A cana-de-açúcar é uma cultura importante no contexto agrário brasileiro, sobretudo com relação a manutenção e sustentabilidade dos agroecossistemas e da biodiversidade do solo. As comunidades microbianas associadas à canade- açúcar são participantes da manutenção dos ciclos biogeoquímicos, podendo ter sua estrutura e diversidade alteradas por mudanças no manejo da cultura e nas condições climáticas. Esse estudo teve como objetivo avaliar a diversidade microbiana associada à rizosfera de diferentes genótipos de cana-de-açúcar e empregar a metodologia de Stable Isotope Probing (DNA-SIP) para se avaliar a estrutura dos grupos responsivos a este ambiente. Para tanto, variedades de cana-de-açúcar foram selecionadas, extraindo-se o DNA total rizosférico e do bulk soil para análise por PCR-DGGE das regiões do gene 16S rDNA de bactérias, selecionando-se amostras representativas para o sequenciamento da região V6 do gene 16S rDNA através da plataforma Ion Torrent(TM). Os resultados demonstraram diferenças entre a diversidade das comunidades microbianas da rizosfera e do bulk soil, havendo a predominância dos grupos Actinobacteria, Proteobacteria e Acidobateria. Para o estudo da estrutura dos grupos responsivos na rizosfera, plantas da variedade RB86-7515 foram cultivadas sob duas concentrações de CO2 (350 e 700 ppm), realizando-se o enriquecimento com 13CO2, e posteriormente realizando a extração do DNA rizosférico para aplicação na técnica de DNA-SIP. A eficiência desta técnica foi avaliada por meio da técnica de PCR-DGGE para as regiões 16S rDNA de bactérias e ITS de fungos, onde foi verificado que após 48 horas já ocorre a incorporação de 13C pelas comunidades microbianas, havendo diferença entre os grupos que incorporaram o 13C. Diferenças foram também observadas para as distintas concentrações de CO2, indicando o DNA-SIP como uma poderosa ferramenta de estudos da ecologia das comunidades microbianas na rizosfera de cana-deaçúcar. / The sugarcane is an important crop in Brazilian agrarian context, especially in respect to maintenance and sustainability of agroecosystems and soil biodiversity. The microbial communities associated to sugarcane are involved biogeochemical cycles processes and it may have their structure and diversity changed due to crop management and climatic conditions. The aim of this study was to evaluate the microbial diversity associated to the rhizosphere of different sugarcane\'s genotypes and employ the Stable Isotope Probing tecnique (DNASIP) to evaluate the structure of the groups that are responding to this environment attributes. Therefore, some sugarcane varieties were selected and the total DNA in bulksoil and rhizosphere for analysis by PCR-DGGE of 16S rDNA gene regions of bacteria was extracted, selecting representative samples for sequencing the 16S rDNA gene of V6 region by Ion Torrent (TM) platform. The results showed differences between the diversity of microbial communities in the rhizosphere and bulk soil, with the predominance of Actinobacteria, Proteobacteria and Acidobateria groups. To study the structure of the responsive rhizosphere groups, the genotype RB86-7515 were grown under two CO2 concentrations (350 and 700 ppm), performing the 13CO2 enrichment. Afterwards, was performed the extraction of DNA for application of the SIP-rhizosphere DNA technique. The efficiency of this technique was assessed by PCR-DGGE over the regions of bacteria 16S rDNA and fungi ITS, which of these showed that occurs after 48 hours the incorporation of 13C by microbial communities, and it elucidate differences between the groups that incorporate the 13C. These differences were also observed for those different CO2 concentrations, indicating that the DNA-SIP is a powerful tool for studies of the ecology of microbial communities in the rhizosphere of sugarcane.

Diazotróficos de vida-livre podem ser encontradas associadas à filosfera, dermosfera e rizosfera das espécies vegetais. Alguns dados sugerem que a fixação biológica de N2 (FBN) por bactérias assimbióticas representa uma entrada importante de nitrogênio nos ecossistemas tropicais, variando com as espécies vegetais e nas diferentes partes da planta. O presente trabalho teve como objetivos estimar a quantidade de N2 fixado de forma assimbiótica na filosfera, dermosfera e rizosfera sobre a copa das espécies vegetais Guapira oposita e Euterpe edulis, e avaliar a diversidade das bactérias assimbióticas, através da análise do gene rRNA 16S, em uma Restinga ,em Ubatuba, SP. O estudo foi realizado no Parque Estadual da Serra do Mar, Núcleo Picinguaba, em épocas de baixa e alta pluviosidade. A atividade da nitrogenase foi determinada pela técnica de redução do acetileno e as concentrações de etileno foram determinadas por cromatografia gasosa. A diversidade de bactérias que habitam filosfera, dermosfera e solo foi acessada por pirosequenciamento da região V4 do gene rRNA 16S. A maior fixação de N foi observada na dermosfera de E. edulis nas duas épocas de coleta (175,1± 53,4 ng cm-2 h-1; 97,2 ± 21 ng cm-2 h-1), as taxas de fixação de N mais baixas foram observadas no solo. Na época de alta pluviosidade, a FBN na filosfera de G. oposita (52,0 ± 12 ng cm-2 h-1) foi significativamente maior do que a filosfera de E. edulis (3,6 ± 06 ng cm-2. h-1) e do que no mesmo compartimento mas em diferentes épocas de coleta (7,5 ± 1,3 ng cm-2 h-1). O valor do 15N foi maior no solo onde a fixação de N foi mais baixa. Na filosfera e na dermosfera, a relação C/N foi mais baixa quando a FBN foi mais alta. A FBN no solo e serrapilheira de restinga apresentou grande variação espacial, com locais de alta atividade. As 188629 sequências obtidas foram agrupadas em 16727 Unidades Taxonômicas Operacionais (UTOs), distribuídos em 35 filos. Os principais filos detectados foram Proteobacteria (38%) e Acidobacteria (12%). As classes Alphaproteobacteria e Gammaproteobacteria foram as mais abundantes nos três compartimentos. Potenciais fixadores de N foram detectados nas classes Alpha Beta e Gammaproteobacteria. A abundância de cianobacterias fixadoras de N na filosfera e na dermosfera foi baixa, indicando que outros diazotróficos também colonizam esses ambientes e contribuem com a FBN. / Free-living N2 fixing bacteria can be found associated with the phyllosphere, bark and rizosphere of the diferent plant species. Some data suggest that biological N2 fixation (BNF) by free-living bacteria represents an important input of nitrogen in tropical ecosystem, varying with the plant species and in different parts of the plant. This study aimed to estimate the amount of N2 fixed in the phyllosphere, bark and soil under the canopy of Guapira opposite and Euterpe edullis, and evaluate the diversity of bacteria through the sequencing of the 16S rRNA gene analysis, the phyllosphere, bark and soil in a Restinga area, Ubatuba, SP. The study was conducted in the Parque Estadual da Serra do Mar, Núcleo Picinguaba in seasons of low and high rainfall. Nitrogenase activity was determined by the acetylene reduction assay (ARA) and ethylene concentrations were determined by gas chromatography. The diversity of bacteria in the phyllosphere, bark and soil was accesed using pyrosequencing of the 16S rRNA V4 region. The bark of Euterpe edullis was higher at both sampling times (175,1±53,4 ng. cm-2. h-1, 97,2±21 ng. cm-2. h-1). The BNF rates were lower in soil. In high rainfall conditions, the BNF in the phyllosphere of Guapira opposite increased significantly (52,0±12 ng. cm-2. h-1) when compared with Euterpe edullis (3,6 ± 06 ng. cm-2. h-1) and Guapira opposite (7,5 ± 1,3 ng. cm-2. h-1) phyllosphere. The value of 15N was higher in the soil where the rates of FBN was lower. In the phyllosphere and bark, C/N was lower when BNF was higher. BNF in soil great spatial variation with areas of high activity. The 18.629 sequences obtained were grouped into 16.727 Operational Taxonomic Units (OTUs) distributed in 35 phyla. The main phyla Proteobacteria represented 38% of the OTUs and Acidobacteria 12% of the UTOs. The classes Alphaproteobacteria and Gammaproteobacteria were the most abundant in the three compartmens. Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria and Gammaproteobacteria were the main potential N-fixers. The abundance of nitrogen-fixing Cyanobacteria in the phyllosphere and bark was low, indicating that others diazotrophics also colonize these environments and contribute with BNF.

A cana-de-açúcar é uma cultura importante no contexto agrário brasileiro, sobretudo com relação a manutenção e sustentabilidade dos agroecossistemas e da biodiversidade do solo. As comunidades microbianas associadas à canade- açúcar são participantes da manutenção dos ciclos biogeoquímicos, podendo ter sua estrutura e diversidade alteradas por mudanças no manejo da cultura e nas condições climáticas. Esse estudo teve como objetivo avaliar a diversidade microbiana associada à rizosfera de diferentes genótipos de cana-de-açúcar e empregar a metodologia de Stable Isotope Probing (DNA-SIP) para se avaliar a estrutura dos grupos responsivos a este ambiente. Para tanto, variedades de cana-de-açúcar foram selecionadas, extraindo-se o DNA total rizosférico e do bulk soil para análise por PCR-DGGE das regiões do gene 16S rDNA de bactérias, selecionando-se amostras representativas para o sequenciamento da região V6 do gene 16S rDNA através da plataforma Ion Torrent(TM). Os resultados demonstraram diferenças entre a diversidade das comunidades microbianas da rizosfera e do bulk soil, havendo a predominância dos grupos Actinobacteria, Proteobacteria e Acidobateria. Para o estudo da estrutura dos grupos responsivos na rizosfera, plantas da variedade RB86-7515 foram cultivadas sob duas concentrações de CO2 (350 e 700 ppm), realizando-se o enriquecimento com 13CO2, e posteriormente realizando a extração do DNA rizosférico para aplicação na técnica de DNA-SIP. A eficiência desta técnica foi avaliada por meio da técnica de PCR-DGGE para as regiões 16S rDNA de bactérias e ITS de fungos, onde foi verificado que após 48 horas já ocorre a incorporação de 13C pelas comunidades microbianas, havendo diferença entre os grupos que incorporaram o 13C. Diferenças foram também observadas para as distintas concentrações de CO2, indicando o DNA-SIP como uma poderosa ferramenta de estudos da ecologia das comunidades microbianas na rizosfera de cana-deaçúcar. / The sugarcane is an important crop in Brazilian agrarian context, especially in respect to maintenance and sustainability of agroecosystems and soil biodiversity. The microbial communities associated to sugarcane are involved biogeochemical cycles processes and it may have their structure and diversity changed due to crop management and climatic conditions. The aim of this study was to evaluate the microbial diversity associated to the rhizosphere of different sugarcane\'s genotypes and employ the Stable Isotope Probing tecnique (DNASIP) to evaluate the structure of the groups that are responding to this environment attributes. Therefore, some sugarcane varieties were selected and the total DNA in bulksoil and rhizosphere for analysis by PCR-DGGE of 16S rDNA gene regions of bacteria was extracted, selecting representative samples for sequencing the 16S rDNA gene of V6 region by Ion Torrent (TM) platform. The results showed differences between the diversity of microbial communities in the rhizosphere and bulk soil, with the predominance of Actinobacteria, Proteobacteria and Acidobateria groups. To study the structure of the responsive rhizosphere groups, the genotype RB86-7515 were grown under two CO2 concentrations (350 and 700 ppm), performing the 13CO2 enrichment. Afterwards, was performed the extraction of DNA for application of the SIP-rhizosphere DNA technique. The efficiency of this technique was assessed by PCR-DGGE over the regions of bacteria 16S rDNA and fungi ITS, which of these showed that occurs after 48 hours the incorporation of 13C by microbial communities, and it elucidate differences between the groups that incorporate the 13C. These differences were also observed for those different CO2 concentrations, indicating that the DNA-SIP is a powerful tool for studies of the ecology of microbial communities in the rhizosphere of sugarcane.

Diazotróficos de vida-livre podem ser encontradas associadas à filosfera, dermosfera e rizosfera das espécies vegetais. Alguns dados sugerem que a fixação biológica de N2 (FBN) por bactérias assimbióticas representa uma entrada importante de nitrogênio nos ecossistemas tropicais, variando com as espécies vegetais e nas diferentes partes da planta. O presente trabalho teve como objetivos estimar a quantidade de N2 fixado de forma assimbiótica na filosfera, dermosfera e rizosfera sobre a copa das espécies vegetais Guapira oposita e Euterpe edulis, e avaliar a diversidade das bactérias assimbióticas, através da análise do gene rRNA 16S, em uma Restinga ,em Ubatuba, SP. O estudo foi realizado no Parque Estadual da Serra do Mar, Núcleo Picinguaba, em épocas de baixa e alta pluviosidade. A atividade da nitrogenase foi determinada pela técnica de redução do acetileno e as concentrações de etileno foram determinadas por cromatografia gasosa. A diversidade de bactérias que habitam filosfera, dermosfera e solo foi acessada por pirosequenciamento da região V4 do gene rRNA 16S. A maior fixação de N foi observada na dermosfera de E. edulis nas duas épocas de coleta (175,1± 53,4 ng cm-2 h-1; 97,2 ± 21 ng cm-2 h-1), as taxas de fixação de N mais baixas foram observadas no solo. Na época de alta pluviosidade, a FBN na filosfera de G. oposita (52,0 ± 12 ng cm-2 h-1) foi significativamente maior do que a filosfera de E. edulis (3,6 ± 06 ng cm-2. h-1) e do que no mesmo compartimento mas em diferentes épocas de coleta (7,5 ± 1,3 ng cm-2 h-1). O valor do 15N foi maior no solo onde a fixação de N foi mais baixa. Na filosfera e na dermosfera, a relação C/N foi mais baixa quando a FBN foi mais alta. A FBN no solo e serrapilheira de restinga apresentou grande variação espacial, com locais de alta atividade. As 188629 sequências obtidas foram agrupadas em 16727 Unidades Taxonômicas Operacionais (UTOs), distribuídos em 35 filos. Os principais filos detectados foram Proteobacteria (38%) e Acidobacteria (12%). As classes Alphaproteobacteria e Gammaproteobacteria foram as mais abundantes nos três compartimentos. Potenciais fixadores de N foram detectados nas classes Alpha Beta e Gammaproteobacteria. A abundância de cianobacterias fixadoras de N na filosfera e na dermosfera foi baixa, indicando que outros diazotróficos também colonizam esses ambientes e contribuem com a FBN. / Free-living N2 fixing bacteria can be found associated with the phyllosphere, bark and rizosphere of the diferent plant species. Some data suggest that biological N2 fixation (BNF) by free-living bacteria represents an important input of nitrogen in tropical ecosystem, varying with the plant species and in different parts of the plant. This study aimed to estimate the amount of N2 fixed in the phyllosphere, bark and soil under the canopy of Guapira opposite and Euterpe edullis, and evaluate the diversity of bacteria through the sequencing of the 16S rRNA gene analysis, the phyllosphere, bark and soil in a Restinga area, Ubatuba, SP. The study was conducted in the Parque Estadual da Serra do Mar, Núcleo Picinguaba in seasons of low and high rainfall. Nitrogenase activity was determined by the acetylene reduction assay (ARA) and ethylene concentrations were determined by gas chromatography. The diversity of bacteria in the phyllosphere, bark and soil was accesed using pyrosequencing of the 16S rRNA V4 region. The bark of Euterpe edullis was higher at both sampling times (175,1±53,4 ng. cm-2. h-1, 97,2±21 ng. cm-2. h-1). The BNF rates were lower in soil. In high rainfall conditions, the BNF in the phyllosphere of Guapira opposite increased significantly (52,0±12 ng. cm-2. h-1) when compared with Euterpe edullis (3,6 ± 06 ng. cm-2. h-1) and Guapira opposite (7,5 ± 1,3 ng. cm-2. h-1) phyllosphere. The value of 15N was higher in the soil where the rates of FBN was lower. In the phyllosphere and bark, C/N was lower when BNF was higher. BNF in soil great spatial variation with areas of high activity. The 18.629 sequences obtained were grouped into 16.727 Operational Taxonomic Units (OTUs) distributed in 35 phyla. The main phyla Proteobacteria represented 38% of the OTUs and Acidobacteria 12% of the UTOs. The classes Alphaproteobacteria and Gammaproteobacteria were the most abundant in the three compartmens. Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria and Gammaproteobacteria were the main potential N-fixers. The abundance of nitrogen-fixing Cyanobacteria in the phyllosphere and bark was low, indicating that others diazotrophics also colonize these environments and contribute with BNF.

Resumo: O cultivo intensivo agrícola, apesar de altamente produtivo, possui diversos pontos questionáveis, como suplementação acentuada de insumos sintéticos, além da aplicação de defensivos para o controle de pragas que muitas vezes são danosos ao meio ambiente. Como alternativa, a agricultura orgânica propõe uma forma de manejo menos agressiva, que promove o uso sustentável dos recursos naturais renováveis, como o aproveitamento de resíduos orgânicos, além de possuir um maior valor agregado no produto final. No presente estudo, investigamos por meio de uma abordagem metagenômica os efeitos do manejo (orgânico ou convencional) na microbiota da rizosfera de cana-de-açúcar, região da planta que notoriamente causa um grande impacto no seu desenvolvimento e produtividade. Identificamos a abundância maior na rizosfera com manejo orgânico de porções genômicas que codificam enzimas associadas ao metabolismo do nitrogênio e enxofre, sendo que estes são nutrientes fundamentais para o sucesso da planta e assim, seu desenvolvimento e produtividade em campo. Contraditoriamente, encontramos também que os genomas da microbiota orgânica possuem conteúdo ligado a um potencial mais acentuado para a degradação de compostos xenobióticos, que são ativamente aplicados no manejo convencional. De acordo com nossa predição, os microrganismos dessa microbiota poderiam realizar sua completa mineralização, o que é muito favorável na remoção desses resíduos no ambiente. Esses achados indicam que há um potencia... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: Modern industrialized agriculture although highly productive, has several sustainability problems such as the for intense supplementation of synthetic inputs, beyond the application of pesticides for pest control. Which are often harmful to environment. As an alternative to this system, organic agriculture is considered more environmentally progressive, having several characteristics favorable to the crop producer, promotes sustainable use of renewable natural resources, such as the use of organic waste, besides that a higher aggregated value in the final product. This study investigates the changes that an organic system brings when compared to conventional management for the sugarcane rhizosphere microbiome, a plant region known to be determinant of plant development and associated with net productivity, using a metagenomic approach. We identified a higher abundance of genomic portions which encode enzymes associated with nitrogen and sulphur metabolism, which are fundamental nutrients for plant success and subsequently, crop productivity. Conversely, we also found that genomes of the organic microbiome contain higher portions linked to xenobiotic degradation, compounds that are actively applied in conventional management. Microorganisms from this sequenced microbiome could perform complete mineralization of these damaging compounds, which is desirable in their removal from the environment. These findings indicate that there is a unique potential for exploitation of organic... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre

La presente tesis doctoral tiene como principal objetivo aportar conocimiento en el área de la biorremediación de suelos contaminados por hidrocarburos, mediante el estudio a escala real y de laboratorio de tratamientos enfocados a mejorar la degradación de los contaminantes y el uso de técnicas moleculares para determinar la biodiversidad microbiana presente en el suelo, así como su evolución a lo largo de dichos tratamientos. Los estudios llevados a cabo pretenden abordar aspectos todavía no resueltos y por tanto necesitados de investigación. En primer lugar la presencia de hidrocarburos de elevado peso molecular como las fracciones alifáticas pesadas o los HAPs de 4 y 5 anillos, en concentraciones excesivamente elevadas después de aplicar la biotecnología de la biorremediación con técnicas convencionales como la aireación y la adición de nutrientes. Otro aspecto a resolver es la falta de accesibilidad de estas moléculas de excesivo tamaño molecular a aquellos microrganismos capaces de metabolizarlas. Cabe resaltar que mientras el grupo de investigación logró muy buenos resultados en la utilización de biosurfactantes para mejorar la biodisponibilidad de hidrocarburos de elevado peso molecular en medio líquido, los intentos llevados a cabo en distintos suelos, no condujeron a ninguna mejora de la biodegradación. Finalmente el reto más importante que actualmente tiene la comunidad científica, es aumentar el conocimiento de las poblaciones microbianas implicadas en los procesos de biorremediación. Deberíamos dejar la pura descripción para alcanzar el objetivo último que sería conocer qué función está llevando a cabo cada microorganismo identificado. Por suerte, las metodologías moleculares que están evolucionando vertiginosamente nos están ofreciendo el camino. Relacionado con este aspecto, y que quizás no ha sido abordado suficientemente, estaría el conocimiento de las interacciones entre bacterias y hongos o entre poblaciones autóctonas y aquellas introducidas como inóculos en procesos de bioaumentación. El presente trabajo de tesis doctoral aborda todos estos aspectos que se exponen en seis capítulos: (I) a multi-approach assessment to evaluate biostimulation and bioaugmentation strategies for heavily oil-contaminated soil, (II) ensayo piloto de biorremediación por tecnología de la biopila dinámica para la descontaminación de suelos contaminados por creosotas provenientes de las actividades dedicadas a la preparación de la madera, (III) microbial populations related to PAH biodegradation in an aged biostimulated creosote-contaminated soil, (IV) Fungal/bacterial interactions throughout bioremediation assays in an aged creosote polluted soil, (V) Comparative assessment of bioremediation approaches to highly recalcitrant PAH degradation in a real industrial polluted soil y (VI) Combining DGGE and barcoded pyrosequencing for microbial community characterization throughout different soil bioremediation strategies in an aged creosote-polluted soil. / The main objective of the present thesis work is to provide knowledge in the field of bioremediation of hydrocarbon contaminated soils, by performing field-scale and lab-scale treatments focused on improving the degradation of organic pollutants and the use of molecular techniques to determine the microbial biodiversity present in the soil and their evolution due to the treatment effect. The studies carried out intended to address unresolved issues and therefore in need of investigation. Firstly, the presence of high molecular weight hydrocarbon fractions such as heavy aliphatic or 4 and 5-ring PAHs, in excessively high concentrations after application of bioremediation biotechnology techniques as aeration and addition of nutrients. Another issue to address is the lack of accessibility of these high molecular weight compounds for those microorganisms able to metabolize them. It is noteworthy that while our research group obtained very good results using biosurfactants to improve bioavailability of PAHs in liquid medium, the attempts made in different soils did not lead to any improvement in biodegradation. Finally, the most important challenge that currently has the scientific community in our research field is to increase the knowledge of microbial populations involved in bioremediation processes. We should achieve the objective of knowing what function is conducting each organism identified and try to forget the simply ecological description. Fortunately, molecular methodologies are faster than before. Related to this aspect, it is important to highlight the paramount importance for bioremediation success of the interactions between bacteria and fungi or between indigenous communities and those introduced as inoculum in bioaugmentation processes. The present doctoral thesis deal with all these issues, which are presented in six chapters: (I) a multi-approach assessment to evaluate biostimulation and bioaugmentation strategies for heavily oil-contaminated soil, (II) ensayo piloto de biorremediación por tecnología de la biopila dinámica para la descontaminación de suelos contaminados por creosotas provenientes de las actividades dedicadas a la preparación de la madera, (III) microbial populations related to PAH biodegradation in an aged biostimulated creosote-contaminated soil, (IV) Fungal/bacterial interactions throughout bioremediation assays in an aged creosote polluted soil, (V) Comparative assessment of bioremediation approaches to highly recalcitrant PAH degradation in a real industrial polluted soil and (VI) Combining DGGE and barcoded pyrosequencing for microbial community characterization throughout different soil bioremediation strategies in an aged creosote-polluted soil.

El estudio de los microorganismos en cultivo puro ha propiciado el desarrollo de la genética, la bioquímica y la biotecnología. Sin embargo, la ecología ha permanecido reticente a incorporar a los microorganismos en su acervo teórico y experimental, principalmente debido a las dificultades metodológicas para observar a los microbios en la naturaleza, y como resultado de los caminos divergentes que han trazado las disciplinas de la microbiología y la ecología general. Esta tesis trata de demostrar que los patrones ecológicos de comunidades microbianas son susceptibles de ser analizados mediante la combinación de técnicas filogenéticas y herramientas de estadística multivariante. El uso de técnicas filogenéticas permite solventar, o al menos paliar, el hecho de la no independencia de los organismos vivos debido a la ascendencia común. Con la información ambiental adicional (como reflejo del determinismo abiótico) y la información espacial (como amalgama de eventos históricos y de dispersión), es posible explorar los posibles mecanismos que subyacen a la estructura y a la diversidad de las comunidades microbianas. / The study of microorganisms in pure laboratory culture has delivered fruitful insights into genetics, biochemistry and biotechnology. However, ecology has remained reluctant to incorporate microorganisms in its experimental and theoretical underpinnings mainly due to methodological difficulties in observing microorganisms in nature, and as a result of the different paths followed by the disciplines of microbiology and general ecology. In this dissertation, I argue that novel insights into microbial community patterns arise when phylogenetic relatedness are used in conjunction with multivariate statistical techniques in the context of broad scales of description.

Hidroeletricidade tem o potencial para mitigar as mudanças climáticas, embora a pegada de carbono desta fonte de energia ainda é questionada. O metano é um dos principais gases de efeito estufa e a emissão deste gás é ignorada nas avaliações de impacto ambiental de hidrelétricas. Fluxos de metano resultam do balanço entre dois processos microbianos: metanogênese e oxidação do metano. Dados coletados em reservatórios brasileiros, indicaram os parâmetros que configuram a distribuição destas comunidades microbianas. Descobrimos que o balanço entre a oxidação de metano e metanogênese, quantificada por abundâncias de genes (mcrA e pmoA), resulta em diferentes quantidades de metano. Para medir o efeito da mudança do uso do solo após a construção de um reservatório, avaliamos o potencial metanogênico com amostras em microcosmos simulando condições de alagamento. Informações geradas neste trabalho contribuirão para alcançar o desafio de projetos hidrelétricos: redução das emissões de gases de efeito estufa e garantir o fornecimento de energia no Brasil. / Hydropower has the potential to mitigate climate change, although carbon footprint of this renewal energy source is still questioned. Methane is one of the main greenhouse gases, but emission of this gas is ignored in environmental assessments of hydroelectricity impact. Methane fluxes result from the balance between two microbial processes: methanogenesis and methane oxidation. From data collected in Brazilian reservoirs we identify parameters that shape the balance of microbial communities related to methane We found that balance between metanogênese and methane oxidation, quantified by mcrA and pmoA gene abundances, result in different values for methane emissions. In order to measure the effect of land use change after a reservoir construction, we evaluate methanogenic potential from samples incubated in microcosms simulating flooded and anoxic conditions. Information acquired in this work will contribute to achieve the challenge for future hydropower projects: settles the reduction of emissions greenhouse gases and guarantee the supply of energy demands.

Os sistemas de cultivo agrícola são essenciais à sociedade. A questão atual é saber como mantê-los produtivos sem afetar drasticamente os diferentes ecossistemas e ciclos biogeoquímicos. Sabe-se que a atividade biológica dos solos é de crucial importância à saúde dos mesmos e à produtividade. Deste modo, a implantação de técnicas ambientalmente corretas com monitoramentos eficientes, baseados na qualidade do solo, é fundamental para valorizar a sua conservação. Esta tem sido o foco de pesquisas nas últimas décadas, sendo que refletem ação antrópica, principalmente pela emissão dos gases do efeito estufa (GEEs). O uso de sistemas conservacionistas destaca-se pela viabilidade econômica e ambientalmente benéfica em relação ao manejo convencional. O sistema integração lavoura-pecuária tem sido utilizado para minimizar os impactos ambientais da exploração agrícola, a fim de preservar as características físicas, químicas e biológicas do solo, estendendo sua resiliência e aumentando a produtividade. Os microrganismos são responsáveis por diversos processos biológicos essenciais ao ambiente e algumas espécies participam produzindo ou oxidando o metano (CH4), um dos gases do efeito estufa. Estes são influenciados principalmente pelas mudanças de uso do solo, que quando relacionadas ao manejo inadequado podem alterar a qualidade do solo, a produtividade e a emissão de gases. Assim, a avaliação dos solos dos sistemas agrícolas, sob a interação rizosférica de diferentes culturas e a criação de um ambiente anóxico se faz necessário para entender o comportamento de tais comunidades. Os sistemas de integração lavoura-pecuária e a rotação de culturas foram investigados em relação a microbiota funcional do solo, em função de fatores como ao histórico da área e umidade. Foram avaliadas a abundância, por PCR em tempo real, e a estrutura das comunidades Archaea e Bacteria por TRFLP, e a potencialidade de atuação do solo como emissor e mitigador de CH4 através da quantificação dos microrganismos metanogênicos e metanotróficos de áreas agrícolas e reflorestamento do Alto Xingu, no município de Querência. Com elas foi possível observar que os microrganismos são estruturados, primariamente, em função do tipo de solo e consecutivo efeito rizosférico dos vegetais, de forma que os sistemas de integração lavoura-pecuária (ILP) apresentaram sutilmente maior estabilidade em relação ao sistema rotacionado de soja/milheto, devido ao sistema radicular da pastagem fornecer maior proteção e liberação de exsudatos. Pelas semelhanças existentes com os sistemas ILP, a área de reflorestamento se encontra em recuperação transitória, em uma média da similaridade entre as enzimas de restrição HhaI e MspI, de 85%; e 65% em relação à floresta, que se estruturou de maneira diferenciada das demais áreas. Outro fator de diferenciação das áreas agrícolas foi a forte influência da calagem o que eleva o pH e concomitantemente apresentou teores elevados de Ca e Mg. Já as comunidades de metanotróficas não apresentaram variação em função das metanogênicas, em que a saturação hídrica promoveu seu crescimento somente nos solos de floresta, onde ocorre maior incorporação de matéria orgânica / Agricultural faming systems are essential to society. The current question is how to keep them productive without drastically affecting different ecosystems and biogeochemical cycles. It is known that the soil biological activity is crucial to the health and productivity. Thus, the implementation of environmentally correct techniques with efficient monitoring, based on soil quality is critical to enhance their conservation. This has been the focus of research in recent decades, and reflects human action, mainly by the emission of greenhouse gases (GHGs). The use of conservation tillage systems distinguished by economic viability and environmentally beneficial compared to conventional tillage systems. The crop-livestock system has been used to minimize the environmental impacts of farming, in order to preserve the physical, chemical and biological soil properties, extending its resilience and increasing productivity. Microorganisms are responsible for many essential biological processes to the environment and some species participate in production or oxidation of methane (CH4), a greenhouse gas. These are mainly influenced by land use changes, that when related to inadequate management may alter soil quality, productivity and gases emissions. Thus, the evaluation of soils for agricultural systems under the rhizospheric interaction of different cultures and creating an anoxic environment is needed to understand the behavior of such communities. Crop-livestock systems and crop rotation were investigated in relation to functional soil microbiota, depending on factors such as the area history and moisture. Genes abundance were assessed by real-time PCR, while Archaea and Bacteria community structure by TRFLP, and the potential role of soil as releaser and mitigator of CH4 through the quantification of methanogens and methanotrophs in agricultural areas and reforestation of the Upper Xingu, at Querência city. Through the techniques of qPCR and TRFLP was observed that microorganisms are structured primarily on the type of soil, followed by rhizosphere effect of plants. In this way, crop-livestock integration systems (CLI) are subtly stable then rotational system of soybean/millet due to pasture root system to provide greater protection and root exudation. Alike CLI systems, the reforestation area is in transient recovery on average between the restriction enzymes HhaI and MspI, 85%; and 65% in relation to forest, this structures itself in a differentiated manner from the other areas. The farming areas present strong influence of liming, which leads to grow pH and concomitantly high Ca and Mg contents. The methanotrophic community did not vary due to the methanogenic community, and the water saturation promotes the growth of methanogenic communities only in forest soils where occurs greater organic matter incorporation

This thesis assessed effects of Amazonian deforestation on artificial association networks of bacteria to bacteria and to abiotic soil factors and networks based on categories of bacterial functions and abiotic soil factors, and sought a better insight into community of Acidobacteria in Amazon soils under agricultural management of soybean based on culture-dependent and molecular approaches. Bacterial community was studied based on next-generation sequencing technologies (Roche GS FLX Titanium and Illumina HiSeq 2000 platforms), quantitative real-time PCR, fingerprinting technique and basic procedures for bacteria culture. The general objective of this thesis was achieved by development of three different studies. The Study 1 analyzed the total bacterial community based on 16S ribosomal DNA pyrotag (425 thousand sequences), shotgun metagenomics (266 million sequences) and environmental parameters from soil samples collected in three real replicate of intact Amazon rainforest and adjacent deforested site after 2-4 months of forest clearing and burning in the Brazilian Amazon. This study showed that deforestation of Amazon forest soils led to a consistent decline in the abundance of Verrucomicrobia and alterations in verrucomicrobial community structure, and simplified association networks among different bacterial taxonomic groups and abiotic soil factors. In order to adapt to this condition function-based associations network were enhanced, indicating a higher degree of risk spreading for the maintenance of soil functioning. The Study 2, in turn, correlated relative abundance of Acidobacteria subgroups - based on approximately 33 thousand sequences of acidobacterial 16S rRNA genes - and abiotic soil factors, and showed differential response of Acidobacteria subgroups to abiotic soil factors in Amazon forest soils into soybean croplands. This study opened the possibilites to explore acidobacterial subgroups as early-warning bio-indicators of agricultural soil management effects in the Amazon area. Lastly, the Study 3 reported the culturability and molecular detection of Acidobacteria subgroups 1 and 3 concomitantly to other bacterial groups from Amazon soils on enriched culture medium with carbon source and incubated for relatively long period in hypoxic atmosphere (2% O2 [vol/vol], 2% CO2 [vol/vol] and 96% N2 [vol/vol]), and validated the combination of traditional procedures for bacteria culture and molecular techniques for recover and detection of Acidobacteria from Amazon soils / Este trabalho de tese avaliou o efeito do desmatamento sobre redes artificiais de associação entre grupos taxonômicos de Bacteria e fatores abióticos do solo e redes baseadas em funções bacterianas e fatores abióticos do solo, e utilizou técnicas moleculares e abordagem dependente de cultivo para compreender a dinâmica da comunidade de Acidobacteria em solos da floresta Amazônica convertidos em áreas agrícolas para produção de soja. Para estudo das comunidades bacterianas foram utilizadas tecnologias de sequenciamento de nova geração (plataformas 454 GS FLX Titanium da Roche e Illumina HiSeq 2000), PCR quantitativo em tempo-real, método de fingerprinting e procedimentos tradicionais para cultivo de bactérias. O objetivo geral desta tese foi alcançado com o desenvolvimento de três diferentes estudos. O Estudo 1 considerou aproximadamente 425 mil sequências do gene 16S rRNA de Bacteria e 266 milhões de sequências de DNA bacteriano obtidas por análise metagenômica a partir de solos coletados em três réplicas verdadeiras de floresta intacta na Amazônia e área desmatada adjacente após corte e queima da cobertura vegetal. Com isso, este estudo mostrou que o desmatamento declina a abundância e altera a estrutura de comunidade de Verrucomicrobia no solo e simplifica as redes artificiais de associação entre diferentes grupos bacterianos. A rede artificial de associação entre categorias funcionais e fatores de solo revelou-se mais complexa em solos desmatados, indicando um alto grau de dispersão de risco para a manutenção do funcionamento do solo. Por sua vez, o Estudo 2 correlacionou a abundância de subgrupos de Acidobacteria - com base em aproximadamente 33 mil sequências do gene 16S rRNA de Acidobacteria - com fatores abióticos do solo, e mostrou que subgrupos de Acidobacteria respondem diferentemente aos efeitos do manejo agrícola de solos da floresta Amazônica dentro de áreas de produção de soja. Este estudo abriu possibilidades de explorar subgrupos de Acidobacteria como bio-indicadores dos efeitos do manejo agrícola do solo na região da Amazônia. Por fim, o Estudo 3 reportou a culturabilidade e detecção molecular de Acidobacteria subgrupos 1 e 3 e outros grupos bacterianos presentes em solos Amazônicos em meio de cultura enriquecido com carbono e incubado sob atmosfera hipóxica (2% O2 [vol/vol], 2% CO2 [vol/vol] e 96% N2 [vol/vol]), atestando, assim, a combinação de procedimentos tradicionais de cultivo e técnicas moleculares para a recuperação e detecção de Acidobacteria de solos da Amazônia