Ambientes aquáticos são essenciais para quase todas as formas de vida na Terra. Suas comunidades microbianas são responsáveis por controlar processos biogeoquímicos importantes nestes ecossistemas. Nos últimos anos, ocorreu um considerável aumento no número de estudos relacionando fatores e processos ambientais e comunidades microbianas em ambientes aquáticos. Uma das principais razões para o crescimento destes estudos foram os avanços das tecnologias de sequenciamento de DNA, que permitiram o desenvolvimento de novas abordagens, proporcionando um momento único para o campo da microbiologia. A aplicação de sequenciamento de nova geração para analisar regiões do gene do RNA ribossomal 16S (rRNA 16S) tem sido amplamente utilizada para a compreensão da composição, estrutura e respostas ambientais do bacterioplâncton. Os rios são ambientes importantes, tanto em uma perspectiva ecológica quanto econômica. No entanto, a base de nosso conhecimento sobre a dinâmica microbiana aquática se baseia principalmente em estudos ambientais de água do mar e lagos. Nesta tese, foi realizado o sequenciamento em larga escala da região V4 do gene rRNA 16S em amostras coletadas ao longo do Rio dos Sinos. Este rio está localizado em um dos centros industriais brasileiros mais importantes e apresenta várias características ambientais contrastantes, além de um gradiente longitudinal de eutrofização, assim, tornando-se um local notável para o estudo da dinâmica do bacterioplâncton. Neste trabalho, foi testada a influência do espaço e do tempo como variáveis para o processo de estruturação das comunidades microbianas, bem como influências sazonais e longitudinais para suas dinâmicas ecológicas. Foram demonstradas evidências consistentes para a existência de um perfil bacteriano na nascente do rio e a sua persistência ao longo do curso de água analisado. Mudanças sazonais reforçam a importância da nascente do rio na manutenção do reservatório bacteriano que é dispersado ao longo de todo o rio. Além disso, também existe uma pequena influência do espaço para determinar a estrutura das comunidades microbianas onde, amostras separadas por 63 km de curso de água são quase tão semelhantes entre si quanto as amostras de um mesmo local, coletadas com uma diferença de 15 minutos. Portanto, a preservação da fonte do rio é importante não apenas por razões hidrológicas, mas também para manter a composição e a integridade microbiana do rio. / Aquatic environments are essential for almost all Earth living forms. Their microbial communities are responsible for driven the most important biogeochemical processes in these ecosystems. Only in the past few years, we began to understand about the factors and processes that orchestrate the microbial community in these environments. One reason for this delay was the lack of proper tools. With advances in new sequencing technologies, new approaches are providing an unique moment for the microbiology field. The application of next-generation sequencing for 16S rRNA analysis has been broadly used for understanding bacterioplankton composition, structure and environmental responses. Rivers are important environments, for both ecological and economic perspectives. However, the basis of our knowledge about aquatic microbial dynamics relies mostly in seawater and lakes environmental studies. We performed high-throughput analysis of 16S rRNA highly variable V4 region in samples from the Sinos River, which is located in one of most important Brazilian industrial centers. This region has several contrasts in its environmental characteristics, presenting a longitudinal gradient of eutrophication and making it a remarkable study site for observing the dynamics of bacterioplankton. In this work, we tested the influence of space and time as variables for the microbial community structuring process, as well as, seasonal and longitudinal influences for their ecological dynamics. We demonstrated consistent evidence for the existence of a bacterial seed-bank and its longitudinal persistence. Seasonal shifts reinforce the importance of the source of the river in maintaining the bacterial seed-bank that spreads throughout the river. Besides, our results also suggest a lower influence of the space to determine the microbial community structure, where, samples separated by 63 km of watercourse are almost as dissimilar as the samples from the same site, collected with a difference of fifteen minutes. Therefore, the preservation of the source of the river is important not only for hydrologic reasons but also to maintain the microbial composition and the ecological integrity of the river.

Made available in DSpace on 2015-07-08T12:28:21Z (GMT). No. of bitstreams: 2 26.pdf: 2505316 bytes, checksum: f5db7e53d3352f1b2e198a85915b80c3 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2012 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Nacional de Controle de Qualidade em Saúde / Lagoas urbanas costeiras são ambientes dinâmicos e poluídos, sendo altamente afetadas pela mistura de sedimentos, água do mar e de água doce continental. Apesar de uma série de estudos publicados sobre estuários de água doce e ambientes marinhos há pouco interesse nas lagoas urbanas impactadas nos trópicos. Neste estudo, realizamos uma abordagem polifásica, utilizando métodos microbiológicos como isolamento de bactérias e seus perfis de resistência aos antibióticos e moleculares como a DGGE-PCR e bibliotecas do gene rrs do 16S rRNA para comparar as comunidades microbianas do ecossistema lagunar de Jacarepaguá. Foram selecionados três ambientes distintos para o estudo: água límpida (maçico Pedra Branca), águas poluídas das lagoas e água marinha do Joá. O isolamento das culturas foi realizado em meios seletivos e as bibliotecas foram preparadas a partir do DNA genômico ambiental e do DNA proveniente do enriquecimento em BHI. Análises de DGGE mostraram perfis distintos tanto entre as bibliotecas ambientais e enriquecidas quanto entre os pontos de coleta de cada uma das abordagens. Um total de 497 sequências resultou em 245 unidades taxonômicas operacionais agrupadas a 97%. As análises comparativas demonstraram comunidades bacterianas significativamente diferentes entre as abordagens por meio do programa Unifrac. Este resultado também pode ser observado pelo diagrama de Venn, no entanto, vale ressaltar que uma OTU, correspondente ao Vibrio cholerae, foi compartilhada entre as três abordagens. Bactérias potencialmente patogênicas foram isoladas nos três ambientes estudados e 50% delas apresentaram resistência a pelo menos uma das classes de antibióticos analisadas. Nossos resultados permitem concluir que ambientes com diferentes parâmetros físico-químicos possuem comunidades microbianas distintas. / Urban coastal lagoons are polluted and dynamic environments that highly affected by the mixing of sediment, seawater and continental freshwater. In spite of a number of published studies of estuaries, freshwater and marine environments few concerned impacted urban lagoons in the tropics. We performed a polyphasic approach using microbiological methods as bacteria isolation and their antibiotic resistance profiles and molecular techniques such as PCR-DGGE and rrs gene of the 16S rRNA libraries to compare the bacterioplankton communities from the Jacarepaguá lagoon ecosystem. We selected three different environments for the study: freshwater (Pedra Branca), polluted waters of the lagoons and Joa’s seawater. The culture isolation was performed on selective medium and libraries were prepared from the genomic DNA environment and DNA from the enrichment in BHI. DGGE analysis showed distinct community profiles between each BHI culture and their environmental counterparts indicating that culturing leads to shifts in community composition. A total of 497 bacterial sequences were analyzed by MOTHUR, yielding 245 operational taxonomic units (OTUs) grouped at 97% stringency. UniFrac metrics and Venn diagrams showed that bacterial communities covered by each experimental approach were significantly different and that only one OTU was shared between them, corresponding to Vibrio cholera. Potentially pathogenic bacteria were isolates from most of the sampled environments and 50% of them showed antibiotic resistance. Our results suggest that environments with physical and chemical parameters have different microbial communities. The detection of resistant organisms in polluted waters clearly demonstrates the presence of intrinsic resistant mechanisms acquired by the microorganisms depending on the selective pressure. Metagenomic analyses, with or without enrichment, demonstrated the efficiency model for the evaluation of bacteria diversity in Jacarepaguá aquatic ecosystem. Our data may contribute to the improvement of environmental services and epidemiological surveillance of waters resources.

Ambientes aquáticos são essenciais para quase todas as formas de vida na Terra. Suas comunidades microbianas são responsáveis por controlar processos biogeoquímicos importantes nestes ecossistemas. Nos últimos anos, ocorreu um considerável aumento no número de estudos relacionando fatores e processos ambientais e comunidades microbianas em ambientes aquáticos. Uma das principais razões para o crescimento destes estudos foram os avanços das tecnologias de sequenciamento de DNA, que permitiram o desenvolvimento de novas abordagens, proporcionando um momento único para o campo da microbiologia. A aplicação de sequenciamento de nova geração para analisar regiões do gene do RNA ribossomal 16S (rRNA 16S) tem sido amplamente utilizada para a compreensão da composição, estrutura e respostas ambientais do bacterioplâncton. Os rios são ambientes importantes, tanto em uma perspectiva ecológica quanto econômica. No entanto, a base de nosso conhecimento sobre a dinâmica microbiana aquática se baseia principalmente em estudos ambientais de água do mar e lagos. Nesta tese, foi realizado o sequenciamento em larga escala da região V4 do gene rRNA 16S em amostras coletadas ao longo do Rio dos Sinos. Este rio está localizado em um dos centros industriais brasileiros mais importantes e apresenta várias características ambientais contrastantes, além de um gradiente longitudinal de eutrofização, assim, tornando-se um local notável para o estudo da dinâmica do bacterioplâncton. Neste trabalho, foi testada a influência do espaço e do tempo como variáveis para o processo de estruturação das comunidades microbianas, bem como influências sazonais e longitudinais para suas dinâmicas ecológicas. Foram demonstradas evidências consistentes para a existência de um perfil bacteriano na nascente do rio e a sua persistência ao longo do curso de água analisado. Mudanças sazonais reforçam a importância da nascente do rio na manutenção do reservatório bacteriano que é dispersado ao longo de todo o rio. Além disso, também existe uma pequena influência do espaço para determinar a estrutura das comunidades microbianas onde, amostras separadas por 63 km de curso de água são quase tão semelhantes entre si quanto as amostras de um mesmo local, coletadas com uma diferença de 15 minutos. Portanto, a preservação da fonte do rio é importante não apenas por razões hidrológicas, mas também para manter a composição e a integridade microbiana do rio. / Aquatic environments are essential for almost all Earth living forms. Their microbial communities are responsible for driven the most important biogeochemical processes in these ecosystems. Only in the past few years, we began to understand about the factors and processes that orchestrate the microbial community in these environments. One reason for this delay was the lack of proper tools. With advances in new sequencing technologies, new approaches are providing an unique moment for the microbiology field. The application of next-generation sequencing for 16S rRNA analysis has been broadly used for understanding bacterioplankton composition, structure and environmental responses. Rivers are important environments, for both ecological and economic perspectives. However, the basis of our knowledge about aquatic microbial dynamics relies mostly in seawater and lakes environmental studies. We performed high-throughput analysis of 16S rRNA highly variable V4 region in samples from the Sinos River, which is located in one of most important Brazilian industrial centers. This region has several contrasts in its environmental characteristics, presenting a longitudinal gradient of eutrophication and making it a remarkable study site for observing the dynamics of bacterioplankton. In this work, we tested the influence of space and time as variables for the microbial community structuring process, as well as, seasonal and longitudinal influences for their ecological dynamics. We demonstrated consistent evidence for the existence of a bacterial seed-bank and its longitudinal persistence. Seasonal shifts reinforce the importance of the source of the river in maintaining the bacterial seed-bank that spreads throughout the river. Besides, our results also suggest a lower influence of the space to determine the microbial community structure, where, samples separated by 63 km of watercourse are almost as dissimilar as the samples from the same site, collected with a difference of fifteen minutes. Therefore, the preservation of the source of the river is important not only for hydrologic reasons but also to maintain the microbial composition and the ecological integrity of the river.

Ambientes aquáticos são essenciais para quase todas as formas de vida na Terra. Suas comunidades microbianas são responsáveis por controlar processos biogeoquímicos importantes nestes ecossistemas. Nos últimos anos, ocorreu um considerável aumento no número de estudos relacionando fatores e processos ambientais e comunidades microbianas em ambientes aquáticos. Uma das principais razões para o crescimento destes estudos foram os avanços das tecnologias de sequenciamento de DNA, que permitiram o desenvolvimento de novas abordagens, proporcionando um momento único para o campo da microbiologia. A aplicação de sequenciamento de nova geração para analisar regiões do gene do RNA ribossomal 16S (rRNA 16S) tem sido amplamente utilizada para a compreensão da composição, estrutura e respostas ambientais do bacterioplâncton. Os rios são ambientes importantes, tanto em uma perspectiva ecológica quanto econômica. No entanto, a base de nosso conhecimento sobre a dinâmica microbiana aquática se baseia principalmente em estudos ambientais de água do mar e lagos. Nesta tese, foi realizado o sequenciamento em larga escala da região V4 do gene rRNA 16S em amostras coletadas ao longo do Rio dos Sinos. Este rio está localizado em um dos centros industriais brasileiros mais importantes e apresenta várias características ambientais contrastantes, além de um gradiente longitudinal de eutrofização, assim, tornando-se um local notável para o estudo da dinâmica do bacterioplâncton. Neste trabalho, foi testada a influência do espaço e do tempo como variáveis para o processo de estruturação das comunidades microbianas, bem como influências sazonais e longitudinais para suas dinâmicas ecológicas. Foram demonstradas evidências consistentes para a existência de um perfil bacteriano na nascente do rio e a sua persistência ao longo do curso de água analisado. Mudanças sazonais reforçam a importância da nascente do rio na manutenção do reservatório bacteriano que é dispersado ao longo de todo o rio. Além disso, também existe uma pequena influência do espaço para determinar a estrutura das comunidades microbianas onde, amostras separadas por 63 km de curso de água são quase tão semelhantes entre si quanto as amostras de um mesmo local, coletadas com uma diferença de 15 minutos. Portanto, a preservação da fonte do rio é importante não apenas por razões hidrológicas, mas também para manter a composição e a integridade microbiana do rio. / Aquatic environments are essential for almost all Earth living forms. Their microbial communities are responsible for driven the most important biogeochemical processes in these ecosystems. Only in the past few years, we began to understand about the factors and processes that orchestrate the microbial community in these environments. One reason for this delay was the lack of proper tools. With advances in new sequencing technologies, new approaches are providing an unique moment for the microbiology field. The application of next-generation sequencing for 16S rRNA analysis has been broadly used for understanding bacterioplankton composition, structure and environmental responses. Rivers are important environments, for both ecological and economic perspectives. However, the basis of our knowledge about aquatic microbial dynamics relies mostly in seawater and lakes environmental studies. We performed high-throughput analysis of 16S rRNA highly variable V4 region in samples from the Sinos River, which is located in one of most important Brazilian industrial centers. This region has several contrasts in its environmental characteristics, presenting a longitudinal gradient of eutrophication and making it a remarkable study site for observing the dynamics of bacterioplankton. In this work, we tested the influence of space and time as variables for the microbial community structuring process, as well as, seasonal and longitudinal influences for their ecological dynamics. We demonstrated consistent evidence for the existence of a bacterial seed-bank and its longitudinal persistence. Seasonal shifts reinforce the importance of the source of the river in maintaining the bacterial seed-bank that spreads throughout the river. Besides, our results also suggest a lower influence of the space to determine the microbial community structure, where, samples separated by 63 km of watercourse are almost as dissimilar as the samples from the same site, collected with a difference of fifteen minutes. Therefore, the preservation of the source of the river is important not only for hydrologic reasons but also to maintain the microbial composition and the ecological integrity of the river.

A identificação e o monitoramento de microorganismos aquáticos, como bactérias e microalgas, tem sido uma tarefa árdua e morosa. Técnicas convencionais, com uso de microscópios e corantes, são complexas, exigindo um grande esforço por parte dos técnicos e pesquisadores. Uma das maiores dificuldades nos processos convencionais de identificação via microscopia é o elevado número de diferentes espécies e variantes existentes nos ambientes aquáticos, muitas com semelhança de forma e textura. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a caracterização e classificação de microorganismos aquáticos (bactérias e microalgas), bem como a determinação de características cinemáticas, através do estudo da mobilidade de microalgas que possuem estruturas que permitem a natação (flagelos). Para caracterização e reconhecimento de padrões as metodologias empregadas foram: o processamento digital de imagens e redes neurais artificiais (RNA). Para a determinação da mobilidade dos microorganismos foram empregadas técnicas de velocimetria por processamento de imagens de partículas em movimento (Particle Tracking Velocimetry - PTV). O trabalho está dividido em duas partes: 1) caracterização e contagem de microalgas e bactérias aquáticas em amostras e 2) medição da velocidade de movimentação das microalgas em lâminas de microscópio. A primeira parte envolve a aquisição e processamento digital de imagens de microalgas, a partir de um microscópio ótico, sua caracterização e determinação da densidade de cada espécie contida em amostras. Por meio de um microscópio epifluorescente, foi possível, ainda, acompanhar o crescimento de bactérias aquáticas e efetuar a sua medição por operadores morfológicos. A segunda parte constitui-se na medição da velocidade de movimentação de microalgas, cujo parâmetro pode ser utilizado como um indicador para se avaliar o efeito de substâncias tóxicas ou fatores de estresse sobre as microalgas. O trabalho em desenvolvimento contribuirá para o projeto "Produção do Camarão Marinho Penaeus Paulensis no Sul do Brasil: Cultivo em estruturas Alternativas" em andamento na Estação Marinha de Aquacultura - EMA e para pesquisas no Laboratório de Ecologia do Fitoplâncton e de Microorganismos Marinhos do Departamento de Oceanografia da FURG. O trabalho propõe a utilização dos níveis de intensidade da imagem em padrão RGB e oito grandezas geométricas como características para reconhecimento de padrões das microalgas O conjunto proposto de características das microalgas, do ponto de vista de grandezas geométricas e da cor (nível de intensidade da imagem e transformadas Fourier e Radon), levou à geração de indicadores que permitiram o reconhecimento de padrões. As redes neurais artificiais desenvolvidas com topologia de rede multinível totalmente conectada, supervisionada, e com algoritmo de retropropagação, atingiram as metas de erro máximo estipuladas entre os neurônios de saída desejados e os obtidos, permitindo a caracterização das microalgas.

A identificação e o monitoramento de microorganismos aquáticos, como bactérias e microalgas, tem sido uma tarefa árdua e morosa. Técnicas convencionais, com uso de microscópios e corantes, são complexas, exigindo um grande esforço por parte dos técnicos e pesquisadores. Uma das maiores dificuldades nos processos convencionais de identificação via microscopia é o elevado número de diferentes espécies e variantes existentes nos ambientes aquáticos, muitas com semelhança de forma e textura. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a caracterização e classificação de microorganismos aquáticos (bactérias e microalgas), bem como a determinação de características cinemáticas, através do estudo da mobilidade de microalgas que possuem estruturas que permitem a natação (flagelos). Para caracterização e reconhecimento de padrões as metodologias empregadas foram: o processamento digital de imagens e redes neurais artificiais (RNA). Para a determinação da mobilidade dos microorganismos foram empregadas técnicas de velocimetria por processamento de imagens de partículas em movimento (Particle Tracking Velocimetry - PTV). O trabalho está dividido em duas partes: 1) caracterização e contagem de microalgas e bactérias aquáticas em amostras e 2) medição da velocidade de movimentação das microalgas em lâminas de microscópio. A primeira parte envolve a aquisição e processamento digital de imagens de microalgas, a partir de um microscópio ótico, sua caracterização e determinação da densidade de cada espécie contida em amostras. Por meio de um microscópio epifluorescente, foi possível, ainda, acompanhar o crescimento de bactérias aquáticas e efetuar a sua medição por operadores morfológicos. A segunda parte constitui-se na medição da velocidade de movimentação de microalgas, cujo parâmetro pode ser utilizado como um indicador para se avaliar o efeito de substâncias tóxicas ou fatores de estresse sobre as microalgas. O trabalho em desenvolvimento contribuirá para o projeto "Produção do Camarão Marinho Penaeus Paulensis no Sul do Brasil: Cultivo em estruturas Alternativas" em andamento na Estação Marinha de Aquacultura - EMA e para pesquisas no Laboratório de Ecologia do Fitoplâncton e de Microorganismos Marinhos do Departamento de Oceanografia da FURG. O trabalho propõe a utilização dos níveis de intensidade da imagem em padrão RGB e oito grandezas geométricas como características para reconhecimento de padrões das microalgas O conjunto proposto de características das microalgas, do ponto de vista de grandezas geométricas e da cor (nível de intensidade da imagem e transformadas Fourier e Radon), levou à geração de indicadores que permitiram o reconhecimento de padrões. As redes neurais artificiais desenvolvidas com topologia de rede multinível totalmente conectada, supervisionada, e com algoritmo de retropropagação, atingiram as metas de erro máximo estipuladas entre os neurônios de saída desejados e os obtidos, permitindo a caracterização das microalgas.

A identificação e o monitoramento de microorganismos aquáticos, como bactérias e microalgas, tem sido uma tarefa árdua e morosa. Técnicas convencionais, com uso de microscópios e corantes, são complexas, exigindo um grande esforço por parte dos técnicos e pesquisadores. Uma das maiores dificuldades nos processos convencionais de identificação via microscopia é o elevado número de diferentes espécies e variantes existentes nos ambientes aquáticos, muitas com semelhança de forma e textura. O presente trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia para a caracterização e classificação de microorganismos aquáticos (bactérias e microalgas), bem como a determinação de características cinemáticas, através do estudo da mobilidade de microalgas que possuem estruturas que permitem a natação (flagelos). Para caracterização e reconhecimento de padrões as metodologias empregadas foram: o processamento digital de imagens e redes neurais artificiais (RNA). Para a determinação da mobilidade dos microorganismos foram empregadas técnicas de velocimetria por processamento de imagens de partículas em movimento (Particle Tracking Velocimetry - PTV). O trabalho está dividido em duas partes: 1) caracterização e contagem de microalgas e bactérias aquáticas em amostras e 2) medição da velocidade de movimentação das microalgas em lâminas de microscópio. A primeira parte envolve a aquisição e processamento digital de imagens de microalgas, a partir de um microscópio ótico, sua caracterização e determinação da densidade de cada espécie contida em amostras. Por meio de um microscópio epifluorescente, foi possível, ainda, acompanhar o crescimento de bactérias aquáticas e efetuar a sua medição por operadores morfológicos. A segunda parte constitui-se na medição da velocidade de movimentação de microalgas, cujo parâmetro pode ser utilizado como um indicador para se avaliar o efeito de substâncias tóxicas ou fatores de estresse sobre as microalgas. O trabalho em desenvolvimento contribuirá para o projeto "Produção do Camarão Marinho Penaeus Paulensis no Sul do Brasil: Cultivo em estruturas Alternativas" em andamento na Estação Marinha de Aquacultura - EMA e para pesquisas no Laboratório de Ecologia do Fitoplâncton e de Microorganismos Marinhos do Departamento de Oceanografia da FURG. O trabalho propõe a utilização dos níveis de intensidade da imagem em padrão RGB e oito grandezas geométricas como características para reconhecimento de padrões das microalgas O conjunto proposto de características das microalgas, do ponto de vista de grandezas geométricas e da cor (nível de intensidade da imagem e transformadas Fourier e Radon), levou à geração de indicadores que permitiram o reconhecimento de padrões. As redes neurais artificiais desenvolvidas com topologia de rede multinível totalmente conectada, supervisionada, e com algoritmo de retropropagação, atingiram as metas de erro máximo estipuladas entre os neurônios de saída desejados e os obtidos, permitindo a caracterização das microalgas.