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A banana (Musa spp.) está entre as culturas mais abundantes no mundo, e devido ao seu descarte, desde a colheita até a sua comercialização gera-se grande quantidade de resíduos sólidos. Neste cenário, buscou-se avaliar o potencial uso do resíduo de banana (RB) como substrato e fonte de bactérias fermentativas para produção de H2 e metabólitos solúveis. Obteve-se a partir da fermentação natural do RB biomassa autóctone produtora de H2 sem necessidade do uso de fonte exógena de bactérias e custo adicional de fontes de carbono. Nesse consórcio foram identificadas bactérias semelhantes a Lactobacillus e Clostridium. Ensaios em reatores em batelada foram conduzidos para seleção do meio de cultivo (BAC, Noparati e PCS), das variáveis independentes (pH, temperatura, concentração do substrato, headspace e inóculo), seguido do delineamento composto central rotacional (DCCR) para otimização da produção de hidrogênio. Verificou-se que as condições nutricionais do meio PCS (extrato de levedura, peptona, NaCl e CaCO3) e RB resultaram na produção (P) e rendimento (YH2) máximo de 15,05 mL e 10,03 mL H2.g-1 CT (carboidratos totais), respectivamente. Em relação às variáveis independentes (pH, temperatura, concentração de substrato, volume do headspace e porcentagem de inóculo) obteve-se maiores valores de P e velocidade de produção (Rm) de H2 de 38,08 mL e 3,07 mL.h-1, respectivamente, em pH 7,5, 15 g.L-1, 44ºC, 40% de headspace e 15% inóculo. Em relação às variáveis estatisticamente significativas (pH e temperatura) via realização do DCCR observou-se que o aumento do pH (de 5,09 para 7,5) favoreceu, tanto P, quanto Rm, todavia, maior temperatura (de 27,1 para 46,9ºC) associada ao menor pH (<6,5) foram condições desfavoráveis para esses parâmetros. Por outro lado, obteve-se redução do tempo de início de produção de hidrogênio (&#955;H2) para maior temperatura (44-46,9ºC) associada ao menor pH (5,5) As condições operacionais ótimas estimadas via modelo foram em pH 7,0 e 37ºC, obtendo-se 70,09 mL H2, 12,43 mL H2.h-1 e 93 mL.g-1 CT, para P, Rm e YH2, respectivamente. Bacilllus sp. isolada do RB cresceu em variedade de substratos (glicose, xilose, manose, galactose, frutose, maltose, celobiose, sacarose, amido e RB), e 71 mL H2 foi obtido em 5 g.L-1 de RB, pH 7 a 37ºC. Em todos os ensaios em reatores em batelada, independentemente das condições operacionais, verificou-se que as principais vias metabólicas foram do ácido acético butírico e ácido lático, principalmente com glicose e frutose como fonte de carbono. A acidificação dos reatores resultou na diminuição do pH inicial para valores <4,0 favorecendo a rota solventogênica. Na biomassa fermentativa autóctone e aquela dos reatores em batelada foi possível inferir sobre elevado potencial metabólico, devido a identificação de genes relacionados com enzimas do metabolismo de carboidratos. / Banana (Musa spp.) is among the most abundant crops in the world and, due to its discard, great quantity of solid waste is generated from the harvest until its commercialization. In this scenario, the potential use of banana residue (RB) as substrate and source of fermentative bacteria for the production of H2 and soluble metabolites was evaluated. It was obtained from RB natural fermentation native autochthonous H2-producing biomass without the need to use exogenous source of bacteria and additional costs from carbon sources. In this consortium, bacteria similar to Lactobacillus and Clostridium were identified. Batch reactor experiments were conducted to select culture medium (BAC, Noparati and PCS) and independent variables (pH, temperature, substrate concentration, headspace and inoculum), followed by central composite rotatable design (CCRD) experiments for optimization of hydrogen production. It was verified that the nutritional conditions provided by PCS medium (yeast extract, peptone, NaCl and CaCO3) and RB resulted in the maximum production (P) and yield (YH2) of 15.05 mL and 10.03 mL H2 g-1 CT (total carbohydrates), respectively. Regarding the independent variables (pH, temperature, substrate concentration, headspace volume and percentage of inoculum), higher P and H2 production rate (Rm) were obtained (38.08 mL and 3.07 mL h-1, respectively) at pH 7.5, 15 g L-1 of substrate, 44 °C, 40% headspace and 15% inoculum. In relation to the statistically significant variables (pH and temperature), it was observed through CCRD that the increase in pH (from 5.09 to 7.5) favored both P and Rm, however, a higher temperature (from 27.1 to 46.9ºC) associated with lower pH (<6.5) were unfavorable conditions for these parameters. On the other hand, a reduction in the hydrogen production start time (H2) was obtained with higher temperature (44-46.9ºC) associated to lower pH (5.5). The optimum operational conditions, estimated by modeling, were pH 7.0 and 37 °C, yielding 70.09 mL H2, 12.43 mL H2 h-1 and 93 mL gCT-1 for P, Rm and YH2, respectively. Bacillus sp. isolated from RB grown on a variety of substrates (glucose, xylose, mannose, galactose, fructose, maltose, cellobiose, sucrose, starch and RB), and 71 mL H2 was obtained with 5 g L-1 RB, pH 7 at 37 °C. In all batch reactor experiments, regardless of operating conditions, the main metabolic pathways were acetic acid, butyric acid and lactic acid, mainly with glucose and fructose as carbon sources. Acidification of the reactors resulted in a decrease of the initial pH to values <4.0, favoring the solventogenic pathway. It was possible to infer about the high metabolic potential in the autochthonous fermentative biomass and in the biomass from the batch reactors due to the identification of genes related to enzymes of the carbohydrate metabolism.

Les bactéries ont colonisé toutes les niches écologiques de la planète. Plus précisément, les sols sont l’hôte de la plus grande biodiversité terrestre, la faune microbienne. Cette grande diversité de bactéries et leur relative ubiquité rendent difficile l’identification des variables contrôlant la distribution spatiale des bactéries vivant dans le sol. Comme les bactéries du sol jouent un rôle important dans les grands cycles biogéochimiques globaux, il est important de mieux comprendre les variables qui peuvent influencer la composition bactérienne des sols. Dans cette thèse, nous émettons l'hypothèse que l'hétérogénéité de la composition de la communauté bactérienne apparaît à la même échelle spatiale que l'hétérogénéité des propriétés physico-chimiques du sol. Afin de comprendre la relation entre la composition bactérienne des sols (à l’échelle d’une carotte de sol jusqu’à l’échelle d’une région entière du nord de la France) et les paramètres physico-chimiques du sol à différentes échelles spatiales, nous allons utiliser une approche intégrant des données issues d’analyses SIG (Système d’Information Géographique), d’analyses physico-chimiques du sol et d’analyses des communautés bactériennes du sol. A travers une suite de trois expérimentations, nous allons répondre à trois questions: Est-ce qu’une pression environnementale uniforme à une plus grande échelle (cm) peut atténuer l’hétérogénéité microbienne à micro-échelle? Est-ce que les variables ayant une distribution spatiale suivant un gradient géographique sont des variables structurant fortement la distribution spatiale des bactéries à l’échelle de ce même gradient? Est-ce que certains bio-indicateurs à grandes échelles peuvent intégrer des groupes de variables pour modéliser la distribution des bactéries pour une région entière ? / The bacteria have colonized all the niches of the planet. Specifically, soils are home of the largest terrestrial biodiversity, microbial fauna. This great diversity of bacteria and their relative ubiquity make it difficult to idendified variables driving the spatial distribution of bacteria living in the soil. As soil bacteria play a significant role in the main global biogeochemical cycles, it is important to better understand the variables that can influence bacterial composition of soils. In this thesis, we hypothesize that heterogeneity of the bacterial community composition appears at the same scale level as the heterogeneity of soil physicochemical properties. In order to understand the relationship of bacterial composition of soils (from core experiment to field study in large region in the northern France) and soil factors at different spatial scales, we will use an approach coupling GIS tools, soil physico-chemical analysis and 16S rRNA gene NGS. With Three set of experiment we will answer three questions: Can a uniform environmental pressure at a larger scale (cm) overcome microbial micro-scale heterogeneity? Are geographical gradients strong drivers of the microbial community structure at the scale of the gradient? Do large-scale geographical features that integrate groups of parameters model the differences in microbial community structure for an entire region?

O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, sendo o Estado de São Paulo responsável por mais de 50% do total desta produção. Esta cultura tem um enorme impacto sobre a agricultura brasileira e devido a isto, uma melhor compreensão da composição da comunidade microbiana relacionada a ciclagem do nitrogênio (N) nestes solos é de grande importância para o aprimoramento no cultivo da cana-de-açúcar. No entanto, pouco se sabe sobre a relação entre grupos microbianos e essa cultura. Este trabalho visou determinar variações nas comunidades microbianas que participam das transformações do N nos solos de três áreas utilizadas para a produção de cana-de-açúcar (A, F e J), as quais apresentam uma gama de diferentes condições de manejo e características do solo. Cada área foi analisada em triplicatas, e o DNA extraído do solo foi utilizado para metodologias de sequenciamento de segunda geração (metagenômica e sequenciamento do gene 16S rDNA), PCR quantitativo (qPCR) e polimorfismo dos fragmentos terminais de restrição (T-RFLP). A maioria das sequências derivaram de bactérias (98%; base de dados M5NR); seis etapas do ciclo do nitrogênio foram anotadas pela plataforma MG-RAST (base de dados SEED): amonificação do nitrato e nitrito (ANN); fixação de nitrogênio; desnitrificação; óxido nítrico sintase; redução dissimilatória do nitrito e assimilação de amônia. Este último passo mencionado foi o mais abundante (28%) (genes gltb e gltD) e está diretamente relacionado a multiplicação microbiana nos solos.. O segundo processo mais abundante foi ANN (genes nir e nar), responsável por consumir este substrato durante o ciclo. Proteobacteria, Chloroflexi, Verrucomicrobia e Cyanobacteria estão presentes em todas as etapas do ciclo, representando microrganismos que podem participar das vias de transformação do N e, ademais, foi possível descrever um core microbiano (nível de ordem) representado por Sphingomonadales. Algumas variáveis ambientais, como a aplicação de torta de filtro e a produtividade mostraram uma correlação significativa com a estrutura da comunidade microbiana. Isto também foi encontrado para algumas características do solo como fósforo, magnésio e matéria orgânica. Além disso, identificou-se uma alta abundância de microrganismos carregando genes que codificam enzimas da via de redução do nitrato e nitrito. Portanto, apesar de sua complexidade, o estudo das funções microbianas de nitrogênio em solos cultivados com cana-de-açúcar é inovador por acessar de forma conjunta todas as comunidades envolvidas neste ciclo, caracterizadas por sequenciamento, o que evita os problemas inerentes ao cultivo microbiano, além de permitir inferir sobre a hierarquia das variáveis ambientais que influem sobre esse grupos microbianos. / Brazil is the largest world\'s producer of sugarcane and State of São Paulo accounts for over 50% of this production. This crop has a huge impact on Brazilian agriculture and due to this great importance, a better understanding of the composition of the microbial community related to cycling of nitrogen (N) in these soils is of utmost importance for the improvement in the cultivation of sugarcane. However, little is known about the relationship between microbial groups and this crop. This study aimed to determine changes in microbial communities that participate in the transformation of N in soils derived from three areas used for sugarcane production (named A, F and J), which have a range of different management conditions and soil characteristics. Each area was analyzed in triplicate, and the extracted DNA was used to develop next generation sequencing (shotgun metagenomics and 16S rDNA), quantitative PCR (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP). Most of the sequences derived from Bacteria (98%; M5NR database); six stages of nitrogen cycle were annotated by MG-RAST plataform (SEED database): nitrate and nitrite ammonification (NNA); nitrogen fixation; denitrification; nitric oxide synthase; dissimilatory nitrite reductase and ammonia assimilation. This last mentioned step was the most abundant (28%) (gltB and gltD genes) and is directly linked to microbial growth in soil, since the final product of the reaction is glutamate. The second most abundant process was NNA (nir and nar genes), responsible for consuming this substrate during the cycle. Proteobacteria and Chroloflexi are present at all stages of the cycle, representing microorganisms that can participate in the N transformation and, moreover, it was possible to describe a microbial core (at an order level) represented by Sphingomonadales. Some environmental variables, such as the application of filter cake and productivity showed a significant correlation with the structure of the microbial community. This was also found for certain soil characteristics such as phosphorus, magnesium and organic matter. In addition, it was identified a high abundance of microorganisms carrying genes encoding the enzymes for nitrate and nitrite reduction pathway. Therefore, despite its complexity, the study of microbial functions of nitrogen in soils cultivated with sugarcane is innovative by accessing jointly all communities involved in this cycle, characterized by sequencing, which avoids the problems inherent in microbial cultivation and allows to infer about the hierarchy of environmental variables that influence this microbial groups.

Os micro-organismos apresentam uma imensa diversidade genética e desempenham funções únicas e cruciais na manutenção de ecossistemas. Uma dessas funções é a produção de enzimas extracelulares, que ajudam na degradação da matéria orgânica e são cada vez mais procuradas e exploradas pela indústria. Essa propriedade aumenta a busca por enzimas que possam ser utilizadas nos diversos setores industriais com maior aproveitamento e baixo custo. A celulase pertence a essa classe de enzimas e é formada por um complexo multienzimático capaz de hidrolisar celulose por meio da quebra da ligação &beta;,1-4. A partir dessa característica da celulase, foi realizada uma expressão heteróloga relacionada com a hidrólise da celulose em biblioteca metagenômica de solo da Caatinga. Foram realizados testes de produção enzimática por meio dos quais selecionamos os clones 283/A8 e 307/E11 como melhores produtores de endoglicanases. Com o objetivo de analisar a cinética de produção de celulases pelos clones, estes foram inoculados em diferentes fontes de celulose, pH e temperatura. A faixa ideal de pH foi 5,0 e de temperatura, 50º C, verificada para as enzimas Celulase Total, Endoglicanase e &beta;-glicosidase. Quanto à termoestabilidade, as enzimas presentes mantiveram mais de 60% da atividade inicial após 2 horas de incubação a 50º C. O perfil de proteínas analisado por SDS-PAGE demonstrou que os clones secretam um conjunto de enzimas celulolíticas com 25 a 100 KDa, quando cultivado em farelo de trigo, e 30 a 60 KDa, quando cultivados em CMC. No ensaio de cromatografia para o clone 307/E11, foram selecionadas 5 frações que obtiveram melhores resultados na dosagem enzimática e testados frente ao pH e à temperatura. O resultado obtido foi que o complexo enzimático bruto, extraído do sobrenadante produzido pelo clone, possui melhor atividade frente ao pH e à temperatura do que as frações parcialmente purificadas. / Microorganisms are distinguished by a wide genetic diversity and they perform unique and crucial functions concerning the maintenance of ecosystems. One of those functions is the production of extracellular enzymes, which help in the degradation of organic matter and which are increasingly wanted and explored by industry. Such feature boosts the search of enzymes that can be exploited in several industrial sectors with improved full use and low cost. Cellulase belongs to such class of enzymes and it is composed of a multi-enzymatic complex which is able to hydrolyse cellulose through the breaking of the chemical bond &beta;,1-4. Considering such attribute of the cellulase, a heterologous expression, related to cellulose hydrolysis in a metagenomic inventory of the soil of Caatinga, was realized. Tests of enzymatic production were performed, and through them, we could elect the clones 283/A8 and 307/E11 as the best endoglicanase producers. Those clones were inoculated in different cellulose sources, pH and temperature, so that we could analyse the kinetic of cellulase production between them. The ideal pH range was 5.0 and the ideal temperature range was 50º C (122º F), verified for the enzymes Total Cellulase, Endoglicanase and &beta;-glucosidase. With regard to thermostability, the present enzymes kept more than 60% of the initial activity after 2 hours of incubation at 50º C (122º F). The proteins profile analysed with the help of SDS-PAGE proved that the clones secrete a group of cellulolytic enzymes with a weight average of 25 to 100 KDa, when cultivated in wheat bran, and of 30 to 60 KDa, when cultivated in CMC. Five fractions with the best results, regarding enzymatic dosage and tested before pH and temperature, were chosen by the chromatography research for the clone 307/E11. The achieved result proved that the raw enzymatic complex, extracted from the supernatant produced by the clone, develops a better activity before pH and temperature than the fractions partially purified.

For the last 150 years many studies have shown the importance of earthworms for plant growth, but the exact mechanisms involved in the process are still poorly understood. Many important functions required for plant growth can be performed by soil microbes in the rhizosphere. To investigate earthworm influence on the rhizosphere microbial community, it was performed a macrocosm experiment with and without Pontoscolex corethrurus (EW+ and EW-, respectively) and followed various soil and rhizosphere processes for 217 days with sugarcane. In the second chapter of this thesis it was demonstrate that in EW+ treatments, N2O concentrations belowground (15 cm depth) and relative abundances of nitrous oxide genes (nosZ) were higher in bulk soil and rhizosphere, suggesting that soil microbes were able to consume earthworm-induced N2O. Shotgun sequencing (total DNA) revealed that around 70 microbial functions in bulk soil and rhizosphere differed between EW+ and EW- treatments. Overall, genes indicative of biosynthetic pathways and cell proliferation processes were enriched in EW+ treatments, suggesting a positive influence of worms. In EW+ rhizosphere, functions associated with plant-microbe symbiosis were enriched relative to EW- rhizosphere. Ecological networks inferred from the datasets revealed decreased niche diversification and increased keystone functions as an earthworm-derived effect. Plant biomass was improved in EW+ and worm population proliferated. Considering that earthworms contributed to with extra resources, it was evaluated in chapter three response of the soil resistome of sugarcane macrocosms under the influence of earthworms. Mechanisms of resistance against antimicrobial compounds appear to be an obligatory feature for the ecology and evolution of prokaryotic forms of life. However, most studies on resistance dynamics have been conducted in artificial conditions of anthropogenic inputs of antibiotics into very specific communities such as animal microbiomes. To resolve why and how resistance evolves, it is important to track antibiotics resistance genes (ARGs) (i.e., the resistome) in their natural hosts and understand their ecophysiological role in the environment. The results demonstrated that earthworms influenced changes of ARGs in bulk soil and rhizosphere. Negative correlations between ARGs and taxonomical changes were increased in EW+. Differential betweenness centrality (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) values comparing the network models with and without earthworms showed earthworm presence changed the composition and the importance of the keystone members from the models. Redundancy analysis suggested that ARGs may be associated with microbial fitness, as the variance of relative abundance of members of the group Rhizobiales could be significantly explained by the variance of a specific gene responsible for one mechanism of tetracycline detoxification / Ao longo dos últimos 150 anos muitos estudos têm demonstrado a importância das minhocas para o crescimento de plantas. Porém o exato mecanismo envolvido neste processo ainda é muito pouco compreendido. Muitas funções importantes necessárias para o crescimento de plantas podem ser realizadas pela comunidade microbiana da rizosfera. Para investigar a influência das minhocas na comunidade microbiana da rizosfera, foi desenvolvido um experimento de macrocosmo com cana-de-açúcar com e sem Pontoscolex corethrurus (EW+ e EW-, respectivamente) seguindo diversos procedimentos por 217 dias. No Segundo capítulo da tese é demonstrado que no tratamento EW+, as concentrações de N2O dentro do solo (15 cm profundidade) e a abundância relativa dos genes óxido nitroso redutase (nosZ) foram elevadas no solo e na rizosfera, sugerindo que microrganismos do solo foram capazes de consumir a emissão de N2O induzida pelas minhocas. O sequenciamento do DNA total revelou que aproximadamente 70 funções microbianas no solo e na rizosfera apresentaram diferenças entre os tratamentos EW+ e EW-. No geral, genes associados a biossíntese e proliferação de células foram enriquecidos em EW+, sugerindo uma influencia positiva por parte das minhocas. Na rizosfera EW+, funções associadas a simbiose entre planta e microrganismos foram relativamente enriquecidas comparado com rizosfera EW-. Modelos de rede de interação ecológica revelam menor número de diversificação de nichos e aumento de funções importantes como um efeito derivado da influência das minhocas. A biomassa das plantas foi aumentada no tratamento EW+ e a população de minhocas proliferou. Considerando que as minhocas contribuíram com o aumento de nutrientes, foi avaliado no capítulo três a resposta do resistoma presente nas comunidades microbianas dos solos do experimento. Mecanismos de resistência contra compostos antimicrobianos parecem ser características obrigatórias para a ecologia e evolução de procariotos. Entretanto, a maior parte dos estudos sobre genes de resistência tem sido conduzida em condições artificiais utilizando fontes antropogênicas de antibióticos em comunidades microbianas muito específicas como por exemplo o microbioma animal. Para resolver por que e como a resistência evolui, é importante estudar genes de resistência a antibióticos (GRA) (i.e., resistoma) no seu ambiente natural e entender seu papel ecofisiologico no ambiente. Os resultados demonstraram que minhocas influenciaram a mudança na composição de GRA no solo e na rizosfera. Tratamentos EW+ apresentaram maior número de correlações negativas entre ARG e grupos taxonômicos. A medida de centralidade diferencial (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) comparando os modelos de rede de interações obtidos mostrou que a composição e o nível de importância dos indivíduos mais influentes é alterado nos tratamentos EW+ comparado com EW-. Além disso, por meio de uma análise de redundância (RDA) foi demonstrado que as alterações na abundancia relativa de GRA podem ser explicadas pelas alterações verificadas em grupos taxonômicos

O Brasil é o maior produtor mundial de cana-de-açúcar, sendo o Estado de São Paulo responsável por mais de 50% do total desta produção. Esta cultura tem um enorme impacto sobre a agricultura brasileira e devido a isto, uma melhor compreensão da composição da comunidade microbiana relacionada a ciclagem do nitrogênio (N) nestes solos é de grande importância para o aprimoramento no cultivo da cana-de-açúcar. No entanto, pouco se sabe sobre a relação entre grupos microbianos e essa cultura. Este trabalho visou determinar variações nas comunidades microbianas que participam das transformações do N nos solos de três áreas utilizadas para a produção de cana-de-açúcar (A, F e J), as quais apresentam uma gama de diferentes condições de manejo e características do solo. Cada área foi analisada em triplicatas, e o DNA extraído do solo foi utilizado para metodologias de sequenciamento de segunda geração (metagenômica e sequenciamento do gene 16S rDNA), PCR quantitativo (qPCR) e polimorfismo dos fragmentos terminais de restrição (T-RFLP). A maioria das sequências derivaram de bactérias (98%; base de dados M5NR); seis etapas do ciclo do nitrogênio foram anotadas pela plataforma MG-RAST (base de dados SEED): amonificação do nitrato e nitrito (ANN); fixação de nitrogênio; desnitrificação; óxido nítrico sintase; redução dissimilatória do nitrito e assimilação de amônia. Este último passo mencionado foi o mais abundante (28%) (genes gltb e gltD) e está diretamente relacionado a multiplicação microbiana nos solos.. O segundo processo mais abundante foi ANN (genes nir e nar), responsável por consumir este substrato durante o ciclo. Proteobacteria, Chloroflexi, Verrucomicrobia e Cyanobacteria estão presentes em todas as etapas do ciclo, representando microrganismos que podem participar das vias de transformação do N e, ademais, foi possível descrever um core microbiano (nível de ordem) representado por Sphingomonadales. Algumas variáveis ambientais, como a aplicação de torta de filtro e a produtividade mostraram uma correlação significativa com a estrutura da comunidade microbiana. Isto também foi encontrado para algumas características do solo como fósforo, magnésio e matéria orgânica. Além disso, identificou-se uma alta abundância de microrganismos carregando genes que codificam enzimas da via de redução do nitrato e nitrito. Portanto, apesar de sua complexidade, o estudo das funções microbianas de nitrogênio em solos cultivados com cana-de-açúcar é inovador por acessar de forma conjunta todas as comunidades envolvidas neste ciclo, caracterizadas por sequenciamento, o que evita os problemas inerentes ao cultivo microbiano, além de permitir inferir sobre a hierarquia das variáveis ambientais que influem sobre esse grupos microbianos. / Brazil is the largest world\'s producer of sugarcane and State of São Paulo accounts for over 50% of this production. This crop has a huge impact on Brazilian agriculture and due to this great importance, a better understanding of the composition of the microbial community related to cycling of nitrogen (N) in these soils is of utmost importance for the improvement in the cultivation of sugarcane. However, little is known about the relationship between microbial groups and this crop. This study aimed to determine changes in microbial communities that participate in the transformation of N in soils derived from three areas used for sugarcane production (named A, F and J), which have a range of different management conditions and soil characteristics. Each area was analyzed in triplicate, and the extracted DNA was used to develop next generation sequencing (shotgun metagenomics and 16S rDNA), quantitative PCR (qPCR) and terminal restriction fragment length polymorphism (T-RFLP). Most of the sequences derived from Bacteria (98%; M5NR database); six stages of nitrogen cycle were annotated by MG-RAST plataform (SEED database): nitrate and nitrite ammonification (NNA); nitrogen fixation; denitrification; nitric oxide synthase; dissimilatory nitrite reductase and ammonia assimilation. This last mentioned step was the most abundant (28%) (gltB and gltD genes) and is directly linked to microbial growth in soil, since the final product of the reaction is glutamate. The second most abundant process was NNA (nir and nar genes), responsible for consuming this substrate during the cycle. Proteobacteria and Chroloflexi are present at all stages of the cycle, representing microorganisms that can participate in the N transformation and, moreover, it was possible to describe a microbial core (at an order level) represented by Sphingomonadales. Some environmental variables, such as the application of filter cake and productivity showed a significant correlation with the structure of the microbial community. This was also found for certain soil characteristics such as phosphorus, magnesium and organic matter. In addition, it was identified a high abundance of microorganisms carrying genes encoding the enzymes for nitrate and nitrite reduction pathway. Therefore, despite its complexity, the study of microbial functions of nitrogen in soils cultivated with sugarcane is innovative by accessing jointly all communities involved in this cycle, characterized by sequencing, which avoids the problems inherent in microbial cultivation and allows to infer about the hierarchy of environmental variables that influence this microbial groups.

Polihidroxialcanoatos (PHA) são poliésteres acumulados por diversas bactérias a partir de fontes renováveis e são termoplásticos, biodegradáveis e biocompatíveis. A variabilidade da composição monomérica de PHA determina suas propriedades mecânicas e permite seu uso em diversas aplicações. A PHA sintase é a enzima responsável pela polimerização do PHA. O objetivo deste trabalho foi à busca por genes codificadores desta enzima, construção e avaliação de recombinantes portando tais genes. Inicialmente buscaram-se novos genes de PHA sintase a partir de clones de uma biblioteca metagenômica previamente detectados por PCR como positivos para algum tipo de PHA sintase. Posteriormente buscou-se PHA sintases de classe III e construiram-se recombinantes de Pseudomonas sp e B. sacchari pela introdução de genes de C. vinosum (phaECCv). Nas duas recombinantes, os genes inseridos foram capazes de aumentar a fração de 3HHx em relação a linhagem selvagem, quando se utilizou glicose e hexanoato como fontes de carbono. / Polyhydroxyalkanoates (PHA) are polyesters accumulated from renewable sources by several bacteria and are thermoplastic, biodegradable and biocompatible. The variability of the PHA monomer composition determines its mechanical properties and allows their use in many applications. PHA synthase is the enzyme responsible for the polymerization of PHA. The objective was to search for genes encoding this enzyme, construction and the assessment of recombinant bacteria carrying such genes. Initially a screening of PHA synthase genes was made from a metagenomic library clones previously identified as positive by PCR for any type of PHA synthase. Later a search for class III PHA synthases was made as a construction of a recombinant Pseudomonas sp and B. sacchari by introducing genes of C. vinosum (phaECCv). In the two recombinant strains, the genes inserted were able to increase the fraction of 3HHx compared to the wild strain when glucose and hexanoate was used as carbon sources.

Este trabalho teve como objetivo caracterizar a diversidade bacteriana presente em uma área de mineração. Os resultados mostraram que o filo mais abundante das bactérias classificadas foi o proteobacteria e 66% deste filo pertencem a classe betaproteobacteria. A diversidade de bactérias encontradas no solo de fora da mina mostrou-se diferente daquele encontrado dentro da mina, mostrando que a ação da mineração poderia ter modificado a comunidade microbiana nativa do local. Na tentativa de elucidar o mecanismo de resistência ao cobre presente nos isolados, foram escolhidas 2 cepas resistentes a altas concentrações de cobre: Acinetobacter sp. e Enterobacter sp. Os resultados de proteômica mostraram que as duas cepas possuem mecanismos diferentes de resistência. Acinetobacter teve a expressão de duas proteínas CopA e CopB em diferentes condições de cultivos (200 ppm de cobre 6h de cultivo; 24h e 72h de cultivo em 450 ppm de cobre). Com esses resultados foi possível elucidar que esta cepa tem o mesmo mecanismo de resistência encontrado em Enterococcus hirae, onde a proteína CopA tem como função o influxo de cobre e a proteína CopB o efluxo do excesso de cobre intracelular. Já a bactéria Enterobacter teve expressão apenas de proteínas de membranas e nenhuma proteína propriamente conhecida como de resistência à cobre. Este resultado foi corroborado por técnica de PCR, no qual não houve expressão para esse gene. Possivelmente as proteínas de membrana externa estão responsáveis pela homeostase do cobre realizada por esta cepa. / This work aimed to characterize the bacterial diversity present in a mining area. Results showed the most abundant phylum of the classified bacteria are proteobacteria and 66% of this phylum are class betaproteobacteria. The diversity of bacteria found in the soil outside the mine differed from those found within the mine, showing that the mining action may have modified the local microbial community. In an attempt to elucidate the mechanism of resistance to copper present in the isolates, two strains resistant to high concentrations of copper were chosen: Acinetobacter sp. and Enterobacter sp. Proteomics results showed these two strains have different mechanisms of resistance. Acinetobacter had the expression of two CopA and CopB proteins under different cultivation conditions (200 ppm of copper 6h of culture and 24h and also in 450 ppm of copper and 72h of culture). With these results it was possible to elucidate, this strain has the same mechanism of resistance found in Enterococcus hirae, which the CopA protein functions as the copper influx and the CopB protein the efflux of excess intracellular copper. On the other hand, Enterobacter bacterium had only membrane proteins, and no proteins known as copper resistance. This result was corroborated with PCR, where there was no expression for this gene. Possibly the outer membrane proteins are responsible for the copper homeostasis performed by this strain.

For the last 150 years many studies have shown the importance of earthworms for plant growth, but the exact mechanisms involved in the process are still poorly understood. Many important functions required for plant growth can be performed by soil microbes in the rhizosphere. To investigate earthworm influence on the rhizosphere microbial community, it was performed a macrocosm experiment with and without Pontoscolex corethrurus (EW+ and EW-, respectively) and followed various soil and rhizosphere processes for 217 days with sugarcane. In the second chapter of this thesis it was demonstrate that in EW+ treatments, N2O concentrations belowground (15 cm depth) and relative abundances of nitrous oxide genes (nosZ) were higher in bulk soil and rhizosphere, suggesting that soil microbes were able to consume earthworm-induced N2O. Shotgun sequencing (total DNA) revealed that around 70 microbial functions in bulk soil and rhizosphere differed between EW+ and EW- treatments. Overall, genes indicative of biosynthetic pathways and cell proliferation processes were enriched in EW+ treatments, suggesting a positive influence of worms. In EW+ rhizosphere, functions associated with plant-microbe symbiosis were enriched relative to EW- rhizosphere. Ecological networks inferred from the datasets revealed decreased niche diversification and increased keystone functions as an earthworm-derived effect. Plant biomass was improved in EW+ and worm population proliferated. Considering that earthworms contributed to with extra resources, it was evaluated in chapter three response of the soil resistome of sugarcane macrocosms under the influence of earthworms. Mechanisms of resistance against antimicrobial compounds appear to be an obligatory feature for the ecology and evolution of prokaryotic forms of life. However, most studies on resistance dynamics have been conducted in artificial conditions of anthropogenic inputs of antibiotics into very specific communities such as animal microbiomes. To resolve why and how resistance evolves, it is important to track antibiotics resistance genes (ARGs) (i.e., the resistome) in their natural hosts and understand their ecophysiological role in the environment. The results demonstrated that earthworms influenced changes of ARGs in bulk soil and rhizosphere. Negative correlations between ARGs and taxonomical changes were increased in EW+. Differential betweenness centrality (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) values comparing the network models with and without earthworms showed earthworm presence changed the composition and the importance of the keystone members from the models. Redundancy analysis suggested that ARGs may be associated with microbial fitness, as the variance of relative abundance of members of the group Rhizobiales could be significantly explained by the variance of a specific gene responsible for one mechanism of tetracycline detoxification / Ao longo dos últimos 150 anos muitos estudos têm demonstrado a importância das minhocas para o crescimento de plantas. Porém o exato mecanismo envolvido neste processo ainda é muito pouco compreendido. Muitas funções importantes necessárias para o crescimento de plantas podem ser realizadas pela comunidade microbiana da rizosfera. Para investigar a influência das minhocas na comunidade microbiana da rizosfera, foi desenvolvido um experimento de macrocosmo com cana-de-açúcar com e sem Pontoscolex corethrurus (EW+ e EW-, respectivamente) seguindo diversos procedimentos por 217 dias. No Segundo capítulo da tese é demonstrado que no tratamento EW+, as concentrações de N2O dentro do solo (15 cm profundidade) e a abundância relativa dos genes óxido nitroso redutase (nosZ) foram elevadas no solo e na rizosfera, sugerindo que microrganismos do solo foram capazes de consumir a emissão de N2O induzida pelas minhocas. O sequenciamento do DNA total revelou que aproximadamente 70 funções microbianas no solo e na rizosfera apresentaram diferenças entre os tratamentos EW+ e EW-. No geral, genes associados a biossíntese e proliferação de células foram enriquecidos em EW+, sugerindo uma influencia positiva por parte das minhocas. Na rizosfera EW+, funções associadas a simbiose entre planta e microrganismos foram relativamente enriquecidas comparado com rizosfera EW-. Modelos de rede de interação ecológica revelam menor número de diversificação de nichos e aumento de funções importantes como um efeito derivado da influência das minhocas. A biomassa das plantas foi aumentada no tratamento EW+ e a população de minhocas proliferou. Considerando que as minhocas contribuíram com o aumento de nutrientes, foi avaliado no capítulo três a resposta do resistoma presente nas comunidades microbianas dos solos do experimento. Mecanismos de resistência contra compostos antimicrobianos parecem ser características obrigatórias para a ecologia e evolução de procariotos. Entretanto, a maior parte dos estudos sobre genes de resistência tem sido conduzida em condições artificiais utilizando fontes antropogênicas de antibióticos em comunidades microbianas muito específicas como por exemplo o microbioma animal. Para resolver por que e como a resistência evolui, é importante estudar genes de resistência a antibióticos (GRA) (i.e., resistoma) no seu ambiente natural e entender seu papel ecofisiologico no ambiente. Os resultados demonstraram que minhocas influenciaram a mudança na composição de GRA no solo e na rizosfera. Tratamentos EW+ apresentaram maior número de correlações negativas entre ARG e grupos taxonômicos. A medida de centralidade diferencial (DBC=nBCEW+ - nBCEW-) comparando os modelos de rede de interações obtidos mostrou que a composição e o nível de importância dos indivíduos mais influentes é alterado nos tratamentos EW+ comparado com EW-. Além disso, por meio de uma análise de redundância (RDA) foi demonstrado que as alterações na abundancia relativa de GRA podem ser explicadas pelas alterações verificadas em grupos taxonômicos