Microbiologia das Cianobactérias Juliana Calabria de Araujo

1. Microbiologia das CianobactériasJuliana Calabria de Araujo Juliana Calábria de Araújo

2. 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)

3. 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

4. Biodiversidade: gêneros com conteúdo homogêneo ou com grânulos

5. Gêneros e Grupos de Cianobactérias Fonte : Madigan et al. (2004), Microbiologia de BROCK

6. Diversidade Morfológica IV-Filamentosa IV III-Oscilatoriano II IV IV-Nostocaleano II-Pleurocapsaleno I I I-Unicelular

7. 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); • Luxuryconsuption(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;

8. 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)

9. 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

10. 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.

11. 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 • Betametilamino 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

12. 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 Nodulariaspumigena • Lipopolissacarídeos (LPS):Dermatotoxina • Todas as cianobactérias podem produzir

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

14. 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

15. 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 Microcystis Fonte: MS. FUNASA, 2003

16. Eutrofização- Origem dos nutrientes • Origem antrópica- diferentes fontes de N e P: • PO43- e NO3- • Esgotos domésticos, detergentes, sabões, excrementos humanos • Efluentes industriais: orgânicos, • Efluentes agrícolas: excrementos animais, • Escoamento de áreas rurais: fertilizantes, pesticidas; • Chuvas: poluição atmosférica

17. Causas e Consequências da N e P

18. 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

19. Estado trófico dos lagos 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. • FONTE: Limnologia Fluvial, Brigante &Espínndola, 2003

20. Comparação lago normal x lago eutrofizado

21. Consequências da Eutrofização Aumento do fitoplâncton e de macrófitas aquáticas- Z.eufótica Diminuição da transparência e da zona eufótica Aumento da respiração por parte das bactérias na zona afótica Morte de organismos sensíveis à redução da conc. de O2 (peixes) Condições anaeróbias no hipolímnio Predomínio de bactérias anaeróbias e facultativas no sedimento (produção de H2S e CH4), tóxicos para peixes e plantas.

22. Algas encontradas em águas poluídas Phormidium Anabaena Oscillatoria

23. 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)

24. 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

25. 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;

26. 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

27. Cianobactérias-Consequência das Florações • 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 Floração de Cylindrospermopsis Fonte: MS FUNASA, 2003

28. Cianobactérias-Problemas de Saúde Pública • Cianotoxinas, águas de abastecimento • Francis G(1878). “PoisonousAustralianlake” Nature18:11-12 (intoxicação por Nodulariaspumigena) ; • 1979: PalmIsland (Austrália); surto de hepato-enterite; Doença misteriosa de PalmIsland; C. raciborskiina água da represa (aplicação de algicidas); • Itaparica (1988): 88 mortes em 200 casos; Cylindrospermopsis Fonte: http://www.waterquality.crc.org.au

29. Cianobactérias-Problemas de Saúde Pública Dados água bruta-COMPESA • 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)(19,5mg/l)no carvão ativado utilizado no sistema de purificação de água da clínica Fonte: Carmichael et al. 2001, Environ. Health perspectives.

30. 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

31. 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).

32. 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

33. 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)

34. Medidas Corretivas • 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

35. 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.

36. 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.etal (2001)HumanFatalitiesfromCyanobacteria: ChemicalandBiologicalevidence for Cyanotoxins. EnvironmentalHealth 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.