toxicidade Comparativa de algumas toxinas naturais e sintéticas (Nobre, 1997)

Cianobactérias e o Meio Ambiente

• Cianobactérias bentônicas: vivem no fundo de ambientes aquáticos onde há luz e formam massas;

Altas taxas fotossintéticas que produzem O2 fazendo com que parte da massa suba à superfície;

Cianobactérias bentônicas podem produzir toxinas

Causam problemas :-Recreação de contato primário (natação , esqui aquático e mergulho) ,-Dessedentação de animais

Cianobactérias e o Meio Ambiente• Cianobactérias planctônicas

• Florações X Eutrofização,• Aumento da biomassa de

cianobactérias, algas e plantas aquáticas causado pela Eutrofização, que é o excesso de nutrientes (N e P) nos corpos d´água

Ocorrência :-Lagos, reservatórios, oceanos

(menor ocorrência em rios)

Floração de Cylindrospermopsis

Floração de MicrocystisFonte: MS. FUNASA, 2003

Eutrofização- Origem dos nutrientes• Origem antrópica-

diferentes fontes de N e P:• PO4

3- e NO3-

• Esgotos domésticos, detergentes, sabões, excrementos humanos

• Efluentes industriais: orgânicos,• Efluentes agrícolas:

excrementos animais, • Escoamento de áreas rurais:

fertilizantes, pesticidas;• Chuvas: poluição atmosférica

Causas e Consequências da

N e P

Estado Trófico dos Lagos• Oligotróficos -Baixa produtividade biológica-Alta transparência-Baixa concentração de nutrientes• Mesotróficos-situação de transição• Eutróficos-Alta produtividade biológica-Baixa transparência-Alta concentração de nutrientes

Estado trófico dos lagos

Estado trófico IET

Oligotrófico < 44

Mesotrófico 44-54

Eutrófico 54- 74

Hipereutrófico > 74•FONTE: Limnologia Fluvial, Brigante & Espínndola, 2003

Para investigar o nível de eutrofização da água, Carlson (1977) relacionou os parâmetros: fósforo total, fosfato inorgânico e clorofila-a, com modificações para sistemas tropicais.

Comparação lago normal x lago eutrofizado

Consequências da EutrofizaçãoAumento do fitoplâncton e de macrófitas aquáticas- Z.eufóticaDiminuição da transparência e da zona eufóticaAumento da respiração por parte das bactérias na zona afóticaMorte de organismos sensíveis à redução da conc. de O2 (peixes)Condições anaeróbias no hipolímnioPredomínio de bactérias anaeróbias e facultativas no sedimento (produção de H2S e CH4), tóxicos para peixes e plantas.

Algas encontradas em águas poluídas

Phormidium

Oscillatoria

Anabaena

Cianobactérias e o Meio Ambiente• Fatores que influenciam a formação

de florações• População pré-existente

• Intensidade luminosa:• Tolerância a altas intensidades luminosas

(carotenóides)• Requerem pouca energia para a

manutenção das funções celulares (capazes de crescer em intensidade luminosa mais baixa- águas turvas)

Cianobactérias e o Meio Ambiente

• Fatores que influenciam a formação de florações

• Aerótopos: células com densidade menor que a

água; Capacidade de controlar sua

flutuabilidade, formação de escumas superficiais, coluna d´água

Cianobactérias e o Meio Ambiente• Fatores que influenciam a formação de florações• Taxa de Crescimento: possuem Taxa de crescimento bem menor que outras algas (>

tempo de residência = floração) células com densidade menor que a água;

• Fósforo e Nitrogênio: -Maior afinidade por P e N que outros organismos fotossintéticos; -capacidade de estocar P – crescimento da biomassa ; -Relação N:P < 10 ; -Capacidade de fixar N2 (presença de heterocistos) ;• Estabilidade da população: Não sofrem impactos significativos devido à herbivoria; Presença de acinetos, que são esporos de resistência;

Cianobactérias e o Meio Ambiente• Fatores que influenciam a formação de florações• Temperatura: Temperatura ótima acima de 25°C, podendo crescer entre 15 e 35° C

• Ambiental:• Eliminação de espécies benéficas

por competição (luz e nutrientes)- redução da diversidade;

• mortandade de animais; consumo de OD na água pela elevada respiração e decomposição; bioacumulação das toxinas

Cianobactérias-Consequência das Florações

Floração de CylindrospermopsisFonte: MS FUNASA, 2003

Cianobactérias-Problemas de Saúde Pública

• Cianotoxinas, águas de abastecimento

• Francis G(1878). “Poisonous Australian lake” Nature 18:11-12 (intoxicação por Nodularia spumigena) ;

• 1979: Palm Island (Austrália); surto de hepato-enterite; Doença misteriosa de Palm Island; C. raciborskii na água da represa (aplicação de algicidas);

• Itaparica (1988): 88 mortes em 200 casos;Cylindrospermopsis

Fonte: http://www.waterquality.crc.org.au

Cianobactérias-Problemas de Saúde Pública

• Caruaru/Pe (1996): “síndrome de Caruaru”;

• 131 pacientes (116 tiveram perturbações visuais, náuseas e vômitos após o tratamento e desses 76 tiveram falha aguda do fígado, e vieram a óbito ). (10 caso comprovado em seres humanos);

• presença de microcistinas e cilindrospermopsina (hepatotoxina)(19,5g/l)no carvão ativado utilizado no sistema de purificação de água da clínica

Fonte: Carmichael et al. 2001, Environ. Health perspectives.

Dados água bruta-COMPESA

Cianobactérias e Saúde Pública• Legislação :• Portaria MS 518/2004 estabeleceu limites para:• Microcistina: 1ug/l (mandatório =OMS); • Saxitoxina: 3ug/l (recomendação) • Cilindrospermopsina: 15ug/l (recomendação)

• Res CONAMA 357/2005• Classe 1: 20.000 cel./ml, biovol de 2mm3/L, clorofila 10ug/L• Classe 2: 50.000 cel/ml, 5mm3/L, 30ug/L• Classe 3: 100.000 cel/ml, 10mm3/L, 60 ug/L;• OMS – Níveis de Alerta• Vigilância : até 2.000 cel/ml ou 1ug/l de clorofila a;• Alerta 1 : até 100.000 cel/ml ou 50ug/l de clorofila a• Alerta 2: busca de fontes alternativas; divulgação

Cianobactérias e Padrões de monitoramento

• Até 10.000 cél/ml (1mm3/L de biovolume): monitoramento mensal no ponto de captação;

• Acima de 10.000 cel/ml: monitoramento semanal;• Acima de 20.000 cél/ml (2mm3/L de biovolume):

análise semanal de cianotoxinas na água –saída da ETA e nos hidrômetros de clínicas de hemodiálise e indústrias de injetáveis;

• Análise pode ser dispensada se não houver comprovação de toxicidade na água bruta por meio de bioensaios semanais em camundongos.

• Proibição do uso de algicidas (lise celular e liberação de toxinas).

Problemas no Tratamento da água• Entupimento de filtros (Anabaena, Oscillatoria);• Corrosão (material algal pode servir de substrato para o

desenvolvimento de bactérias, corrosão tubos de aço por Planktothrix, e de concreto por Microcystis);

• Formação de limo;• Interferência na floculação e decantação em ETA;• Formação de THM (tb são precursoras de THM não apenas as

substâncias húmicas)• Sabor e Odor (Microcystis: cheiro de capim ou grama,

durante a decomposição odor séptico; Anabaena, Aphanizomenon, Lyngbya, Oscillatoria, Phormidium, Schizothrix, Symploca: odor de barro ou mofo)

• Sabor e odor podem ser usados como sinal de alerta

Estratégias de controle- Preventivas• Uso de Algicidas : limitado a baixas populações ou quando houver um manancial

alternativo (enquanto as toxinas se degradam);• Portaria 518 do MS proíbe a aplicação de algicidas no ponto de captação quando o número de

cianobactérias for maior que 20.000 céls./ml)

• Retirada de Fontes pontuais e difusas de nutrientes• Mudança de profundidade de captação;• Utilização de aeração/ cortina de ar;• Utilização de barreiras flutuantes;• Redução do tempo de residência em reservatórios;• Sombreamento: utilização de corantes, placas sombreadoras,

bolas de isopor;• Precipitação química de nutrientes: uso de floculantes (sais

de Fe e Al);• Biomanipulação: redução do zooplâncton herbívoro (ingere outros

grupos algais), redução de peixes que predam o zooplâncton, introdução de macrófitas (competem com o fitoplâncton)

• Tratamento da água• Floculação → Flotação → Filtro rápido• Filtro lento• Carvão ativado • Ultra-filtração• Processos oxidativos (cloração, ozonização): Cl mais eficiente para

cilindrospermopsina• O tratamento de água deve remover as células viáveis e não

promover a sua lise; o ideal é a remoção de células intactas;• Tratamento convencional com coagulação pode ser eficiente na

retirada de cianobactérias, mas não atua na ração dissolvida (pode interferir na lise celular e na detecção de toxinas);

• Liberação de toxinas pode ser potencializada por: pré-oxidação, algicidas, pressão de bombeamento, transporte de água bruta em longas adutoras

Medidas Corretivas

Estratégias de Controle de Cianobactérias• Identificação das cianobactérias

presentes em um corpo d´água: ferramenta de gerenciamento da qualidade da água, avaliação direta do tipo de toxina que pode estar presente e ao mesmo tempo indica o tipo de método analítico a ser utilizado

• Monitoramento ambiental: importante para predizer florações, monitorar seu desenvolvimento para elaboração de planos de contingência, avaliar ações de controle e remediação, análise da qualidade ecológica das águas superficiais.

Referências Bibliográficas• Von Sperling, E (2009) Biologia Sanitária e Ambiental (apostila da

disciplina do curso de pós-graduação- SMARH);• Di Bernardo (1995) Algas e suas influências na Qualidade das

águas e nas tecnologias de Tratamento. Rio de Janeiro: ABES, 140p.

• Madigan, M.T. et al. (2004) Microbiologia de Brock. São Paulo: Prentice Hall, 608p.

• www.bioalgas.com.br• Carmichael, W.W. et al (2001)Human Fatalities from Cyanobacteria:

Chemical and Biological evidence for Cyanotoxins. Environmental Health Perspectives,v. 109,663-668

• Cianobactérias tóxicas na água para consumo humano na saúde pública e processos de remoção em água para consumo humano. Brasília. Ministério da Saúde: Fundação Nacional de Saúde. 2003. 56p.