Microbiologia Marinha

A microbiologia marinha é uma área de estudo que se concentra na investigação dos microrganismos presentes nos ecossistemas marinhos. Ela abrange uma ampla gama de organismos microscópicos, incluindo bactérias, arqueias, algas microscópicas, vírus e outros microrganismos. É um campo em constante evolução, com avanços contínuos na compreensão dos microrganismos e sua importância nos ecossistemas oceânicos. Os pesquisadores utilizam uma variedade de métodos para estudar a microbiologia marinha, incluindo técnicas de sequenciamento de DNA e RNA, microscopia, cultivo de microrganismos em laboratório, observações em ambientes naturais e estudos experimentais em mesocosmos e laboratórios marinhos.

Propriedades gerais e diversidade microbiana

A diversidade microbiana nos oceanos é enorme e é difícil estimar o número de espécies presentes. No entanto, estima-se que a água do mar contenha cerca de um milhão de células bacterianas por mililitro e que existam pelo menos 10.000 espécies de algas microscópicas. Além disso, os vírus marinhos são tão numerosos que é difícil medir sua abundância com precisão.

Bactérias marinhas

São organismos unicelulares, procariontes (sem núcleo definido). A maior parte delas apresenta tamanho de 0,5 a 5 micrômetros. Mas, algumas espécies podem atingir comprimentos de vários milímetros, como espécies de Thiomargarita e Beggiatoa. Essas bactérias filamentosas são conhecidas por realizar oxidação de compostos de enxofre.

Certas formas de agregação bacteriana, como agregados ou colônias, podem resultar em estruturas visíveis a olho nu, embora sejam compostas por células bacterianas individuais. Essas agregações podem ter dimensões maiores que as células bacterianas individuais. Algumas bactérias também podem formar biofilmes, comunidades complexas de células bacterianas aderidas a superfícies.

As bactérias marinhas podem ter formas diferentes, como esféricas (cocos), alongadas (bacilos) ou espiraladas (espirilos). Podem ser aeróbicas (requerem oxigênio) ou anaeróbicas (não requerem oxigênio). Elas possuem uma ampla diversidade metabólica, podendo ser fotossintetizantes*, quimiossintetizantes* ou heterotróficas* (obtendo energia a partir da matéria orgânica).

As bactérias são extremamente diversas e desempenham um papel fundamental nos ciclos biogeoquímicos dos oceanos, realizando processos como fixação de nitrogênio, degradação de matéria orgânica, produção de oxigênio e ciclagem de nutrientes. Elas podem ser encontradas em uma variedade de habitats, incluindo a superfície do oceano, as profundezas oceânicas, os sedimentos marinhos e até mesmo em associação com organismos marinhos como esponjas e corais.

Arqueias

São organismos unicelulares, microscópicos (0,1 a 15 micrômetros, algumas alcançando tamanhos maiores) que compartilham algumas características estruturais básicas com as bactérias, como a natureza procariótica das células, a presença de membrana celular e ribossomos.

Apesar de semelhanças, existem diferenças significativas que as distinguem das bactérias, como a composição de suas paredes celulares, presença de lipídios de membrana e de sistemas bioquímicos únicos. Por exemplo, as arqueias possuem lipídios de cadeia ramificada, enquanto as bactérias têm lipídios de membrana diferentes. A composição química das paredes celulares das arqueias é constituída por glicoproteínas ou polissacarídeos, enquanto as das bactérias é formada por peptidoglicano. Outra diferença significativa é que as arqueias têm um sistema de transcrição e tradução genética mais semelhante aos eucariotos do que às bactérias.

Muitas arqueias são organismos extremófilos*, o que significa que elas são capazes de sobreviver e prosperar em condições ambientais extremas que seriam inabitáveis para a maioria dos outros organismos. Por exemplo, algumas arqueias são encontradas em fontes hidrotermais e  áreas vulcânicas submarinas, lagos salgados, ambientes ácidos ou alcalinos, e até mesmo em sedimentos marinhos profundos. Essas arqueias extremófilas têm adaptações bioquímicas e estruturais que lhes permitem lidar com altas temperaturas, salinidade, acidez ou pressões extremas.

Assim como as bactérias, arqueias marinhas são capazes de realizar a quimiossíntese, produzindo energia a partir de compostos químicos em vez de luz solar. Elas, também desempenham um papel importante nos ciclos biogeoquímicos dos oceanos. Por exemplo, algumas espécies são capazes de fixar nitrogênio, convertendo o nitrogênio atmosférico em formas utilizáveis por outros organismos. Isso contribui para o fornecimento de nutrientes essenciais para a vida marinha. Além disso, as arqueias estão envolvidas na degradação de matéria orgânica e na ciclagem de compostos sulfurados, entre outros processos ecológicos cruciais.

As arqueias são objeto de estudo científico intenso, uma vez que sua descoberta e caracterização mudaram a compreensão da diversidade e da evolução dos microrganismos. Elas representam um dos três domínios da vida, juntamente com as bactérias e os eucariotos, e têm características únicas que as distinguem dos outros dois domínios.

Algas microscópicas

O fitoplâncton marinho é um grupo de organismos microscópicos que são principalmente autotróficos, ou seja, eles são capazes de realizar fotossíntese para produzir seu próprio alimento. É composto principalmente por microalgas, incluindo cianobactérias, diatomáceas, dinoflagelados, cocolitoforídeos e outras classes de microalgas.

Os organismos do fitoplâncton marinho variam em tamanho, desde micrômetros até algumas centenas de micrômetros. As diatomáceas são geralmente maiores, variando de 2 a 200 micrômetros, enquanto os dinoflagelados e as cianobactérias podem variar de alguns a dezenas de micrômetros. Seus organismos possuem uma variedade de pigmentos que são usados na fotossíntese para capturar a energia da luz solar. A clorofila é o pigmento mais comum e é responsável pela cor verde das algas, mas existem outros pigmentos, como carotenóides e ficobilinas, que podem conferir cores variadas, como amarelo, laranja, vermelho e azul.

O fitoplâncton marinho está amplamente distribuído nos oceanos e mares de todo o mundo, desde as águas costeiras até as regiões oceânicas abertas, ocorrendo em todas as latitudes. Sua distribuição é influenciada por fatores como a disponibilidade de nutrientes, luz solar, temperatura e condições de salinidade. É uma fonte fundamental de alimento para outros organismos marinhos, desde zooplâncton até peixes e baleias. Além disso, o fitoplâncton desempenha um papel crucial na absorção de dióxido de carbono (CO2) atmosférico e na produção de oxigênio através da fotossíntese, contribuindo para a regulação do clima global.

A composição e a abundância do fitoplâncton marinho podem variar ao longo do tempo e do espaço. Fatores como disponibilidade de nutrientes, temperatura da água, intensidade da luz solar e interações biológicas podem influenciar a distribuição e a dinâmica do fitoplâncton (ver parte de produtividade primária).

Vírus

Os vírus marinhos, também conhecidos como fagovírus ou bacteriófagos marinhos, são vírus que infectam e se replicam em organismos marinhos, como bactérias e outros microorganismos presentes nos ecossistemas marinhos. Variam em tamanho, mas geralmente são muito menores que as células bacterianas. Eles possuem uma estrutura simples, composta por uma cápsula proteica que envolve seu material genético. A cápsula pode ter diferentes formas, incluindo cabeça icosaédrica, cauda alongada ou complexa, dependendo do tipo de vírus.

Os vírus marinhos são extremamente abundantes nos oceanos e são os organismos mais numerosos do planeta. São encontrados em todos os habitats marinhos, incluindo desde a superfície da coluna d’água até o domínio do bentos, distribuindo-se da região costeira a profundidades abissais. Eles também podem ser encontrados em associação com outros organismos marinhos, como cnidários, moluscos, crustáceos e peixes.

Embora a maioria dos vírus marinhos seja inofensiva para os humanos, algumas espécies podem causar doenças em organismos marinhos importantes, como camarões e ostras. Eles podem infectar diferentes tipos de organismos, incluindo bactérias (bacteriófagos), cianobactérias, microalgas e protozoários marinhos.

Os vírus marinhos também têm um papel significativo nos ciclos biogeoquímicos do oceano. Eles controlam a abundância e a diversidade de microrganismos, como bactérias e algas, afetando diretamente os processos. Eles têm sido amplamente estudados como uma área de pesquisa na microbiologia marinha. Eles são alvo de estudos para entender sua diversidade, ecologia, evolução e potenciais aplicações em áreas como a biotecnologia e o controle de doenças bacterianas em ambientes aquáticos.

Biodiversidade metabólica e papel dos microrganismos nos ciclos biogeoquímicos do oceano

Os microrganismos, incluindo bactérias, arqueias, vírus e algas, desempenham um papel fundamental nos ciclos biogeoquímicos dos oceanos. A biodiversidade metabólica desses microrganismos é extremamente rica e desempenha funções-chave nos processos de transformação e ciclagem de nutrientes no ambiente marinho.

Bactérias, arqueias e algas desempenham um papel crucial no ciclo do carbono marinho. As algas realizam a fotossíntese, captando dióxido de carbono (CO2) da atmosfera e convertendo-o em matéria orgânica através da fotossíntese. Quando as algas morrem, são decompostas por bactérias e arqueias, que liberam dióxido de carbono de volta à atmosfera por meio do processo de respiração. Além disso, as algas e as cianobactérias podem formar carbonatos de cálcio, como o carbonato de cálcio presente nos recifes de coral.

Bactérias e arqueias também desempenham um papel fundamental no ciclo do nitrogênio marinho. Algumas bactérias são responsáveis pela fixação do nitrogênio atmosférico, convertendo-o em formas utilizáveis por outros organismos. As cianobactérias também têm a capacidade de fixar o nitrogênio. Por outro lado, outras bactérias e arqueias realizam a desnitrificação, convertendo compostos nitrogenados em nitrogênio gasoso, completando o ciclo.

Além disso, bactérias e algas desempenham um papel essencial no ciclo do fósforo. As bactérias estão envolvidas na mineralização do fósforo orgânico, liberando-o na forma de fosfato, que é um nutriente essencial para o crescimento das algas. As algas, por sua vez, absorvem o fosfato e o incorporam em sua biomassa. Quando as algas morrem, as bactérias decompositoras liberam o fósforo de volta à água, tornando-o disponível novamente para outros organismos.

No tocante ao ciclo do enxofre marinho, as bactérias e arqueias desempenham um papel de destaque, realizando processos de redução e oxidação do enxofre, contribuindo para a ciclagem de compostos de enxofre na água do mar. As cianobactérias também podem produzir compostos de enxofre voláteis, como o dimetilsulfeto (DMS), que desempenham um papel na formação de nuvens e no clima.

Os vírus marinhos também têm um papel significativo nos ciclos biogeoquímicos do oceano. Eles são considerados os maiores predadores do oceano, controlando a população bacteriana e influenciando a dinâmica das comunidades microbianas. Eles têm a capacidade de selecionar certos grupos de bactérias, influenciar a competição entre espécies bacterianas e até mesmo transferir genes entre diferentes organismos, promovendo a evolução e a adaptação desses organismos. Além disso, os vírus marinhos têm um impacto na ciclagem de nutrientes, pois liberam material orgânico através da lise de células hospedeiras, que pode ser utilizado por outros organismos.

Importância dos microrganismos marinhos

Como citado anteriormente, os microrganismos marinhos (arqueias, bactérias, microalgas e vírus) desempenham papéis vitais nos ecossistemas oceânicos. Eles estão envolvidos em ciclos biogeoquímicos, como o ciclo do carbono, nitrogênio e enxofre, influenciando a disponibilidade de nutrientes e a produção primária.

Além disso, uma parte significativa do oxigênio na Terra é produzida por microrganismos marinhos, principalmente por algas microscópicas e cianobactérias, por meio da fotossíntese. Apesar de ser difícil quantificar com precisão a contribuição exata desses microrganismos para a quantidade total de oxigênio presente na atmosfera, estima-se que cerca de metade do oxigênio produzido na Terra seja proveniente de organismos marinhos 1,2,3, sendo as algas e as cianobactérias marinhas os principais responsáveis por essa produção 4,5.

No entanto, é importante destacar que a maioria desse oxigênio é consumido novamente por processos de respiração e decomposição, tanto no ambiente marinho quanto em terra firme. Também é importante lembrar que o equilíbrio do ciclo do oxigênio na Terra depende não apenas da produção de oxigênio pelos microrganismos, mas também de outros fatores, como a respiração de organismos e processos de decomposição. É um sistema complexo e interconectado, em constante equilíbrio dinâmico.

Os microrganismos marinhos servem como base das cadeias alimentares nos oceanos. O fitoplâncton (algas microscópicas) é consumido por zooplâncton e, por sua vez, pelo zooplâncton maior e organismos marinhos de níveis tróficos superiores.

Além de serem responsáveis pela maior parte da produção de O2 do mundo, os microorganismos têm grande importância econômica. Por exemplo, microrganismos marinhos são explorados na produção de produtos farmacêuticos, alimentos, biocombustíveis, bioplásticos e outros compostos de interesse comercial.

O estudo de microorganismos também é importante para a compreensão e mitigação de problemas ambientais, como a eutrofização, as marés vermelhas (florações de algas nocivas), a poluição por petróleo e a acidificação dos oceanos. Nesse sentido, também é muito importante o estudo de microrganismos extremófilos que podem sobreviver em condições adversas, como alta pressão, baixas temperaturas, altas salinidades e ausência de luz solar. Esses microrganismos oferecem insights valiosos sobre a adaptação à vida em ambientes extremos.

Relações simbióticas entre bactérias, arqueias e outros organismos

As associações simbióticas entre microrganismos, como bactérias e arqueias, e organismos marinhos desempenham um papel crucial nos ecossistemas marinhos. Por exemplo, as esponjas marinhas são conhecidas por abrigar uma grande diversidade de microrganismos simbióticos, incluindo bactérias e arqueias. Esses microrganismos podem desempenhar um papel importante na nutrição, proteção contra patógenos e ciclagem de nutrientes para as esponjas. Além disso, alguns microrganismos simbióticos produzem substâncias químicas que ajudam na defesa e na comunicação das esponjas.

Os corais são conhecidos por estabelecer uma relação simbiótica com as zooxantelas, algas unicelulares pertencentes ao grupo do fitoplâncton. Essas zooxantelas vivem no tecido do coral e fornecem nutrientes e energia através da fotossíntese. Em troca, o coral fornece proteção e nutrientes às zooxantelas. Essa simbiose é essencial para a sobrevivência e o crescimento dos corais em recifes.

Vários invertebrados marinhos, como moluscos, vermes tubícolas e equinodermos, têm associações simbióticas com microrganismos. Por exemplo, algumas espécies de moluscos bivalves, como mexilhões e ostras, possuem bactérias simbióticas em suas brânquias que auxiliam na digestão de materiais orgânicos. Vermes tubícolas também podem ter bactérias simbióticas que auxiliam na absorção de nutrientes.

Alguns peixes marinhos estabelecem associações simbióticas com microrganismos em diferentes partes do corpo. Por exemplo, certas espécies de peixes-palhaço têm uma relação simbiótica com anêmonas-do-mar. Os peixes-palhaço vivem entre os tentáculos das anêmonas, que fornecem proteção contra predadores, enquanto os peixes-palhaço fornecem alimento para as anêmonas. Além disso, peixes de águas profundas podem ter órgãos luminescentes que abrigam bactérias.

Simbiose quimioautotrófica em oceano profundo

A simbiose quimioautotrófica é um tipo especial de associação simbiótica que ocorre em ambientes de oceano profundo, onde a luz solar é ausente. Nesse tipo de simbiose, os microrganismos envolvidos utilizam a energia química proveniente da oxidação de compostos inorgânicos para produzir matéria orgânica, servindo como fonte de energia para os organismos hospedeiros.

A simbiose quimioautotrófica é comumente encontrada em habitats de oceano profundo, como fontes hidrotermais (hot seeps), fendas frias (cold seeps) e áreas de surgência de metano (hidrato de gás). Esses ambientes são caracterizados pela presença de fluidos ricos em compostos químicos, como sulfetos, metano e amônia, que servem como fonte de energia para os microrganismos (ver texto mar profundo).

Os microrganismos quimioautotróficos envolvidos na simbiose podem ser bactérias ou arqueias. Eles possuem enzimas especiais que lhes permitem oxidar os compostos inorgânicos presentes no ambiente e converter essa energia em energia química utilizável para a síntese de compostos orgânicos. Alguns exemplos de microrganismos quimioautotróficos são as bactérias sulfuro-oxidantes, metano-oxidantes e nitrificantes.

Os organismos hospedeiros envolvidos nessa simbiose podem ser invertebrados, como moluscos, vermes tubícolas e crustáceos. Eles abrigam os microrganismos quimioautotróficos em seus tecidos ou órgãos especializados, fornecendo-lhes um ambiente adequado para a sua sobrevivência. Em troca, os microrganismos quimioautotróficos fornecem aos hospedeiros compostos orgânicos produzidos a partir da energia química.

As fontes de energia química utilizadas pelos microrganismos quimioautotróficos variam de acordo com o ambiente. Em fontes hidrotermais, os compostos sulfurosos, como sulfetos de metal, são oxidados para produzir energia. Um exemplo de simbiose quimioautotrófica no oceano profundo é a associação entre o verme tubícola Riftia pachyptila e bactérias quimioautotróficas do gênero Candidatus e Endoriftia. Os vermes vivem em grandes colônias nas fontes hidrotermais do fundo do oceano, onde a temperatura da água pode chegar a 400°C e a concentração de sulfeto de hidrogênio é extremamente alta. As bactérias vivem dentro dos órgãos do verme, onde obtêm os compostos inorgânicos necessários para a quimioautotrofia e, em troca, produzem compostos orgânicos que alimentam o verme.

Outro exemplo é a associação entre os caranguejos Yeti (Kiwa spp.) e bactérias quimioautotróficas que vivem em suas cerdas. Esses caranguejos vivem em ecossistemas de fontes hidrotermais, onde se alimentam de restos de alimentos depositados pela corrente. As bactérias quimioautotróficas que vivem nas cerdas desses caranguejos produzem compostos orgânicos a partir do sulfeto de hidrogênio e outros compostos inorgânicos presentes nas fontes hidrotermais, e em troca, recebem abrigo e nutrientes do caranguejo.

Em áreas de surgência de metano, o metano é oxidado por microrganismos metano-oxidantes. Além disso, a oxidação da amônia também pode ser uma fonte de energia em certos ambientes.

HINTs

Mesocosmos são ambientes ou sistemas experimentais em escala reduzida que tentam replicar condições semelhantes às encontradas em ecossistemas naturais. Eles são usados em estudos científicos para investigar e compreender os efeitos de diferentes variáveis ou perturbações em um ecossistema específico.

Espécies extremófilas são organismos que são capazes de sobreviver e prosperar em ambientes extremos que seriam hostis ou inabitáveis para a maioria das formas de vida. Esses ambientes extremos podem incluir condições de temperatura, pressão, salinidade, acidez, falta de luz ou nutrientes, entre outros.

Organismos fotossintetizantes são seres vivos que possuem a capacidade de converter a energia da luz solar em energia química, por meio do processo de fotossíntese. Eles são capazes de produzir seu próprio alimento, utilizando dióxido de carbono, água e luz solar para produzir açúcares e oxigênio. Esses organismos incluem plantas, algas, cianobactérias e algumas bactérias fotossintéticas. A fotossíntese é um processo fundamental para a manutenção da vida na Terra, pois fornece a base energética para toda a cadeia alimentar.

Organismos quimiossintetizantes são seres vivos que obtêm energia para a produção de alimentos a partir de reações químicas, em vez de utilizar a energia da luz solar como os organismos fotossintetizantes. Eles são capazes de utilizar compostos inorgânicos como fonte de energia, convertendo-os em compostos orgânicos. A quimiossíntese é realizada por certas bactérias e arqueas que habitam ambientes onde a luz solar não está disponível, como regiões profundas do oceano, fontes termais, cavernas subterrâneas e vulcões. Esses organismos obtêm energia oxidando compostos químicos, como sulfetos, amônia, metano ou ferro, e utilizam essa energia para produzir adenosina trifosfato (ATP), que é a moeda energética utilizada por todos os seres vivos. Além disso, eles podem fixar o dióxido de carbono atmosférico ou usar compostos orgânicos como fonte de carbono para produzir matéria orgânica.

Organismos heterotróficos são seres vivos que não são capazes de produzir seu próprio alimento e dependem da ingestão de matéria orgânica preexistente para obter energia e nutrientes. Ao contrário dos organismos autotróficos, que são capazes de realizar fotossíntese ou quimiossíntese, os heterotróficos precisam obter seus alimentos de outras fontes. Os organismos heterotróficos incluem a maioria dos animais, fungos e muitas espécies de bactérias. Eles podem obter sua matéria orgânica alimentando-se de outros organismos vivos (carnívoros), alimentando-se de matéria orgânica morta e em decomposição (detritívoros e decompositores) ou obtendo nutrientes de uma relação simbiótica com outros organismos. Os heterotróficos obtêm energia por meio de processos de digestão, absorção e metabolismo de moléculas orgânicas complexas, como carboidratos, lipídios e proteínas, presentes nos alimentos que consomem. Esses nutrientes são quebrados e transformados em energia utilizável na forma de adenosina trifosfato (ATP), que é a principal fonte de energia para as atividades celulares.