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 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 IV II IV IV-Nostocaleano II-Pleurocapsaleno I I I-Unicelular

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 Microcystis Fonte: MS. FUNASA, 2003

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

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 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. Estado trófico IET Oligotrófico < 44 Mesotrófico 44-54 Eutrófico 54- 74 Hipereutrófico > 74 FONTE: Limnologia Fluvial, Brigante & Espínndola, 2003

Comparação lago normal x lago eutrofizado

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.

Algas encontradas em águas poluídas Phormidium Anabaena Oscillatoria

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

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

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 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.

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)

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

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.