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UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENESE
INSTITUTO DE GEOCIÊNCIAS
DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA MARINHA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOLOGIA E GEOFÍSICA MARINHA
FREDERICO SOBRINHO DA SILVA
Geomicrobiologia dos Sedimentos da Baía de Guanabara – RJ, Brasil.
Tese apresentada ao Programa de Pós
Graduação em Geologia e Geofísica Marinha,
da Universidade Federal Fluminense, como
requisito parcial para obtenção do Grau de
Doutor em Geologia e Geofísica Marinha.
ORIENTADOR:
Dr. JOSÉ ANTÔNIO BAPTISTA NETO
Dra. MIRIAN ARAÚJO CARLOS CRAPEZ
2007
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II
S586 Silva, Frederico Sobrinho da
Geomicrobiologia dos sedimentos da Baía de Guanabara – RJ, Brasil
/ Frederico Sobrinho da Silva. – Niterói : [s.n.], 2007.
161 f.
Tese (Doutorado em Geologia e Geofísica Marinha) -
Universidade Federal Fluminense, 2007.
1.Microbiologia dos sedimentos. 2.Sedimento. 3.Análise de sedimentos.
4.Geomicrobiologia. 5.Baía de Guanabara – RJ.
I. Título.
CDD 551.4608367
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III
FREDERICO SOBRINHO DA SILVA
Geomicrobiologia dos sedimentos da Baía de Guanabara – RJ, Brasil.
Tese apresentada ao Programa de Pós
Graduação em Geologia e Geofísica Marinha, da
Universidade Federal Fluminense, como requisito
parcial para obtenção do Grau de Doutor em
Geologia e Geofísica Marinha.
Apresentada em 22 de Junho de 2007, à Banca examinadora:
Dra. Maria Augusta Martins da Silva
Departamento de Geologia
Universidade Federal Fluminense
Dra. Selma Gomes Ferreira Leite
Escola de Química
Departamento de Química
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Dra. Adriana Ururahy Soriano
Gerência de Biotecnologia e Tratamentos
Ambientais
CENPES/Petrobras
Dra. Mirian Araújo Carlos Crapez
Departamento de Biologia Marinha
Universidade Federal Fluminense
Dr. João Graciano Mendonça Filho
Departamento de Geologia
Universidade Federal do Rio de Janeiro
Dr. Marcelo Côrrea Bernardes
Departamento de Geoquímica
Universidade Federal Fluminense
Dr. Mauro Bevilacqua de Toledo
Departamento de Geologia
Universidade Federal Fluminense
Dr. José Antônio Baptista Neto
Departamento de Geologia
Universidade Federal Fluminense
Ao Pesquisador José Pellegrino (in memorian),
que um dia, descobriu uma lapidadora de novos cientistas.
Já acreditando em laboratórios multifuncionais na época.
V
“Se enxerguei mais longe,
foi porque me apoiei nos ombros dos gigantes!”
Issac Newton
VI
AGRADECIMENTOS
A Marlene Sobrinho da Silva, mãe e super amiga, que foi a maior responsável me
incentivando e lutando junto comigo, nessa minha caminhada. E a José Caldas, que foi
mais que um padrasto, um amigo. Pois sem eles não teria chegado aqui.
Ao meu orientador Dr. José Antônio Baptista Neto, por ter me aceitado no doutorado e
acreditado no potencial do meu trabalho.
A minha orientadora Dra. Mirian Crapez, que por muitas vezes compreendi o que ela
falava mais nunca aceitava, e com isso muitas discussões calorosas aconteceram, e os
amadurecimentos ocorreram naturalmente. Sem falar pelos momentos de amiga e
conversas nos finais de semana, feriados, que não só sobre pesquisa, mais sobre a vida
e aprendizado.
A Dra Valéria Laneuville Teixeira do Departamento de Biologia Marinha da UFF, que
acompanhou minha vida acadêmica e todo o processo do meu doutorado sempre com
muito carinho.
A Dra. Ana Mesquita, que mesmo na Austrália, acompanhou e incentivou o desafio que foi
essa tese, mesmo de longe.
A técnica Daniella Pereira da Costa do laboratório de Microbiologia Marinha da UFF
(MICROMAR), que me aturou, socorreu, tirou duvidas sobre o protocolo, ou como se fazia
uma solução, pois sem ela essa tese não teria ocorrido.
A grande família MICROMAR, que apoiou a loucura da minha tese e sem seus braços,
essa obra não estaria pronta. Obrigado: Natascha Krepsky, Luiz Francisco Fontana,
Mabel Barcelos, Leandro Guerra, Fernanda Savergnini, José Augusto Bitencourt, Tiago
Rosa Lopes, Luciana Chequer, Jobia Cunha (Um Verdadeiro Consórcio Bacteriano, cada
um com sua função no biofilme).
A amiga Leonisa Sanches, que abriu o Laboratório de Microbiologia Marinha da UFRJ
(PABA), para as análises de colimétria e suporte de logística das amostragens. E pelo
momentos de cerveja gelada e boa conversa.
A amiga Elisamara Sabadini, que me auxiliou nas análises granulométricas na
Geoquímica da UFF, nas trocas de artigos para meus artigos da tese e por todo carinho e
amizade.
Ao suporte logístico das amostragens de sedimentos superficiais feito pelo Chicão da
UFRJ e ao Estefan Fonseca pela amostragem dos testemunhos.
Ao Dr. João Graciano, que gentilmente disponibilizou o laboratório para as análises de
carbono e enxofre dos testemunhos.
Aos amigos de sala de doutorado ValdeniraFerreira (agora no Amapá), Valterlene de
Oliveira (no eixo RIO-SALVADOR), Priscila Silva da Costa Moreira, Luiz Francisco
Fontanna, Vanessa Laut, Mauro Toledo, que dividimos um longo tempo juntos o mesmo
VII
espaço físico, com debates científicos sobre os trabalhos e lanches da tarde (boas
lembranças esses lanches).
Ao amigo Lazaro Laut, que sempre me socorreu nas questões geológicas que vinham de
encontro a minha formação biológica. Aos momentos de angústias e felizes, desde que
nos entramos no doutorado. As cervejas na Cantareira com discussões sobre TESE,
quase que freqüente. Afinal somos a turma de 2003.
A amiga Daniela Sudatti, que só pode ser descrita pela palavra: AMIGA.
Aos amigos que cada um da sua maneira contribuiu com a forma mais simples de apoio
nos momentos de desespero e alegrias da tese, obrigado: Jabucão, Uâni e Leo, Rosa,
Néia, Britão e Dalvinha.
Aos amigos Marcelo Vasconcelos (ex-escravos, contudo Mestre agora!) e amiga Aline
Oliveira (Baiana), o casal mais lindinho que conheço, foram companheiros e amigos nos
momentos difíceis em casa.
A amiga Aline Holt (LILIS), que não só acompanha a minha vida acadêmica, mais está
sempre dividindo bons momentos da minha vida mesmo na Inglaterra.
À minha grande amiga Rachel Rocha P. Machado, quem mais acreditou que eu poderia e
apoiou essa jornada desde a graduação, quando nós nos conhecemos.
Aos Amigos: Maibinha, Swanee, Marcia e Buggy, que acompanham isso tudo em todos
os momentos de altos e baixos.
A amiga Mara Maciel que entrou na minha vida para dar um brilho e animando os meus
dias, trazendo novos amigos para minha vida: o casal Flavinho e Simone, Tati, Keyla,
Marcela, Beatriz, Vânia e certamente devo ter esquecido de nomes, mais estão todos no
meu coração.
Aos meus dois grandes amigos Cecy Monroy e Ismail Dutra, que mesmo distantes desta
jornada sempre estiveram presentes nesta minha longa caminhada.
Ao PPG em Geologia e Geofísica Marinha, que foi o maior desafio de aprendizado e eu
sai tendo a certeza que passei por grandes mestres. E especialmente a Dra. Maria
Augusta, que sem saber foi a grande responsável por fazer a fusão entre as áreas de
microbiologia e geologia.
À Universidade Federal Fluminense, Departamento de Biologia Marinha pelo uso das
instalações.
E todos que de alguma forma contribuíram para minha formação acadêmica.
A CAPES pelo financiamento da Bolsa de estudos.
VIII
ÌNDICE
Lista de figuras
x
Lista de tabelas
xi
Resumo
xii
Abstract
xiii
1. INTRODUÇÃO
1.1-Histórico de trabalhos científicos na Baía de Guanabara
1.2-Geomicrobiologia
1
4
24
2. OBJETIVO
2.1-Objetivo Geral
2.2-Objetivos Específicos
29
30
3. MATERIAL E MÉTODOS
3.1 - Determinação da matéria orgânica
3.2 - Determinação do carbono orgânico total e do enxofre
3.3 - Determinação dos biopolímeros
3.4 - Determinação das concentrações de exoenzimas (ESTERASES)
3.5 - Determinação da atividade do sistema transportador de eletróns
(ASTE)
3.6 - Determinação da atividade respiratória bacteriana (ARB)
3.7 - Determinação dos coliformes totais e coliformes fecais
3.8 - Quantificação das bactérias heterótrofas totais (BHT)
3.9 - Determinação do carbono bacteriano por fluoresceína
3.10 - Determinação do carbono bacteriano por laranja de acridina
31
32
33
36
39
43
45
47
48
50
4. BIODISPONIBILIDADE DA MATERIA ORGÂNICA DOS SEDIMENTOS
SUPERFICIAIS DA BAÍA DE GUANABARA, RIO DE JANEIRO, BRASIL.
Bioavailability of organic matter in the surficial sediment of Guanabara Bay, Rio
de Janeiro, Brazil.
Abstract
Resumo
Introduction
Environmental Setting
Materials and Methods
Results and Discussion
Conclusion
Acknowledgements
References
52
53
53
54
56
57
60
67
68
69
5. ESTUDO DA BACTERIOLOGIA DOS SEDIMENTOS SUPERFICIAIS DA
BAÍA DE GUANABARA, RJ, BRASIL.
Bacteriological study in the superficial sediments of the Guanabara Bay, RJ,
IX
Brazil.
Abstract
Resumo
Introduction
Materials and Methods
Study area and sampling procedure
Analytical methods
Results
Discussion
Conclusion
Acknowledgements
References
84
85
85
87
88
88
90
92
94
99
100
100
6. GEOMICROBIOLOGIA DE DOIS TESTEMUNHOS DA ENSEADA DE
JURUJUBA - BAÍA DE GUANABARA (RJ).
Geomicrobiology of two cores at Jurujuba Bight – Guanabara Bay (RJ).
Abstract
Introduction
Environmental Setting
Materials and Methods
Results
Discussion
Conclusion
References
111
112
112
114
116
119
122
128
128
7. CONCLUSÃO
144
8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
148
9. ANEXOS
E-mail enviado pelo Editor do Brazilian Journal of Oceanography.
Carta da 1º Revisão enviada pela Editora-Chefe do Brazilian Journal of
Oceanography.
E-mail de recebimento do Editor Assistente dos Anais da Academia
Brasileira de Ciências.
158
159
160
161
X
LISTA DE FIGURAS:
Figura 1. Cronologia dos assuntos dos trabalhos científicos na Baía de
Guanabara.
Figura 2. Versatilidade metabólica bacteriana na diagênese da matéria orgânica.
5
28
Biodisponibilidade da matéria orgânica dos sedimentos superficiais da Baía de
Guanabara, Rio de Janeiro, Brasil.
Figura 1. Mapa de localização da área de estudo das amostras de sedimento
superficial.
77
Figura 2. Distribuição das classes de tamanho das partículas dos sedimentos
superficiais da Baía de Guanabara, baseado na classificação proposta por
Flemming (2000).
78
Figura 3. Metabolismo da atividade respiratória bacteriana na Baía de Guanabara.
79
Figura 4. Agrupamento das amostras e parâmetros.
80
Estudo da bacteriologia dos sedimentos superficiais da Baía de Guanabara, Rj,
Brasil.
Figura 1. Mapa de localização da área de estudo das amostras de sedimento
superficial.
108
Figura 2. Matéria orgânica, coliformes totais, bactérias heterótrofas cultiváveis,
enzima esterases e atividade do sistema transportador de elétrons nas estações
amostradas.
109
Figura 3. Agrupamento dos coliformes totais,coliformes fecais e bactérias
heterótrofas cultiváveis.
110
Figura 4. Agrupamento da enzimas esterases e atividade do sistema
transportador de elétrons
110
Figura 5. Agrupamento do metabolismo respiratório bacteriano nas estações
amostradas.
110
Geomicrobiologia de dois testemunhos da Enseada de Jurujuba - Baía de
Guanabara (RJ).
Figura 1. Localização do testemunhos amostrados na Enseada de Jurujuba (Baía
de Guanabara – RJ).
136
Figura 2. Descrição dos testemunhos.
137
Figura 3. Distribuição das classes de tamanho das partículas dos sedimentos dos
testemunhos da Baía de Guanabara, baseado na classificação proposta por
Flemming (2000).
138
Figura 4. Agrupamento dos parâmetros usando o método de Ward’s e a distância
de Manhattan
139
Figura 5. Agrupamento dos amostras usando o método de Ward’s e a distância
de Manhattan
140
XI
LISTA DE TABELAS:
Biodisponibilidade da matéria orgânica dos sedimentos superficiais da Baía de
Guanabara, Rio de Janeiro, Brasil.
Tabela 1. Códigos e descrição das 25 classes texturais do diagrama ternário para
classificação das texturas em função da subdivisões hidrodinâmicas
baseadas nas proporções de areia/silte/argila
81
Tabela 2. Biopolímeros, carbono biopolimérico e biodisponível das 30 amostras de
sedimento da Baía de Guanabara.
82
Tabela 3. Tabela de correlação entre os parâmetros das 30amostras da Baía de
Guanabara.
83
Geomicrobiologia de dois testemunhos da Enseada de Jurujuba - Baía de
Guanabara (RJ).
Tabela 1. Códigos e descrição das 25 classes texturais do diagrama ternário para
classificação das texturas em função da subdivisões hidrodinâmicas baseadas nas
proporções de areia/silte/argila
141
Tabela 2. Matéria orgânica, carbono orgânico total, enxofre, biopolímeros,
carbono biopolimérico, carbono biodisponível e preservado nas amostras do
testemunho 1 da Enseada de Jurujuba.
142
Tabela 3. Matéria orgânica, carbono orgânico total, enxofre, biopolímeros,
carbono biopolimérico, carbono biodisponível e preservado nas amostras do
testemunho 2 da Enseada de Jurujuba.
142
Tabela 4. Carbono bacteriano, coliformes totais, coliformes fecais, bactérias
heterótrofas, metabolismo respiratório bacteriano e atividade das enzimas
esterases nas amostras do testemunho 1 da Enseada de Jurujuba.
143
Tabela 5. Carbono bacteriano, coliformes totais, coliformes fecais, bactérias
heterótrofas, metabolismo respiratório bacteriano e atividade das enzimas
esterases nas amostras do testemunho 2 da Enseada de Jurujuba.
143
XII
RESUMO
Trinta amostras de sedimento superficial e dois testemunhos foram coletadas na Baía de
Guanabara em agosto, novembro e dezembro de 2005. Com o objetivo de identificar
novos descritores de estado trofico e qualidade ambiental do ecossistema costeiro foram
analisados a granulometria e quantificados matéria orgânica, proteínas, carboidratos,
lipídeos, cabono biopolimérico, carbono biodisponível, atividade metabólica bacteriana,
coliformes totais e fecais, bactérias heterótrofas, atividades de esterase e do sistema
transportador de elétrons. No sedimento superficial, a matéria orgânica variou entre 4 e
6%. Os resultados mostraram uma distribuição espacial homogênea para a teia
bacteriana anaeróbia e os biopolímeros (carboidratos>lipídeos>proteínas). Os
biopolímeros e a matéria orgânica apresentaram correlação significativa com a
granulometria média de 80% dos finos. Os maiores níveis de coliformes totais e fecais
foram 1.7 x 10
5
MPN/g e 1.1 x 10
3
MPN/g, respectivamente. Bactérias heterótrofas
mostraram o maior valor na estação 7 (4.1 x 10
6
CFU/g) e o menor na estação 3 (7 x 10
4
CFU/g). A enzima esterase mostrou atividade em todos os sedimentos das 30 estações. A
atividade do sistema transportador de elétrons variou entre 0.047 μL O
2
/h/g e 0.366 μL
O
2
/h/g em seis estações. As amostras do NE da Baía apresentou teores de lipídeos acima
de 1 mg/g de sedimento, indicativo de aporte de esgoto orgânico. Apesar da
disponibilidade de matéria orgânica lábil, sob a forma de carbono biopolimérico, o carbono
disponível para a teia trófica está em torno de 50%. O consórcio bacteriano formado por
bactérias sulfato redutoras e desnitrificantes sustentam a teia trófica bêntica da Baía de
Guanabara, assim, a cadeia microbiana bêntica é anaeróbia. Os processos como
fermentação, desnitrificação e sulfato redução são responsáveis pelos ciclos
biogeoquímicos no sedimento da Baía de Guanabara. O despejo de esgoto não tratado
no Canal do Mangue da Baía de Guanabara tem favorecido o aumento da carga orgânica
e a manutenção de coliformes totais e fecais no sedimento. Os coliformes fecais são bons
indicadores de poluição e contaminação orgânica na coluna d’água, mas os coliformes
totais também poderão ser um grupo candidato para testes de qualidade de sedimento.
Os resultados dos testemunhos mostraram que as concentrações dos biopolímeros foram
1000 vezes menores que encontrados na literatura, sendo necessário a criação e o
estabelecimento de novos indicadores de níveis de eutroficação compatível com os
sistemas costeiros tropicais. A representatividade bioquímica nos testemunhos foi
equivalente a de trabalhos descritos em ambientes marinhos costeiros do hemisfério
Norte. As enzimas esterases no sedimento se mostraram eficientes na mineralização dos
biopolímeros, mesmo com metabolismo fisiológico preferencialmente anaeróbico. Em
função dos estudos incipientes da geomicrobiologia no Brasil, os resultados mostraram a
possível aplicação da microbiologia para a melhor compreensão dos processos
geológicos.
XIII
ABSTRACT
Thirty superficial sediment samples and two cores were collected in Guanabara Bay in
August, November and December 2005, in order to identify new descriptors of the trophic
state and environmental quality of coastal systems. The samples were analysed for
particle size, and quantify organic matter, protein, carbohydrates, lipids, biopolymers
carbon, bioavailable carbon, bacterial metabolic activity, total and faecal coliforms,
heterotrophic bacteria, esterase activity and electron transport system activity. The organic
matter in the superficial sediments (2 cm) ranged from 4 to 6%. The superficial sediment,
showed a homogeneous special distribution for the anaerobic bacterial web and the
biopolymers (carbohydrates>lipids>protein). The biopolymers and the labile organic matter
show a significant correlation with the average particle size of 80% of the fine particles.
The highest level of total coliforms and faecal coliforms were 1.7 x 10
5
MPN/g and 1.1 x
10
3
MPN/g, respectively. Heterotrophic bacteria presented the highest values at station 7
(4.1 x 10
6
CFU/g) and the lowest values at station 3 (7 x 10
4
CFU/g). Esterase enzyme
activity showed activity in the sediment of all 30 stations. Electron transport system activity
ranged between 0.047 μL O
2
/h/g and 0.366 μL O
2
/h/g at six stations. Despite of the
availability of the labile organic matter, under the form of biopolymeric carbon, the
available carbon for the trophic web is around 50%. The bacterial consortia formed by
sulfate reducing and denitrifying bacteria, sustain the benthic trophic food web in
Guanabara Bay. The NE of the bay samples presented levels of lipids in the sediments
above 1 mg/g, indicative of the input of organic sewer. The benthic microbial foodweb is
anaerobic. Anaerobic processes such as fermentation, denitrification and sulphate-
reduction are responsible for the biogeochemical cycles in the sediment of Guanabara
Bay. The input of untreated sewage in the Mangue Channel outflow in Guanabara Bay has
favored the increase of the organic load, and the maintenance of the total coliforms and
faecal coliforms in the sediment. The faecal coliforms have been reported to be a good
indicator of aquatic pollution and organic contamination in the water column, but total
coliforms will be able an ideal candidate group for sediment quality tests. The cores results
showed that the biopolymers concentrations were 1000 times less than it presented in the
literature, being necessary the creation and establishment of indicative news
eutrophication levels compatible to our coastal systems. The biochemical representative
relationship in the cores was equivalent to the works described in the North hemisphere for
coastal marine environments. The enzymes esterases in the sediment were shown
efficient in the mineralization of the biopolymers, even with metabolic physiology
preferentially were it is anaerobic. Despite of incipient studies of the geomicrobiology in
Brazil, the results showed the possible application of the microbiology to a better
understanding of the geological processes.
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
1
1 - INTRODUÇÃO
A Baía de Guanabara, uma das mais proeminentes do litoral brasileiro,
está localizada no Estado do Rio de Janeiro entre as latitudes de 22
o
40' e
23
o
00' Sul e longitude 43
o
00' e 43
o
20' Oeste, margeando as regiões
metropolitanas das cidades Rio de Janeiro, Niterói, São Gonçalo, Magé, entre
outras. Sua localização se dá numa região de clima tropical úmido com estação
chuvosa no verão e seca no inverno; tais chuvas podem exceder 10mm em
poucas horas, produzindo um intenso processo de runnof (Kjerfve et al., 1997).
A média pluviométrica anual da cidade do Rio de Janeiro, na estação do
Flamengo, é de 1173mm; entretanto, na região serrana que a cerca, este
índice ultrapassa os 2500mm (Denemet,1992).
A Bacia de drenagem da Baía de Guanabara tem área aproximada de
4600Km
2
incluindo a própria Baía de Guanabara, que possui um volume total
de água aproximado de 1,87 x 10
9
m
3
com profundidade média de 5,7m (Kjerve
et al., 1997), englobando praticamente quase toda a Região Metropolitana das
cidades do Rio de Janeiro, Niterói e São Gonçalo entre outras (Amador, 1997).
A superfície da baía tem aproximadamente 380 Km
2
(até o alinhamento entre o
Forte São João e a Fortaleza Santa Cruz). O seu perímetro é de 131 Km, com
extensão máxima de 28 Km de Leste a Oeste e cerca de 30 Km de Norte a Sul
(Kjerfve et al., 1997), sofrendo um estreitamento em sua barra (entre a
Fortaleza de Santa Cruz e o Forte de São João), onde nessa área a largura da
baía se restringe a 1,6 Km (Quaresma et al., 2000). Os principais rios que
drenam a bacia são: Macacú, Guapi-Açu, Guapi-Mirim, Caceribu, Guaxindiba,
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
2
Guaraí, Imboacica, Magé, Estrela-Inhomirim, Saracuruna, Meriti, Iguaçu e
Pavuna.
Segundo o levantamento realizado pela JICA (1994), a área drenada
pela Baía tem população aproximada de 11 milhões de habitantes, abrigando o
segundo maior parque industrial do Brasil. Esta região possui 8 terminais de
petróleo, sendo 1 de gás, 12 estaleiros, 2 refinarias de petróleo, 827 postos de
serviços, 2 portos comerciais e cerca de 12.500 indústrias. A produção de
esgoto doméstico é de 17m
3
/s, ocorrendo vazadouros de lixo às margens da
Baía. Os dejetos industriais líquidos respondem por 25% das 465 ton/dia de
matéria orgânica despejadas na Baía, sendo que, destas, apenas 68 ton/dia
recebem tratamento adequado (JICA,1994). Além de se ter um histórico de
contaminação relacionada à análise de balneabilidade e qualidade na coluna
d’água (De Luca Rebello et al., 1988; De Luca Rebello et al., 1990; Paranhos et
al., 1995; Kjerfve et al., 1997; Paranhos et al., 1998; Gonzalez et al., 2000;
Andrade et al., 2003), qualidade do sedimento (Crapez et al., 2000; Carreira et
al., 2001; Carreira et al., 2002; Eichler et al., 2003; Barth, 2003; Mendonça-
Filho et al., 2003; Carreira & Wagner, 2003; Taketani et al., 2003; Crapez et al.,
2003; Carreira et al., 2004; Costa & Carreira, 2005) metais nas águas e nos
sedimentos (Lacerda,1982; De Luca Rebello et al., 1986; Perin et al., 1997;
Baptista-Neto et al., 1999; Baptista-Neto et al., 2000; Faria & Sanchez, 2001;
Machado et al., 2002; Machado et al., 2004; Vilela et al., 2004; Baptista Neto et
al., 2004; Baptista Neto et al., 2006), mercúrio e metil-mercúrio (Costa et al.,
2000; Kering et al., 2002; Kering et al., 2003), e hidrocarbonetos na água e no
sedimento (Meniconi et al., 2002; Azevedo et al., 2004).
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
3
O levantamento bibliográfico acima revelou que trabalhos com enfoque
geomicrobiológico, utilizando amostras de sedimentos superficiais da Baía de
Guanabara, ainda não haviam sido contemplados. Assim, a proposta foi
amostrar sedimentos superficiais em 30 pontos, distribuídos na extensão da
Baía de Guanabara, a partir do alinhamento do Aeroporto Santos Dumont e
porto de Niterói. Essa amostragem foi elaborada com base na malha amostral
elaborada por Catanzaro (2004). A amostragem dos testemunhos foi em
função da logística de execução das análises microbiológicas.
Investigações sobre o processo de eutrofização costeira e modelos
conceituais têm progredido rapidamente (Cloern, 2001). Entretanto, estudos
sobre a análise do estado trófico de ambientes costeiros focalizam
concentração de nutrientes, comunidade fitoplanctônica, alteração de
parâmetros físico-químicos, o suprimento de carbono orgânico ou indicadores
biológicos de coluna d’água (coliformes totais e fecais) e/ou padrões de
qualidade de água (Nixon, 1995; Paranhos et al., 1995; Zurlini, 1996; Kjerfve et
al., 1997; Feema, 1998).
Dell’Anno et al. (2002) e Fabiano et al., (1995) identificaram novos
descritores para o estado trófico de sistemas costeiros e propuseram uma
definição de qualidade ambiental, analisando a composição bioquímica da
matéria orgânica determinada pelas concentrações de carboidratos, lipídeos e
proteínas. Neste contexto, o presente estudo analisou a composição
bioquímica da matéria orgânica, a biomassa bacteriana, as atividades
enzimáticas e o metabolismo respiratório relacionados à granulometria de
amostras de sedimento superficial e testemunhos da Baía de Guanabara. Para
caracterizar ambientes eutrofizados e aplicação no meio ambiente do estudo
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
4
dos microrganismos e o papel que desempenham em inúmeros processos
geológicos, tanto na superfície como em sub-superfície.
1.1 – HISTÓRICO DE TRABALHOS CIENTÍFICOS NA BAÍA DE GUANABARA
A Baía de Guanabara que era chamada pelos indígenas de Guanabara
(seio do mar, em tupi guarani) na época do descobrimento, vem sendo alvo de
estudos por muitos pesquisadores ao longo dos anos. Na década de 80,
estudos enfocaram em metais pesados que chegassem à baía, tanto na água,
quanto nos sedimentos, em função das empresas instaladas ao redor,
próximas aos rios que deságuam na baía. E os estudos da produtividade
primária para se entender melhor os processos de eutrofização e dinâmica na
mesma. Na década de 90, a questão da balneabilidade, foi extremamente
avaliada, uma vez que a baía é usada para recreação, navegação e pesca. As
pesquisas também se voltaram para as análises de hidrocarbonetos de
petróleo em amostras de água e sedimento em função dos derrames e
monitoramentos de condições ambientais. No início de 2000, começaram a
aparecer trabalhos interdisciplinares, que agregavam métodos e análises em
diferentes áreas do conhecimento, a fim de se obter melhor entendimento dos
processos que estavam ocorrendo na baía, como os workshops da Baía de
Guanabara e o de Efeitos dos Poluentes em organismos marinhos. A tendência
das pesquisas é de agrupar diversas “ferramentas” para um melhor
entendimento das problemáticas ambientais e subsidiar respostas mais
concisas, com diferentes análises respondendo o mesmo assunto (Figura 1).
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
5
Figura 1: Cronologia dos assuntos dos trabalhos científicos na Baía de
Guanabara.
Amador (1980a) estudou a pressão do assoreamento na baía. Foram
determinados valores referentes ao assoreamento geológico ou natural e os
incrementos verificados numa série histórica, a partir de 1849, com base em
estudos comparativos de cartas náuticas. Assim, evidências da ação antrópica
no ritmo de sedimentação foram determinados. A partir do assoreamento
geológico de 19 cm/100 anos, os valores de 24 cm/100 anos no período de
1849-1922 evoluíram para 81 cm/100 anos no período de 1938-1962. Entre os
principais fatores responsáveis pelo incremento das taxas de assoreamento
estão incluídos: alteração dos sistemas fluviais por obras de engenharia,
efeitos produzidos por desmatamento, aterros na orla estuarina e destruição de
ecossistemas de manguezais.
Amador (1980b) estudou a formação da coluna sedimentar da região da
Baía de Guanabara, verificando que o cenozóico apresenta uma divisão em
cinco unidades: (1) formação Macacu e (2) Caceribu, (3) marinho, (4) terraços
1990
2000
2010
Balneabilidade,
hidrocarbonetos /
biomarcadores em
água e sedimento,
Qualidade ambiental:
interdisciplinariedade
Trabalhos
multidisciplinares
1980
Metais pesados em
água e sedimento e
produtividade
primária
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
6
e (5) depósitos fluviais marinhos. A formação Macacu está colocada na metade
do pleistoceno, com formação de depósitos compostos por seqüências
irregulares e lentes de argilo-arenosas, areia-argilosa e materiais sito-argilosos.
Durante o último período glacial, o clima seco de savanas foi responsável por
quatro distintas fácies sedimentares que dominaram a Formação Caceribu. A
fácie mais importante é composta por cascalhos de areia de feldspato
estratificados, representando o ambiente semi-árido extremo. Na profundidade
de 60m, ocorre a presença de depósitos aluviais. A elevação e a mudança do
nível do mar no Holoceno produziram dois terraços marinhos que ocorrem a 5-
7m e 2-4m, correspondentes às respectivas marcas de 3-5 e 1.0-1.8m acima
do nível do oceano presente. O nível baixo da planície do vale corresponde aos
depósitos dos terraços que são designados como terraços de várzea, cuja
origem é relacionada às pequenas mudanças das características hidrológicas,
que provavelmente é controlada por oscilações climáticas.
Lacerda (1982) determinou as concentrações de Cu, Cr, Zn, Mn e Ni,
comparando-as a valores encontrados em áreas de clima temperados e
determinou as inter-relações entre eles e distribuição na espécie vegetal
halófita Sesuvium portulacastrum. Os níveis apresentaram-se na mesma ordem
de magnitude de áreas temperadas, com exceção do Cr, que apresentou níveis
bem mais altos. Os metais puderam ser divididos em dois grupos, um
fortemente correlacionado com a matéria orgânica do solo, representado pelo
Cu; e outro fortemente correlacionado com Mn, Zn e Ni. S. portulacastrum
mostrou-se resistente a altos níveis de metais e devido a sua grande biomassa
e sua distribuição pan-tropical, o uso desta espécie como indicadora de
poluição por metais pesados foi proposta.
Introdução -
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da Silva, F.S.
7
De Luca Rebello et al. (1986) estudaram a distribuição e acumulação de
Cu, Cr, Cd, Pb e Hg na água e no sedimento da baía. Os resultados mostraram
que a contaminação por metais nos sedimentos só foi observada a pequenas
distâncias dos pontos fonte. Mesmo com a alta produção primária, os
sedimentos se mostraram relativamente pobres em carbono orgânico.
Associado ao eficiente sistema de correntes de maré, que oxigena a coluna
d´água e, em contato com o sedimento anóxico, ele certamente está atuando
como fator importante na remobilização dos metais.
De Luca Rebello et al. (1988) avaliaram o potencial da produção primária
e da disponibilidade de nutrientes na baía, visando determinar os melhores
fatores que estimulam ou inibem a teia alimentar. Foram estudados 5 pontos,
distribuídos ao longo da baía e os valores médios de produção primária bruta
foram de 460 mg C/m
3
/h nas águas de superfície. A determinação do oxigênio
utilizado na medição da produtividade forneceu informações sobre as taxas
respiratórias, que na região noroeste da baía, predominavam a 2m de
profundidade. Demonstrando um balanço na disponibilidade de nutrientes nas
águas e do fluxo, a partir dos sedimentos.
De Luca Rebello et al. (1990) determinaram as concentrações de iodito e
iodato em amostras de água do mar nas profundidades de 0,15 a 5m em
diferentes períodos do dia e em três estações do ano. As taxas dos dois tipos
de iodo variaram entre 0.3 a 3.9 % e as variações foram correlacionadas com
os parâmetros biológicos, tais como taxa de fotossíntese, respiração e
concentração de fitoplâncton.
Paranhos et al. (1995) apresentaram revisão de resultados de coliformes
fecais de diferentes instituições, no período 1980 – 1990. Durante esse
Introdução -
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da Silva, F.S.
8
período, foi diagnosticado um aumento entre 1.3 – 2.9% por ano. A falta de
tratamento de esgoto resultou na contaminação de coliformes fecais variando
entre 10
3
– 10
8
. L
-1
, acima do permitido pela legislação.
Perin et al. (1997) estudando os sedimentos superficiais da Baía de
Guanabara analisaram, por extração seqüencial, os metais Cd, Cr, Cu, Pb, Zn,
Mn e Fe. As fases biodisponíveis e não-biodisponíveis foram determinadas em
seis transectos na baía, a fim de definir os níveis significativos de poluição dos
metais nos sedimentos. A correlação mostrou um limite para os óxidos de Mn,
Fe e ácidos húmicos para adsorção aos sedimentos. Os diferentes processos
sugeriram a forte influência dos sulfetos de hidrogênio nos sedimentos da baía.
Os autores sugeriram que a drenagem ou aeração artificial poderiam gerar
metais solúveis, disponíveis para a fauna bêntica e biota em geral.
Kjerfve et al. (1997) estudaram as características oceanográficas da
Baía de Guanabara. Onde, puderam ver que o canal central possui uma
profundidade de 30m e um fundo arenoso na entrada, reflexo dos processos de
ondas e marés. Em contraste, viram que a média da profundidade é de 5.7m e
os sedimentos normalmente são lamas. Existe um extenso banco arenoso na
entrada da baía, indicativo de transporte para dentro da baía. A média das
descargas de água é de 100±59 m
3
s
-1
e maior no verão. As marés são
semidiurnas com variação de 0.7m e as correntes variam entre 0.5 – 1.6 m s
-1
.
A salinidade variando entre 21 – 34.5 %
0,
com média de 29.5±%
0.
A
estratificação vertical varia entre 0.06 – 0.21 ∆s/s e é relativa as correntes de
maré. O tempo de renovação das águas da baía é de 50% em 11.4 dias. O
oxigênio dissolvido foi medido próximo ao sedimento de fundo e é somente 3.1
mg/L. Em termos de qualidade de água os coliformes fecais médios foram de
Introdução -
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da Silva, F.S.
9
1140 colônias/mL e amônia e fósforo em excessos foram encontrados. As
concentrações médias de clorofila variaram de 57-130 μg/L e as razões N:P
mediram 14 no baía.
Paranhos et al. (1998) descreveram e quantificaram a variabilidade
diária da qualidade da água do sistema costeiro da Baía de Guanabara. As
amostras foram coletadas na primavera e em ciclos de maré durante 24h em
três estações. O gradiente de poluição foi evidenciado entre as estações de
amostragem. Os valores de coliformes fecais decaíram de 10
6
(Praia de Ramos
– mais poluído) para 10
1
(Enseada da Urca – menos poluído). A mineralização
da matéria orgânica foi similar ao gradiente de poluição orgânica. Entretanto, a
desnitrificação só foi associada à regiões onde a qualidade de água era melhor.
A qualidade de águas mais pobres indicou que a baía está sob diversos
estresses, mas a renovação promovida pela maré é um importante mecanismo
de diluição da poluição. A significância em micro escala das mudanças em
qualidade de água na baía foi confirmada e reforçada a importância de se fazer
programas de monitoramento.
Godoy et al. (1998) analisaram a taxa de sedimentação da baía e
determinaram a aplicação do
210
Pb, método CRS, para sedimentos de
testemunhos coletados em 5 diferentes estações. Os resultados mostraram
que há um aumento pronunciado de 0,1-0,2cm/ano na taxa de sedimentação
nos últimos 40-50 anos.
Faria (1999) quantificou os minerais pesados de sedimentos de fundo
dos rios da baía. Os rios do setor nordeste foram bem distintos daqueles do
sudeste, pela presença de scheelite no sistema do rio Macabu. Em adição,
foram encontradas altas concentrações de mineral mafic e sillimanite. Essas
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da Silva, F.S.
10
espécies de mineral estão associadas às unidades litológicas presentes na
Serra dos Órgãos. A Serra de Maricá é o limite a sudoeste que inclui o sistema
de drenagem e o rio Caceribu com poucas montanhas. Os sedimentos fluviais
são relativamente enriquecidos com zircon e monazita, que normalmente indica
uma unidade litológica. Entretanto, as áreas analisadas indicam ser de origem
de rochas alcalinas do setor leste.
Baptista-Neto et al. (1999), utilizando testemunhos coletados na
enseada de Jurujuba, encontraram acúmulos de sedimentos heterogêneos,
ricos em argilo-minerais e compostos por kaolinita/illita, característicos de solos
terrígenos. Os sedimentos continham altas concentrações de Pb originário das
poeiras das ruas e elevados níveis de cobre associado ao zinco, vindos das
descargas de esgoto doméstico e de várias fontes ao redor do embaiamento. A
datação de fragmentos de conchas por rádio carbono, na base do testemunho,
mostrou uma fase de depósitos não contaminados do século XVII.
Quaresma et al. (2000) fizeram a correlação de dados geofísicos (sonar
de varredura lateral e perfilador de subfundo – 3,5 e 7,0 kHz) e caracterizaram
a distribuição de sedimentos de fundo na porção sul da Baía de Guanabara.
Foram reconhecidos quatro tipos de ecocaráteres: o tipo 1, onde não ocorreu
penetração do sinal acústico e está relacionado a um fundo arenoso e a um
padrão de reflexão do sonar homogêneo cinza claro com sand wave e mega-
ripples; o tipo 2A, onde foi observada a penetração do sinal com refletores do
embasamento acústico e um fundo predominantemente lamoso, com alto teor
de areia fina a muito fina e padrão homogêneo cinza claro de sonar; o tipo 2B,
com penetração do sinal com refletores, junto a um fundo predominantemente
arenoso, com alto teor de lama e padrões de sonar homogêneos cinza escuros;
Introdução -
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da Silva, F.S.
11
e o último ecocaráter observado foi o tipo 3, com penetração do sinal com uma
série de refletores múltiplos, observando-se um fundo lamoso com alto teor de
areia fina a muito fina e reflexão homogênea cinza escuro nos sonogramas.
Costa et al. (2000) compararam os níveis de mercúrio total em
mexilhões da baía, determinados durante o período de 1988-1998. O total de
mercúrio nos organismos se mantive constante durante 10 anos (17.3 a 74.1
μgHg kg
-1
), com flutuações isoladas, atribuídas às mudanças na qualidade de
água.
Baptista-Neto et al. (2000) determinaram metais em sessenta e quatro
amostras de sedimento superficial e sete testemunhos coletados na parte mais
fechada da enseada de Jurujuba. Análises de metais incluindo Pb, Zn, Ni, Cu e
Cr mostraram teores consistentes com os encontrados em ambientes
estuarinos de locais urbanizados e industrializados. O enriquecimento de
metais foi evidenciado na margem interna da enseada, em função do
background das concentrações geológicas observadas na lama basal dos
testemunhos. Particularmente o Zn, Pb e Cu estão associados às descargas de
esgotos sem tratamento e runoff urbano. Este fenômeno foi crescente desde o
início da rápida urbanização, que se seguiu à ligação da ponte do Rio-Niterói
em 1974.
Crapez et al. (2000) analisaram a comunidade bacteriana da praia da
Boa Viagem e sua atividade hidrocarbonoclástica sob condições de impacto
agudo e crônico. Foram usados ácido benzóico, tolueno, xileno e benzeno em
concentrações 5, 10 e 15 mM e biomassa bacteriana foi quantificada por
dosagem de proteínas. No impacto agudo, o maior percentual de biomassa
bacteriana ocorreu entre o 11º e 14º dias. O impacto crônico, foi entre o 20º e o
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da Silva, F.S.
12
29º dias. A biomassa bacteriana apresentou uma versatilidade nutricional, pois
houve o consumo dos hidrocarbonetos aromáticos em concentrações acima de
15mM. No impacto agudo, a concentração de hidrocarbonetos constituiu um
fator critico para a flora bacteriana do Forte do Rio Branco, porque a biomassa
aumentou somente na concentração de 5 mM. No impacto crônico, a biomassa
cresceu na concentração de 15 mM tolueno. Acido benzóico (15 mM) foi usado
pelas comunidades da Boa Viagem e Forte do Rio Branco.
Gonzalez et al. (2000) calibraram a concentração necessária de
3
H-
Leucina para estimar a produção bacteriana na baía de Guanabara em função
das curvas de saturação. O segundo objetivo do trabalho foi coletar dados
preliminares de produção bacteriana em dois locais, com qualidades diferentes
de água (Urca e Ilha do Governador). As curvas de
3
H-Leucina mostraram um
padrão similar nas áreas de estudo, indicando um isótopo ideal na
concentração de 10 nM. A biomassa bacteriana da produção variou entre 0.40
– 4.53 μgC L
-1
na Urca e 3.86 – 73.72 μgC L
-1
na Ilha do Governador, indicando
uma relação entre os nutrientes, a matéria orgânica e a produtividade
bacteriana. Esse trabalho é uma importante referência para estudos na
trofodinâmica dos ciclos biogeoquímicos e modelos da Baía de Guanabara.
Carreira et al. (2001) estudaram o coprostanol, como indicador de
poluição recente por esgoto doméstico, em sedimentos superficiais da baía. Os
sedimentos foram coletados em oito estações mais representativas dos
diferentes níveis de contaminação. As quantificações foram 335 – 40.000 ng/g
coprostanol; 112 – 4.136 ng/g coprostanona; 1.407-7.800 ng/g colesterol;
2.011-10.900 ng/g colestanol e 655 – 7.954 ng/g colestanona. As
concentrações observadas estão de acordo com a presença de fontes
Introdução -
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da Silva, F.S.
13
poluidoras conhecidas, entretanto as diferentes taxas dos esteróis estavam
ligadas também à produção primária e processos microbiológicos.
Faria & Sanchez (2001) estudaram a integração geoquímica e
mineralógica dos sedimentos coletados nos rios Macacu e Caceribu. A
mineralogia das argilas incluiu diferentes grupos, com distribuição condicionada
por feições geomorfológicas e locais de depósitos. As argilas de mica foram
abundantes na proximidade das rochas, enquanto as kaolinitas derivaram de
varias fontes e gradualmente estão se concentrando no estuário. Estas últimas
estão acumuladas nas bocas dos rios, enquanto a mica foi convertida em
camadas misturadas no estuário. As análises de metais pesados, contendo
altos níveis de Zn e Cu no sedimento da baía e nos rios, mostraram perfis nos
downstream que indicam o decaimento dos metais, enquanto que na baía
ocorreu variação. Em áreas próximas à ilha de Paquetá apareceram áreas
anômalas, com altas concentrações de metais. O Cu apresentou tendência de
concentração em frações de grãos <2μm, com associações com micas ao
longo do rio. Contudo, a retenção do cobre parece ser controlada por outros
fatores, como as mudanças físico-químicas das condições do ambiente
estuarino. O Zn apresentou comportamento instável e o Pb apareceu em
pequenas variações nos rios e na baía, acumulando nas frações <63μm, sem
associação com os argilo-minerais.
Machado et al. (2002) analisaram as concentrações de Hg, Zn e Cu nos
sedimentos do entorno do aterro sanitário de Jardim Gramacho, no Rio Iguaçu
a noroeste da Baía de Guanabara, encontrando níveis de metais acima de 890
ng g
-1
Hg, 850 μg g
-1
Zn, e 58 μg g
-1
Cu. As concentrações do fator de
enriquecimento e excessos do inventário mostraram uma alta variabilidade
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da Silva, F.S.
14
espacial em termos de concentração e acúmulo. Os contrastes foram
atribuídos à entrada dos metais via ação antropogênica, comportamento e
retenção com sedimentos. Os resultados mostraram que, durante as ultimas
décadas, os sedimentos de mangue retiveram, substancialmente, parte dos
metais, provavelmente reduzindo o transporte para as águas da baía e
colocando os ecossistemas de manguezais como barreiras físicas e
biogeoquímicas para os metais.
Carreira et al. (2002) analisaram testemunhos de 50-60 cm em 8
estações na baía e determinaram C, N, Isótopos (
13
C e
15
N) e esteróis da
matéria orgânica, com o objetivo de caracterizar o input nos últimos 100 anos.
O fluxo de matéria orgânica no sedimento aumentou para um máximo de 41.7
mol C m
2
ano
-1
. As distribuições espacial e temporal do C/N e
13
C e o balanço
da massa calculada indicaram que a matéria orgânica é uma mistura de fontes
marinha, terrestre e de estuário, com crescimento e predominância de material
autóctone nos últimos anos. O dinesterol foi predominante na maioria das
amostras (>50%). Esse esterol aumentou significativamente nas duas décadas,
com valores no sedimento da ordem de >150 g/g. Há uma forte indicação de
que o aumento da estocagem do carbono esteja ocorrendo em resposta às
condições crescentes de eutroficação.
Kering et al. (2002) estudaram o metilmercúrio e mercúrio total em
mexilhões, peixes herbívoros e carnívoros, num total de 245 organismos. Nas
águas do estuário, a concentração de mercúrio dissolvido variou entre 0.72 a
5.23 ng/L. Nos mexilhões, a variação foi entre 11.6 – 53.5 μg THg/Kg e 4.5 – 21
μg MeHg/Kg. Os peixes herbívoros mostraram concentrações semelhantes ao
mexilhões. Já os peixes carnívoros mostraram as mais altas concentrações
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da Silva, F.S.
15
(199 μg THg/Kg e 194 μg MeHg/Kg). Foram encontradas diferenças
significativas nas porcentagens de MeHg nos diferentes níveis tróficos:
mexilhão (33%), peixes herbívoros (54%) e carnívoros (98%).
Meniconi et al. (2002), utilizando a cromatografia, caracterizaram a
presença de petróleos brasileiros de derrames e determinaram frações em
diferentes matrizes como água, sedimento, peixes e material de derrames. Eles
fizeram comparação entre materiais de óleo cru, combustíveis em solo e áreas
costeiras dos derrames da Baía de Guanabara, do Paraná e de São Paulo.
Hidrocarbonetos de petróleo totais, alcanos, isoprenóides, misturas complexas
não resolvidas, compostos voláteis (benzeno, tolueno, etilbenzeno e xileno),
hidrocarbonetos poli-aromáticos, terpenos e esteranos foram quantificados e
correlacionados aos derrames e outras fontes de óleos no ambiente. Algumas
determinações ecotoxicológicas agudas para amostras de água e sedimento
também foram apresentadas.
Godoy et al. (2003) analisaram as concentrações de
137
Cs na água do
mar, peixes e sedimentos, coletados em 11 estações distribuídas entre Vitória
(ES) até Santos (SP), no período de 1997 a 2002. Foram também analisados
concentrações de
90
Sr em peixes de 1998 a 2002. O
137
Cs na água seguiu
distribuição logarítmica, com médias geométricas de 1.8 Bq m
-3
e desvio
padrão de 1.4 (n=54), decaindo em junho/2002. Para os níveis de
137
Cs em
peixes, a média foi de 0.19 Bq kg
-1
e o desvio de 2.9 (n=39), decaindo também
em junho/2002. Baseado na concentração média de
137
Cs nos peixes e na
água e transferido para o fator de 1X10
2
que foi calculado, os resultados estão
de acordo com os Valores de Segurança recomendados.
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da Silva, F.S.
16
Kering et al. (2003) estudaram metais em perfis no manguezal do
Jequiá, onde encontraram 87% dos metais (cádmio, ferro, cromo, cobre e Zn)
não biodisponíveis, em função da alta carga de matéria orgânica e dos sulfetos
presentes no sedimento. As amostras não continham altas concentrações de
metilmercúrio e de mercúrio total.
Vilela et al. (2003) examinaram sedimentos superficiais, a fim de se
determinar a distribuição, diversidade e dominância de foraminíferos e
ostracodes da Baía de Guanabara. Em geral, as espécies dominantes de
foraminíferos foram Ammonia tepida, Buliminella elegantissima and
Quinqueloculina seminulum. As associações de foraminíferos apresentaram
distintos valores de abundância e diversidade em diferentes regiões da baía. A
diversidade foi mais elevada na entrada (sul) e na região central do que na
região norte da Baía. As espécies dominantes, que são características de
ambientes sob estresse, apresentaram valores altos de abundância na região
norte. Os valores de carbono orgânico total aumentaram da região sul para o
norte e foram inversamente proporcionais à diversidade de foraminíferos e
estão ligados às áreas muito poluídas e à deposição sedimentar em ambiente
anóxico-desóxico. O gênero Cyprideis, de ostracode, foi dominante e sua
ocorrência aumentou da região sul para o norte. As ocorrências de
Callistocythere sigmocostata, Xestoleberis sp., Aurila sp. e Paracypris sp. foram
restritas à entrada e região central, indicando um preferência por condições
marinhas. As respostas dos foraminíferos e ostracodes às condições
ambientais, relacionadas aos elevados valores de carbono orgânico total
mostraram sua importância como bioindicadores de ambientes sob estresse,
causado por poluição antropogênica na Baía de Guanabara.
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17
Eichler et al. (2003) viram que padrões de distribuição de foraminíferos
bentônicos recentes estão relacionados à temperatura, salinidade, oxigênio
dissolvido e conteúdo de carbono orgânico. A distribuição de foraminíferos foi
diferente na entrada da baía, se comparada às partes internas. Os primeiros
resultados mostraram que Cassidulina subglobosa e Discorbis williamsoni são
encontradas em ambientes com baixa temperatura e altas salinidades, na
entrada da baía. De acordo com o teor de oxigênio dissolvido foi observado
que Quinqueloculina seminulum ocorria quando os valores eram mais altos que
2mg/L. Por outro lado, Buliminella elegantissima, Bolivina striatula e Bulimmina
elongata apareceram nas partes centrais da baía, locais com baixa oxigenação
e sedimentos com grande acumulação de matéria orgânica.
Barth (2003) descreveu análises palinológicas de testemunhos obtidos
da Baía de Sepetiba, de lagoas da região Norte Fluminense e, mais
recentemente, de material sedimentar recolhido na bacia do rio Guandu, da
praia Vermelha/Urca e do fundo da Baía de Guanabara. Foram assinaladas
fases climáticas com maior ou menor umidade, correspondendo ao
desenvolvimento maior ou menor das formações vegetais correspondentes à
Floresta Ombrófila Densa, à Floresta Ombrófila Estacional Semidecídua, à
Vegetação de Restinga, a campos e áreas paludosas. Para os tempos
históricos foram comprovadas a ação antrópica e a mundança ambiental,
comparando-se a mudança da vegetação nas áreas estudadas.
Mendonça-Filho et al. (2003) determinaram o grau de preservação dos
componentes orgânicos de sedimentos de fundo da Baia da Guanabara em 92
amostras. Elas foram submetidas à técnicas de geoquímica orgânica como
Carbono Orgânico Total – COT e Pirólise Rock Eval para determinar a
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18
quantidade e a qualidade da matéria orgânica e 25 amostras foram submetidas
à análise por microscopia (luz branca transmitida e luz ultravioleta incidente).
Os valores de COT variaram de 0.04 a 6.1%, indicando o alto grau de
preservação da matéria orgânica. Na pirólise Rock-Eval os dados de IH (Índice
de Hidrogênio) variaram de 25 a 249 mg HC/gCOT; S1 entre 0.02 e 5.6 mg
HC/gR e o Índice de Produção (IP) atingiu 0,5. O resultado da investigação
microscópica mostrou a ocorrência de matéria orgânica amorfa (MOA) sobre
palinomorfos e fitoclastos. O material liptinítico mostrou uma coloração de
fluorescência amarelo-esverdeado. As percentagens de MOA, valores de COT
e cor de fluorescência reafirmaram o alto grau de preservação da matéria
orgânica. A integração dos resultados de geoquímica orgânica e técnicas
microscópicas indicaram que os sedimentos da Baía de Guanabara foram
depositados num ambiente desóxico-anóxico, apresentando alta contaminação
por hidrocarbonetos.
Carreira & Wagner (2003) estudaram a distribuição dos esteróis, a fim de
determinar os efeitos do aumento da eutrofização e do uso e ocupação do solo
sobre a estocagem de carbono na baía. O dinosterol foi o esterol mais
abundante, representando 64,7 % do total. O coprostanol, um esterol de origem
fecal, foi encontrado em concentrações máximas de 40 μg g
-1
em áreas de
intenso aporte de esgotos. De acordo com as concentrações de carbono
orgânico e as taxas locais de sedimentação, foi calculado que o fluxo de
carbono orgânico para o sedimento aumentou de 50 g C m
-2
ano
-1
para 500 g C
m
-2
ano
-1
ao longo dos últimos 100 anos.
Silva Junior et al. (2003) estudaram as mudanças induzidas pelo homem
e as suas conseqüências no ecossistema de mangue, vizinho ao Pólo
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da Silva, F.S.
19
Petroquímico de Duque de Caxias. O trabalho de campo incluiu a perfuração
de poços e amostragens extensas para obter os parâmetros geológicos e
hidrogeológicos em uma área-piloto; foi enfatizada a caracterização de possível
contaminação por efluentes industriais e o estudo da influência marinha. Os
resultados mostraram a importância de realizar estudos hidrogeológicos
detalhados para tratar de problemas ambientais causados por instalações
industriais em áreas de manguezal.
Soares et al. (2003) estudaram as características estruturais dos
manguezais da baía durante três anos (2000-2002). As florestas estudadas
apresentaram diversidade estrutural, refletindo a ação de tensores, que
determinaram diferentes graus de degradação e estágios de regeneração
(diferentes fases da sucessão secundária). A densidade de troncos variou de
zero (clareiras) a 52.800 troncos ha
-1
. O diâmetro (médio) variou de 1,33 cm a
7,83 cm e a altura média das árvores variou de 1,80 m a 7,27 m. Foram
identificados vários padrões estruturais e a dinâmica das comunidades vegetais
estudadas. A diversidade estrutural foi identificada através de parâmetros
fitossociológicos e composição de espécies.
Engler et al. (2003) apresentaram uma proposta de Zoneamento
Ambiental para a Orla da Baia da Guanabara, com a finalidade de contribuir
para sua gestão sustentável. Foram utlizadas três escalas articuladas de
análise expressas em: concepção estratégica da evolução da ocupação
humana, visão logística da dinâmica flúvio-marinha e uma proposta tática de
intervenção institucional.
Andrade et al. (2003), através da incorporação da
3
H-Leucina
caracterizaram o bacterioplâncton e a eutroficação da baía, comparando os
Introdução -
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da Silva, F.S.
20
resultados com o Oceano Atlântico do Sudeste. As amostras do Atlântico
apresentaram um máximo de 5.50 x 10
5
células/ml, e pouco ácidos nucléicos
predominantes. Na Baía de Guanabara, o número bacteriano foi uma ordem de
magnitude maior que o oceânico e variou de fora da baía (1.01 x 10
6
células/ml) para o interior (6.90 x 10
6
células/ml). A atividade bacteriana
oceânica variou entre 4.6 – 126 ng C L
-1
h
-1
, enquanto que na baía a média dos
valores foi de 1.95 μg C L
-1
h
-1
(fora da baía) a 7.35 μg C L
-1
h
-1
(dentro da baía).
Crapez et al. (2003) estudaram a qualidade da matéria orgânica do
sedimento da Praia da Boa Viagem, avaliando o número, a atividade do
sistema transportador de elétrons e a atividade de esterases das comunidades
bacterianas, as concentrações de proteína e de matéria orgânica. Ocorreu
variação sazonal significativa de matéria orgânica, proteína, número e
atividades enzimáticas bacterianas. As variações das atividades do sistema
transportador de elétrons e de esterases indicaram que biopolímeros
predominaram no inverno e oligômeros e monômeros, no verão. Estes
resultados sugeriram que a transformação do carbono orgânico está sendo
controlada pela qualidade da matéria orgânica. A ausência de inibição de
atividade das enzimas desidrogenases, em presença de grandes
concentrações de metais, especialmente Cu, Zn, Ni e Cr, indicaram a não
biodisponibilidade na concentração EC
50
.
Azevedo et al. (2004) analisaram hidrocarbonetos em mexilhões de 4-6
cm, em duas estações do ano (verão e inverno) na baía. Os resultados
mostraram que as maiores concentrações foram encontradas no inverno (432
ng g
-1
), contrapondo-se aos valores detectados no verão (375 ng g
-1
). Eles
Introdução -
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da Silva, F.S.
21
concluiram que os níveis de contaminação estavam dentro do reportado pela
literatura.
Machado et al. (2004) determinaram, em testemunhos de sedimento do
sistema estuarino do Rio Iguaçu, a potencial associação de ácidos de sulfetos
voláteis (AVS) e Fe reativo com a distribuição de metais traços (Cu, Cd, Ni, Pb
e Zn). Os resultados mostraram concentrações de AVS moderadas a
extremamente altas (33-314 μmol/g) e correlação significativa com Fe, Ni e Pb
somente no testemunho da baía. Os resultados sugeriram que o AVS e as
taxas de Fe estavam refletindo as condições diagenéticas, controlando assim a
distribuição de Cd e Cu no testemunho da baía. A distribuição dos metais do rio
para a baía está ligada à associação da maioria dos metais ao AVS e Fe do
sedimento da baía.
Barbosa et al. (2004) discutiram os estudos geo-ambientais de
revitalização do canal do Fundão, na baía de Guanabara. A operação de
dragagem foi planejada para remover cerca de 1.5 milhões de metros cúbicos
de sedimento contaminado. Investigações foram feitas para ver a
caracterização do sedimento em termos de propriedades físico-químicas e
avaliar a presença de metais pesados e compostos orgânicos, particularmente
hidrocarbonetos policíclicos aromáticos. A dragagem e os esquemas de
descartes foram descartados, baseados nos níveis de contaminação aferidos.
Vilela et al. (2004) analisaram o efeito da concentração de alguns metais
na assembléia bentônica de foraminíferos das amostras do porto de Niterói. A
baixa concentração de foraminíferos, dominada por espécies como Ammonia
tepida, Buliminella elegantíssima e Bolívia lowmani, que indicaram associação
a ambientes sob estresse. O teste de ocorrência de anormalidades dos
Introdução -
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da Silva, F.S.
22
foraminíferos representou uma ferramenta em termos de análise de impacto
em regiões costeiras.
Carreira et al. (2004), analisaram o coprostanol sedimentar e outros
esteróis em séries históricas, referente à contaminação por esgoto em
testemunhos de 50-60 cm, em 8 estações na baía. O coprostanol foi
encontrado em concentrações máximas de 40 μg g
-1
em áreas de intenso
aporte de esgotos. As taxas de esteróides fecais são usadas como ferramentas
para investigar a contaminação em países de clima temperado. Entretanto, em
sistemas estuarinos tropicais houve limites para essa aplicação, provavelmente
ligada à intensa produção primária e aos processos microbiológicos.
Baptista-Neto et al. (2004) determinaram as concentrações dos metais
no porto de Niterói e verificaram a biodisponibilidade através de biomarcador
enzimático. Foram analisados Ni, Zn, Pb, Cr e Cu. As concentrações dos
metais foram muito mais altas do que os níveis naturais e o índice de
geoacumulação apontou para uma contaminação moderada a extrema.
Entretanto, não houve inibição da atividade das desidrogenases, indicando que
os metais não estavam biodisponíveis nos valores de EC
50
.
Fernandez et al. (2005), estudaram os organoclorados através dos
níveis de imposex em populações de Stramonita haemastroma. Foram
encontradas várias fêmeas em estágios diferentes de imposex e amostras de
sedimentos superficiais com grandes quantidades de tributil e trifenil,
principalmente próximas às marinas e portos, indicando que não está
ocorrendo à degradação dos compostos organoclorados.
Costa & Carreira (2005) estudaram nove amostras de sedimento
superficial (0-2 cm) na Enseada de Botafogo (sudoeste da Baía de
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
23
Guanabara/RJ), a fim de comparar o uso de marcadores químicos
(coprostanol) e biológicos (E. coli e coliformes totais) na identificação da
contaminação fecal da região. Os resultados obtidos (carbono orgânico – 6,0 to
64,8 mg g-1; coprostanol – 1,4 a 105 μg g-1; E. coli - < 30 a 2400 NMP/10g e
coliformes totais - 40 a 9300 NMP/10g) foram iguais ou maiores aos
observados em outras áreas contaminadas da Baía de Guanabara. Nas
estações próximas à linha de costa, as concentrações de coprostanol e as
contagens das bactérias confirmaram que o esgoto doméstico se acumulou no
sedimento da enseada. As concentrações de coprostanol se mantiveram altas
nas estações distantes das fontes de contaminação, porém o material fecal
representou uma menor fração do carbono orgânico. Nessas mesmas
estações, a redução na contagem de colimetria foi proporcionalmente mais
alta, provavelmente pela baixa sobrevivência das bactérias devido ao efeito de
luz, salinidade e temperatura durante o transporte e deposição das partículas
de esgoto. Portanto, baseando-se nos resultados obtidos, o coprostanol foi um
indicador mais adequado da contaminação fecal nos sedimentos da Enseada
de Botafogo.
Baptista-Neto et al. (2006) estudaram a distribuição da poluição da baía
em 92 amostras de sedimento superficial. As concentrações de metais
pesados, carbono orgânico total e granulometria mostraram uma ampla
distribuição espacial. As maiores concentrações foram encontradas nos
sedimentos lamosos, mais ao norte até o centro da baía, sempre próximos aos
rios mais poluídos, sistemas de drenagens e refinarias. Uma concentração
mais alta de metais foi encontrada nas adjacências do porto do Rio de Janeiro.
As concentrações dos metais decaíram próximas aos rios intactos e
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da Silva, F.S.
24
manguezais, localizados a nordeste da baía. A normalização geoquímica dos
metais foi feita por Li e Al, demonstrando a entrada antropogênica dos metais e
sua alteração na distribuição natural do sedimento.
1.2 – GEOMICROBIOLOGIA
A manutenção dos ciclos biogeoquímicos nos ambientes terrestres e
marinhos está ligada à diagênese da matéria orgânica pelos microrganismos.
Esse processo está intimamente ligado à termodinâmica ambiental. Os
processos bacterianos aeróbios, facultativos anaeróbios, de desnitrificação e
de sulfato-redução produzem 500, 50, 100 e 170 kJ/mol, respectivamente
(Edwards et al., 2005).
Na coluna d’água e sedimento, no particulado e/ou pelotas fecais, o
oxigênio é o primeiro aceptor de elétrons usado pelas bactérias heterótrofas,
pois essa via metabólica produz maior rendimento energético. Assim são
formados precursores para síntese de polissacarídeos, pentoses, aminoácidos
aromáticos, amino-açucares, fosfolipídeos e ácidos carboxílicos. O ciclo de
Krebs completa o ciclo, fornecendo precursores para síntese de ácidos graxos,
aminoácidos e ácidos orgânicos, finalizando com a produção de energia na
cadeia transportadora de elétrons (Crapez, 2007).
Com a depleção de oxigênio, as bactérias facultativas anaeróbias
começam a oxidação incompleta dos substratos orgânicos, com produção de
ácidos orgânicos e hidrogênio. Os produtos finais da fermentação servem de
fonte de carbono para as bactérias anaeróbias, com o desenvolvimento da teia
alimentar anaeróbia, cujos últimos componentes são as bactérias
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
25
metanogênicas, que convertem hidrogênio e acetato para metano e gás
carbônico. Estas últimas moléculas são utilizadas pelas bactérias autótrofas e
metanotróficas (Crapez, 2007).
O primeiro processo anaeróbio é a redução do nitrito ou nitrato, com
perda ambiental de formas nitrogenadas. Em seguida, vem a redução do Mn
4+
para Mn
2+
e a redução de óxidos de ferro, com o envolvimento de sulfetos,
fenóis e ácidos carboxílicos. O penúltimo processo anaeróbio é a redução do
sulfato, seguindo-se à produção de metano. As substâncias inorgânicas
produzidas pelas bactérias anaeróbias são oxidadas pelas bactérias aeróbias
quimiolitotróficas. Elas oxidam hidrogênio, amônia, nitrito, manganês, ferro e
enxofre, estabelecendo ligação crítica dos ciclos biogeoquímicos (Crapez,
2007). A Figura 2 relaciona a versatilidade metabólica bacteriana, dando
ênfase à interdependência do metabolismo fotossintético e os aceptores finais
de elétrons dos metabolismos aeróbios, facultativo anaeróbio e
quimiolitotrófico.
Assim, o direcionamento da capacidade metabólica de um
microrganismo dependerá, entre outros fatores, do potencial de óxi-redução do
ambiente. Alguns microrganismos só conseguem ser ativos em ambientes
óxicos, como os aeróbios estritos, enquanto outros existem em ambientes
anóxicos, como os sulfato-redutores e metanogênicos. O potencial redox indica
a termodinâmica do ambiente, podendo-se prever as substâncias doadoras e
aceptoras de elétrons nas etapas finais das vias metabólicas dos organismos
(Daumas, 1989). O decréscimo do potencial redox disponibiliza a troca de
aceptores de elétrons de compostos ricos em energia como oxigênio e nitrato
para compostos como sulfatos e dióxido de carbono. A falta de aceptores de
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
26
elétrons ricos em energia suprime a biorremediação da maioria dos
contaminantes orgânicos como o óleo (Murphy et al., 1999).
As condições físico-químicas de um ambiente direcionam o metabolismo
das comunidades bacterianas com a produção e consumo de biomoléculas,
síntese de energia, através dos metabolismos aeróbios, anaeróbios,
fotossintéticos e quimiolitotróficos, que são interdependentes. Assim, para que
os ciclos do carbono e nitrogênio, por exemplo, aconteçam em todas as suas
etapas, o ambiente deverá possuir substâncias orgânicas e inorgânicas
oxidadas e reduzidas, que gerem regiões óxicas para o metabolismo aeróbio,
sucedendo-se os processos facultativos anaeróbios e até os anaeróbios.
Assim, as bactérias assumem papel importante nas regiões costeiras, como
deltas, estuários e baías, onde há, continuamente, descarga de nutrientes,
matéria orgânica e influência antrópica, que alteram as variáveis físicas,
químicas e os parâmetros biológicos do ambiente e, direta ou indiretamente, as
comunidades bacterianas (Crapez, 2007).
Por definição, a geomicrobiologia é o estudo dos microrganismos e o
papel que desempenham em inúmeros processos geológicos, tanto na
superfície como em sub-superfície. Esses microrganismos incluem procariontes
e eucariontes, sendo as bactérias responsáveis pelos processos de
mineralização da matéria orgânica e outros elementos vitais inorgânicos
(Ehrlich, 2002).
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
27
A Geomicrobiologia é uma ciência que investiga:
• Interação dos microrganismos com minerais nos ciclos do C, Fe,
S e outros elementos ligados a matrizes minerais;
• os processos e manutenções dos ciclos biogeoquímicos em geral;
• indicação de atividades termais por bactérias metanogênicas,
pela formação de gás metano;
• precipitação de manganês, e formação de nódulos metálicos nos
fundos oceânicos que são potencialmente econômicos;
• a formação de estruturas como estromatolitos, contribuindo para a
compreensão das estruturas carbonáticas nas bacias
sedimentares;
• a remediação de minas e locais impactados por metais pesados;
• a remediação da corrosão em estruturas metálicas;
• a biodegradação de compostos recalcitrantes;
• a degradação microbiológica dos biopolímeros em fóssil
molecular e petróleo;
• também a aplicação na astrobiologia para o entendimento do
papel dos microrganismos na fisiologia, metabolismo e
colonização em ambientes extremos.
Introdução -
_____________
da Silva, F.S.
28
Figura 2: Versatilidade metabólica bacteriana na diagênese da matéria
orgânica, modificado de McNeil and Little (1992), por Crapez (2007).
Objetivos -29
_____________
da Silva, F.S.
2 – OBJETIVOS
2.1 – OBJETIVO GERAL
Identificar os processos bacterianos no sedimento superficial e
testemunho que atuam na diagênese da matéria orgânica na Baía de
Guanabara.
2.2 – OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Dosar a quantidade de matéria orgânica nas 30 amostras de
sedimento superficial e testemunhos da Baía de Guanabara;
2. Analisar a granulometria dos sedimentos superficiais e
testemunhos;
3. Quantificar o carbono orgânico total e o enxofre das amostras dos
testemunhos;
4. Quantificar as bactérias viáveis e o carbono bacteriano das
amostras dos testemunhos;
5. Quantificar as atividades enzimáticas bacterianas nas 30
amostras de sedimento superficial e testemunhos;
6. Determinar o metabolismo respiratório bacteriano nas 30
amostras de sedimento superficial e testemunhos;
7. Analisar a balneabilidade das 30 amostras de sedimentos
superficiais e testemunhos;
Objetivos -30
_____________
da Silva, F.S.
8. Identificar os descritores de estado trófico de qualidade ambiental
nas 30 amostras de sedimento superficial e testemunhos;
9. Agrupar e correlacionar os resultados das análises dos
sedimentos superficiais, a fim de estabelecer os setores da Baía
de Guanabara;
10. Agrupar parâmetros e faixas analisados no testemunho a fim de
identificar o(s) de maior influência no testemunho.
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
31
3 – MATERIAL E MÉTODOS
3.1 - DETERMINAÇÃO DA MATÉRIA ORGÂNICA
Para a determinação do teor de matéria orgânica usou-se o método de
Byers et al. (1978). Inicialmente pesou-se 50g de amostra úmida, que foi seca
em estufa por 24 horas a uma temperatura de 60ºC. Após esse período o
sedimento foi calcinado em mufla a 500°C, de modo que toda a matéria
orgânica existente na amostra fosse queimada. Depois de 3h este material foi
retirado e pesado. A matéria orgânica total foi determinada pela diferença do
peso inicial para o peso final.
Coleta do
sedimento
Alíquota para peso
úmido
Estufa a 50°C
até obter o peso
seco
Peso seco
Mufla a 450°C por
24 horas
Diferença de
pesos
Cálculo de
porcentagem
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
32
3.2 - DETERMINAÇÃO DO CARBONO ORGÂNICO TOTAL E DO ENXOFRE
As análises de carbono e enxofre serão realizadas, nas amostras de
sedimento úmido, que foram pesadas e com tratamentos extrativos de
diclorometano em ultrasson, é retirada a fração do extrato de diclorometano da
amostra. A amostra é seca para evaporar o resíduo do solvente
(diclorometano). É feita a leitura em triplicata no aparelho SC 144 da LECO.
Coleta do
sedimento
Alíquota para peso
úmido
Tratamento no
ultrasson com
solvente orgânico
Peso seco
Leitura no
aparelho SC 144 -
LECO
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
33
3.3 - DETERMINAÇÃO DOS BIOPOLÍMEROS
A amostra de sedimento úmido para a determinação dos lipídeos totais
foram extraídos com clorofórmio/metanol (1:1), segundo Bligh & Dyer (1959) e
Marsh &Weinstein (1966). As amostras foram agitadas no vortex e depois
centrifugadas por 5 minutos a 800x. Desprezar o sobrenadante hidro-alcoólica.
Evaporar o resíduo hidrofóbico em banho de areia a 100°C por 20 minutos.
Adicionar 2mL de ácido sulfúrico concentrado. Colocar em banho de areia a
200°C por 15 minutos. Transferir para o banho de gelo a 0°C por 5 minutos.
Agitar no vortex. Determinar a absorvância de 375nm em espectrofotômetro e
fazer a leitura em triplicata. Os resultados foram quantificados em equivalentes
de tripalmitato, que foi feita a curva padrão.
Cálculo da concentração de lipídeos em μg.g
-1
de sedimento ou μg.ml
-1
se for amostra líquida: μg LIP.g
-1
de sedimento= {[ ((D.O. – b) / a) x 3,5
(1)
] /
1,0
(2)
} / 1,0
(3)
. Onde:
(1)
volume total da amostra;
(2)
volume da alíquota;
(3)
total
de sedimento ou de água do mar
Equação da Curva Padrão, que deve ser feita mensalmente: D.O. = a
[LIP] + b. Onde: a = coeficiente angular da reta da regressão linear; b = ponto
de interseção no eixo de y (D.O.) e que o ideal é que seja zero ou próximo de
zero.
A amostra de sedimento úmido para a determinação das proteínas foram
segundo de Hartree (1972), modificado por Rice (1982). Onde Adicionar 0,9ml
da solução a (tartarato de sódio e potássio + carbonato de sódio em meio
básico). Agitado em vortex. Colocado em banho maria a 50°c por 10 minutos.
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
34
Adicionado 0,1ml da solução b (sulfato de cobre). Agitado e deixado reagir por
10 minutos à temperatura ambiente. Adicionado 3 ml da solução c (folin).
Colocado em banho maria a 50°c por 10 minutos. Centrifugado por 15 minutos.
Usando pipeta pasteur, pegar 2,5ml do sobrenadante e colocar em cubeta de
vidro óptico com 1cm de caminho óptico. Ler à 650nm em espectrofotômetro
em triplicata. Os resultados foram quantificados em equivalentes de albumina
bovina, fração V, que foi feita a curva padrão.
Cálculo da concentração de proteína em μg.g
-1
de sedimento ou μg.ml
-1
se for amostra líquida: μg PTN.g
-1
de sedimento= {[ ((D.O. – b) / a) x 3,5
(1)
] /
1,0
(2)
} / 1,0
(3)
. Onde:
(1)
volume total da amostra,
(2)
volume da alíquota,
(3)
total
de sedimento ou de água do mar
Equação da Curva Padrão, que deve ser feita mensalmente: D.O. = a
[PTN] + b. Onde: a = coeficiente angular da reta da regressão linear; b = ponto
de interseção no eixo de y (D.O.) e que o ideal é que seja zero ou próximo de
zero.
A amostra de sedimento úmido para a determinação dos carboidratos
foram analisados segundo Gerchacov & Hatcher (1972), modificado de Dubois
et al. (1956). Foi adicionado 1ml da solução de fenol destilado a 5% em água
de qualidade. Agitado em vortex por 1 minuto. Deixado em temperatura
ambiente por 10 minutos. Adicionado 5ml de ácido sulfúrico concentrado bem
lentamente (reação fortemente exotérmica). Centrifugado por 30 minutos. Foi
separado o sobrenadante equivalente a 2,5ml. E determinado a absorbância da
amostra à 485 e 600nm em espectrofotômetro, em triplicata. Os resultados
foram quantificados em equivalentes de glicose, que foi feita a curva padrão.
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
35
Cálculo da concentração de carboidrato em μg.g
-1
de sedimento ou
μg.ml
-1
se for amostra líquida: μg PTN.g
-1
de sedimento= {[ ((D.O. – b) / a) x
3,5
(1)
] / 1,0
(2)
} / 1,0
(3)
. Onde:
(1)
volume total da amostra,
(2)
volume da alíquota,
(3)
total de sedimento ou de água do mar
Equação da Curva Padrão, que deve ser feita mensalmente: D.O. = a
[CHO] + b. Onde: a = coeficiente angular da reta da regressão linear; b = ponto
de interseção no eixo de y (D.O.) e que o ideal é que seja zero ou próximo de
zero.
Lipídeos, carboidratos e proteínas foram convertidos em equivalentes de
carbono (μgC/g), usando os fatores de conversão 0.75, 0.40 e 0.49,
respectivamente. A fração do carbono biopolimérico foi definida como o
somatório dos carboidratos, proteínas e lipídeo (Fabiano et al., 1995).
O carbono orgânico biodisponível (%) foi determinado segundo a
equação [(carbono biopolimérico x 100)/biopolímeros totais)].
O carbono orgânico preservado (%) foi determinado segundo a equação
(100 - carbono orgânico disponível).
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
36
3.4 - DETERMINAÇÃO DAS CONCENTRAÇÕES DE EXOENZIMAS
(ESTERASES)
Compostos fluorogênicos são enzimaticamente transformados em
produtos fluorescentes que podem ser visualizados por microscopia de
fluorescência. A fluoresceína tem a seguinte fórmula e pode ser substituída
com diferentes grupos
2
1
OO
R
O
R
O
O
PM da diacetato de fluoresceína = 416,4
Derivados de fluoresceína podem ser hidrolisados por lipases, esterases
e parcialmente por proteases. A reação pode ser catalisada por todas as
células bem como por umas enzimas extracelulares. Microorganismos, algas,
protozoários e tecidos animais são capazes de catalisar esta reação. Ésteres
de fluoresceína são apolares e podem ser transportados facilmente através da
membrana de células ativas. Em contraste produtos fluorescentes são polares
e permanecem no interior da célula. Portanto, a técnica pode ser usada para
revelar a atividade microbiótica de células em culturas puras e em solos, mas
não esporos ou células na fase estacionária de crescimento.
O sedimento (1g de peso fresco) é colocado em um frasco Erlenmayer
(250mL) e tratado com 19mL de tampão fosfato pH 7.6. Adicionado 100 μL
(0,1ml) de diacetato de fluoresceína (concentração final de 10μg/mL). Fazendo
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
37
branco (controle): amostra + tampão fosfato + 100 μL de acetona. A mistura é
incubada no shaker rotatório a 24
o
C por 75 minutos. Após a incubação a
reação é interrompida, colocando-se os erlenmayers no gelo fundente. Retirada
uma alíquota, colocar em tubo de centrífuga e centrifugar a 3200 rotações/min.
durante 10 a 15 min. Medir a densidade ótica do sobrenadante límpido à 490
nm em espectrofotômetro, em triplicata.
REAGENTES
I - Solução tampão fosfato de potássio pH 7,6
KH2PO4 0,1M - 13.62g/L e NaOH 0,1M - 4g/L
II - Acetona (grau analítico)
III - Solução de diacetato de fluoresceína:
2 mg/mL de acetona, preparado na hora da reação
IV - Solução padrão de fluoresceína
O sedimento (1g de peso fresco) ou amostra líquida
(1,0ml) é colocado em um frasco Erlenmayer (250mL) e
tratado com 19mL de tampão fosfato pH 7.6.
A
dicionar 100 µL (0,1ml) de diacetato
de fluoresceína
(concentração final de (10µg/mL).
A
mistura é incubada no shaker
rotatório a 24
o
C por 75 minutos.
A
pós a incubação, a reação é
interrompida, colocando-se os
erlenmayers no gelo fundente (água +
gelo).
Retirar uma alíquota, colocar em tubo de
centrífuga e centrifugar a 3200
rotações/min durante 10 a 15 min
Medir a densidade ótica do sobrenadante
límpido à 490 nm
Fazer branco (controle):
amostra + tampão fosfato + 100 µL de acetona.
Material e método -
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da Silva, F.S.
38
0,01 mg/mL de acetona, preparado na hora
CURVA DE CALIBRAÇÃO E CÁLCULOS
A relação entre a concentração de fluoresceína e a densidade ótica é
sempre linear, os resultados são expressos em µg de fluoresceína por grama
de peso seco (ou úmido) e por hora.
Cálculo da Equação da reta obtida pela regressão linear: D.O. = a
[fluoresceína] + b. Onde: a = coeficiente angular; b = ponto de interseção no
eixo de y (D.O.); [fluoresceína] = {[(D.O. – b)/a] x 1
***
} x 1000
*
x diluição
**
.
Onde:* para transformar mg em μg; ** se for o caso; *** peso ou volume
da amostra
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
39
3.5 - DETERMINAÇÃO DA ATIVIDADE DO SISTEMA TRANSPORTADOR DE
ELETRÓNS (ASTE)
O método é baseado na mudança de coloração do 2-[(p-iodofenil)-3-(p-
nitrofenil)-5-fenil tetrazolium] como aceptor artificial de elétrons. O produto da
reação, medido a 475 nm, é o INT (cloreto de iodonitrotetrazolium). O método
está fundamentado no fato de que a atividade do sistema transportador de
elétrons (ASTE) das células aeróbias e anaeróbias, é capaz de reduzir o INT
para INT-formazan. O INT funciona, então, como um aceptor artificial de
elétrons, quando o complexo succinato desidrogenase, da cadeia
transportadora de elétrons, é reoxidado. As desidrogenases são enzimas
constitutivas, intracelulares e a atividade está ligada diretamente a respiração
e, consequentemente, é um método que avalia células viáveis e geração de
adenosina trifosfato (ATP). A ASTE existe em organismos aeróbios e
anaeróbios e é freqüentemente usada como um índice do metabolismo e,
portanto, está relacionada com a biomassa. Usualmente a quantificação desta
atividade é feita com o suprimento de doadores de elétrons como o NADH,
NADPH e succinato, obtendo uma análise da atividade potencial da microbiota,
diferente daquela que ocorre em condições naturais. Trevors (1984) realizou
um ensaio incubando INT num meio sem qualquer suprimento de doadores de
elétrons, respeitando as condições naturais e quantificou a atividade real da
microbiota. Davignon & Relexans (1989) fizeram uma modificação no método
de Trevors (1984). Eles estabeleceram uma relação entre o consumo de O
2
e o
INT-Formazan para culturas axênicas de bactérias e com amostras de
sedimento. A justificativa foi que a quantificação de atividades biológicas em
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
40
ecossistemas aquáticos é essencial para o conhecimento de seu
funcionamento e acrescentaram, aos métodos clássicos de medidas de
consumo de O
2
, esta metodologia, expressa como atividade do sistema
transportador de elétrons (ASTE). Neste trabalho, na fase experimental é
usada a estratégia de Trevors (1984), sem o uso de doadores de elétrons, mas
na fase de cálculo é empregado Davignon & Relexans (1989).O resultado
obtido corresponde a atividade atual ou real, pois não é oferecido doadores de
elétrons, como succinato ou NADH.
Pesado 1 g de sedimento úmido em vidro escuro, estéril e com tampa.
Manter uma camada de hidratação na superfície do sedimento (apenas o
menisco). Para cada amostra de sedimento, é aconselhável preparar 3 réplicas
e controle. Adicionado 0,2 ml de solução do INT 8mM. (A solução estoque de
INT deve ser preparada em água deionizada (25 a 50ml), e guardada em
frasco âmbar, na geladeira). Homogeneizar o INT com o sedimento, com o
auxílio de um bastão de vidro. Incubar à temperatura ambiente, protegido da
luz, por 35 minutos. (O INT é fotolábil, logo deve ser manipulado sob baixa
luminosidade, até o momento da leitura em espectrofotômetro). A extração é
feita após decantação (por aproximadamente 5 minutos) descartar o
sobrenadante (porção líquida). Em seguida, adicionar 5 ml de metanol P.A. e
homogeneizar vigorosamente por 30 segundos. Deixar extraindo por 10
minutos e em seguida homogeneizar novamente. Medir a densidade ótica do
sobrenadante límpido à 475 nm em espectrofotômetro, em triplicata.
É importante ressaltar que o INT é solúvel em água e o INT-formazam
solúvel em solventes orgânicos (metanol inclusive). A solução-mãe de INT-
formazam deverá ser feita em 50ml de solução estoque, na concentração de
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
41
0,15mM, diluída em metanol. O frasco deve ser protegido da luz e mantido sob
refrigeração.
CÁLCULO DA ATIVIDADE DA DESIDROGENASE:
ETS= OD/18000 X 22,4/2 X 10
6
/10
3
X diluição/g de sedimento = (µL 0
2
. h
-1
. g
-1
sedimento)
18000 : coeficiente molar de extinção do INT-formazan em metanol
10
6
: fator de conversão de moles em micromoles
10
3
: fator de conversão de litro em mililitro
22,4/2: fator de conversão de moles de oxigênio em litros de oxigênio.
Material e método -
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da Silva, F.S.
42
Pesar 1,0g de sedimento úmido em vidro
escuro, estéril e com tampa. Manter uma
camada de hidratação na superfície do
sedimento (apenas o menisco)
A
dicionar 0,2 ml de solução do INT
8mM.Homogeneizar o INT com o sedimento,
com o auxílio de um bastão de vidro.
Incubar à temperatura ambiente, protegido da
luz, por 35 minutos.
Interrupção da reação
–
adicionar 0,5 ml de
solução de formol a 20 % (1:1 formol P.A.+
água destilada). Homogeneizar bem.
Para cada amostra de sedimento, é aconselhável preparar
3 réplicas. Para cada amostra de sedimento, é
aconselhável preparar alíquotas controle. O controle
receberá todos os reagentes, exceto o INT
A
solução estoque de INT deve ser
preparada em água deionizada de
25 a 50ml, e guardada em frasco
âmbar, na geladeira
O INT é fotolábil, logo deve ser manipulado sob baixa
luminosidade, até o momento da leitura em
espectrofotômetro
(esta etapa deverá ser realizada
somente se a leitura
espectrofotométrica não for realizada
imediatamente, podendo guardá-la até
3 dias sob refrigeração e ao abrigo da
luz ).
Extração - Após decantação (por
aproximadamente 5 minutos) descartar o
sobrenadante (porção líquida), com muito
cuidado. Em seguida, adicionar 5 ml de metanol
P.A. e homogeneizar vigorosamente por 30
segundos. Deixar extraindo por 10 minutos e
em seguida homogeneizar novamente.
continua
Leitura - retirar a porção líquida de cada frasco
e centrifugar por 5 minutos em velocidade
máxima na centrífuga, para a decantação do
material particulado.
Ligar o Spectronic ½ hora antes da leitura, no
comprimento de onda de 475 nm.
OBS: é aconselhável a extração com 10 ml de metanol,
quando a atividade se apresentar alta, a fim de obter
uma melhor faixa de leitura no espectrofotômetro.
Observar se há coloração intensa na solução obtida ou
se o sedimento se originar de local rico em matéria
orgânica. Repetir o processo até obter uma DO . 0,4
Os frascos devem ser equilibrados
dois a dois. Em seguida devem ser
colocados em posição oposta na
centrífuga). Obs.: O INT-formazan
extraído é fotolábil, logo deve-se
manipulá-lo sob baixa luminosidade
até o momento da leitura em
espectrofotômetro.
A
o fazer a leitura, primeiro ler o controle e em seguida
as alíquotas de sedimento correspondentes ao ensaio
da desidrogenase
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
43
3.6 - DETERMINAÇÃO DA ATIVIDADE RESPIRATÓRIA BACTERIANA (ARB)
As amostras foram inoculadas nos tubos rosqueados com os meios de
cultura, todas em triplicata utilizando alça de platina. Os meios de cultura nos
tubos rosqueados eram meios de cultura de aerobiose/fermentação,
desnitrificação e sulfato-redução.
As atividades respiratórias bacterianas de aerobiose e de fermentação
foram realizadas utilizando meios de cultura contendo 2g/L de bactopeptona;
15g/L de Agar em água do mar à 75%; e 0,5mL de azul de metileno (solução
saturada 1g/25mL água).
A desnitrificação foi com o meio de cultura contendo 0,687g/L de
NaNO
2
; 2gL de bactopeptona em água do mar à 75%. Com óleo mineral na
superfície.
A sulfato-redução foi com o meio de cultura contendo 4g/L de lactato de
sódio; 0,1g/L de ácido ascórbico; 0,2g/L de sulfato de magnésio; 0,01g/L de
fosfato dipotássico; 0,2g/L de sulfato ferroso amoniacal; 10g/L de cloreto de
sódio; 0,001g/L de resarzurina sódica; 0,4906g/L de cisteína para 1L água
deionizada (Alef and Nannipieri, 1995).
Material e método -
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da Silva, F.S.
44
Sedimento coletado
inoculação
Meio sólido de Aerobiose /
Anaerobiose
Meio líquido de Sulfato
Redução
Meio líquido de
Desnitrificação
Leitura dos tubos em
quintuplicada, após 96
horas
Material e método -
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da Silva, F.S.
45
3.7 - DETERMINAÇÃO DOS COLIFORMES TOTAIS E COLIFORMES
TERMOTOLERANTES
Foi empregada a técnica dos tubos múltiplos de acordo com a APHA
(1995), para determinação do número mais provável (NMP) de coliformes totais
e termotolerantes por 100 ml. Para cada amostra, foram inoculados em séries
tubos de ensaio com tubos de Duhran, contendo 10 mL de Caldo Lactosado
(Peptona 10g L
-1
, Lactose 10g L
-1
, Bile de boi desidratada 20g L
-1
, Verde
Brilhante 0,0133g L
-1
, pH final 7,2 ± 0,1). Foram utilizadas séries de cinco tubos
para volumes de amostras de 10
1
, 10
0
, 10
-1
, 10
-2
e 10
-3
mL, com um limite de
detecção de 240.000.100 mL
-1
.
Os tubos foram incubados a 37 ºC em estufa por 48 horas. Após esse
período foram considerados positivos para coliformes totais os tubos nos quais
se detectou turvação e presença de gás. A confirmação da presença de
coliformes termotolerantes foi realizada pela semeadura de uma alíquota do
crescimento de cada tubo positivo em tubos de ensaio com tubos Duhran
contendo caldo EC da Merck (Triptona 20g L
-1
, Lactose 5g L
-1
, Sais biliares
1,5g L
-1
, Fosfato dibásico de potássio 4g L
-1
, Fosfato monobásico de potássio
1,5g L
-1
, Cloreto de sódio 5g L
-1
, pH final 6,9 ± 0,1), incubados a 44,5ºC em
banho-maria por até 48 horas, pois cerca de 95 - 99% dos coliformes isolados
de fezes crescem nessa temperatura (Roitman et al., 1987).
Foram considerados positivos para coliformes totais e termotolerantes, os
tubos nos quais se detectou turvação e presença de gás nos tubos de Duhran
em Caldo Lactosado e EC, respectivamente. O cálculo do NMP.100mL
-1
foi
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
46
realizado a partir da combinação de tubos positivos e negativos. Para tanto,
utilizou-se uma tabela baseada na distribuição de Poisson que fornece uma
estimativa da concentração média de coliformes termotolerantes na amostra
(APHA, 1995).
Fluxograma da Técnica do Número Mais Provável (NMP) para quantificação de
coliformes totais e termotolerantes.
Inoculação de volumes
seriados da amostra em
caldo lactosado e
incubação a 37 ºC /24-48
horas (teste presuntivo
p
ara coliformes totais
)
.
Repique das amostras
positivas para caldo EC e
incubação a 44,5 ºC/ 24-48
horas (teste confirmativo
para coliformes
termotolerantes).
Determinação do Número
Mais Provável (NMP) por
tabela estatística a partir
da combinação de tubos
positivos e negativos.
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
47
3.8 - QUANTIFICAÇÃO DAS BACTÉRIAS HETERÓTROFAS TOTAIS (BHT)
Para contagem de bactérias heterótrofas totais foi utilizado o método de
espalhamento em placas contendo Ágar para Contagem em Placa (Plate Count
Agar) (Caseína enzimática hidrolisada: 5g L
-1
, Extrato de Levedura: 2,5g L
-1
,
Dextrose: 1g L
-1
, Agar: 9g L
-1
, pH final 7,0 ± 0,2). Foram utilizadas três séries
de diluição (alíquotas de 1:10, 1:100 e 1:1000), em 3 placas de Petri, para cada
diluição. As diluições foram efetuadas em solução salina estéril (0,85%). As
alíquotas acima citadas, foram semeadas em um ponto da superfície do meio
foram espalhadas com o auxílio de um bastão de vidro em forma de “L” (alça
de Drygalski) e as placas foram incubadas a 24,0 ± 1,0°C. A primeira leitura foi
realizada após 48 horas e a segunda, após sete dias. A leitura foi realizada
através da contagem de colônias existentes na placa e o resultado foi obtido
através da média das contagens das placas que tenham fornecido entre 30 e
300 colônias. A concentração bacteriana foi obtida multiplicando-se a média
das contagens das colônias por diluição pelo inverso da mesma e por 100, uma
vez que o resultado foi expresso em UFC.g
-1
(Unidades Formadoras de
Colônias por g) (APHA, 1995). Os resultados foram comparados com os
encontrados para as bactérias heterótrofas (contagem direta em microscopia
de epifluorescência).
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
48
3.9 - DETERMINAÇÃO DO CARBONO BACTERIANO POR FLUORESCEÍNA
O sedimento (1g de peso fresco) é colocado em um frasco Erlenmayer
(250mL) e tratado com 19mL de tampão fosfato pH 7.6. Adicionado 100 μL
(0,1ml) de diacetato de fluoresceína (concentração final de 10μg/mL). A mistura
é incubada no shaker rotatório a 24
o
C por 75 minutos. Após a incubação a
reação é interrompida, colocando-se os erlenmayers no gelo fundente (água +
gelo). Retira-se uma alíquota de 0,5 ml do erlenmeyer , e transfere-se para um
tubo de ensaio contendo 4,5ml de água deionizada ou destilada (diluição de 10
X). Submete-se o tubo a uma leve homogeneização. Retira-se 2 ml do
conteúdo do tubo e faz-se a filtração com membrana nuclepore preta. Em uma
lâmina previamente limpa com acetona, pingar 1 ou 2 gotas de óleo mineral,
colocar cuidadosamente por cima, a membrana nuclepore preta. Sobre a
membrana pingar mais uma ou duas gotas de óleo mineral. Colocar lamínula,
previamente limpa com acetona, sobre a membrana. Levar ao microscópio de
epifluorescência. Ao selecionar a objetiva de 100X usar sempre o óleo de
imersão. Procura-se o foco com a luz branca, e uma vez selecionado, fecha-se
a passagem de luz branca e abre-se a passagem para a luz fluorescente (azul).
SOLUÇÕES PARA MICROSCOPIA DE EPIFLUORESCÊNCIA COM
DIACETATO DE FLUORESCEÍNA
I - Solução tampão fosfato de potássio pH 7,6 (KH2PO4 0,1M - 13.62g/L,
NaOH 0,1M - 4g/L). Preparar: 50 ml de KH2PO4 0,1M, 42.80ml de NaOH 0,1M
e completar o volume até 100ml (qsp).
II - Acetona (grau analítico)
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
49
III - Solução de fluoresceína diacetato: 2 mg em 1 mL de acetona, preparar na
hora
IV - Solução padrão de fluoresceína: 0,01 mg em 1 mL de acetona
O sedimento (1g de peso fresco) é
colocado em um frasco Erlenmayer
(250mL) e tratado com 19mL de
tampão fosfato pH 7.6.
A
dicionado 100 µL (0,1ml) de
diacetato de fluoresceína
(concentração final de
10µg/mL).
A
mistura é incubada no shaker
rotatório a 24oC por 75 minutos.
A
pós a incubação a reação é
interrompida, colocando-se os
erlenmayers no gelo fundente (água +
gelo).
Retira-se uma alíquota de 0,5 ml
do erlenmeyer, e transfere-se para
um tubo de ensaio contendo 4,5ml
de água deionizada ou destilada.
(diluição de 10 X).
OBS.: Dependendo da
concentração de células
bacterianas, novas diluições
deverão ser realizadas. Submete-
se o tubo a uma leve
homogeneização.
Retira-se 2 ml do conteúdo do
tubo e faz-se a filtração com
membrana nuclepore preta.
Em uma lâmina previamente limpa
com acetona, pingar 1 ou 2 gotas de
óleo mineral, colocar
cuidadosamente por cima, a
membrana nuclepore preta.
Sobre a membrana pingar mais uma
ou duas gotas de óleo mineral.
Colocar lamínula, previamente limpa
com acetona, sobre a membrana.
Levar ao microscópio de
epifluorescência
A
o selecionar a objetiva de 100X
usar sempre o óleo de imersão.
Procura-se o foco com a luz branca ,
e uma vez selecionado , fecha-se a
passagem de luz branca e abre-se a
passagem para a luz fluorescente
(azul).
Material e método -
_____________
da Silva, F.S.
50
3.10 - DETERMINAÇÃO DO CARBONO BACTERIANO POR LARANJA DE
ACRIDINA
O sedimento (1g de peso fresco) é fixado com 1 mL de formol a 4% em
frasco âmbar. Depois de agitado, uma alíquota de 0,5 ml dessa amostra é
então retirada e diluída em 3,5ml de água (diluição de 8X). Uma nova alíquota
de 0,5ml é retirada dessa nova solução e diluída em 1,45 ml de água
deionizada ou destilada e mais 75μl da solução de acridine l′orange (diluição
de 4X). Dessa nova solução retira-se uma alíquota de 2ml que é então filtrada
na membrana nuclepore preta. Em uma lâmina previamente limpa com
acetona, pingar 1 ou 2 gotas de óleo mineral, colocar cuidadosamente por
cima, a membrana nuclepore preta. Sobre a membrana pingar mais uma ou
duas gotas de óleo mineral. Colocar lamínula, previamente limpa com acetona,
sobre a membrana. Levar ao microscópio de epifluorescência. Ao selecionar a
objetiva de 100X usar sempre o óleo de imersão. Procura-se o foco com a luz
branca, e uma vez selecionado, fecha-se a passagem de luz branca e abre-se
a passagem para a luz fluorescente (azul).
SOLUÇÕES PARA EPIFLURESCÊNCIA COM LARANJA DE ACRIDINA
I - H
2
O deionizada ou destilada
II - Solução de laranja de acridina com concentração final de 1,000µ g ml
-1
CÁLCULO DO NÚMERO E DA BIOMASSA DE BACTÉRIAS
Número de células.cm
-3
= X . A . d . 1/a . 1/n . 1/V
Material e método -
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da Silva, F.S.
51
Onde: X = número total de células contadas; A = área do filtro de policarbonato;
d = diluição; a = área do campo; n = número de campos contados; V = volume
da amostra filtrada.
C- biomassa = µg C cm
-3
(fator de 1,2 x10
-14
g C por bactéria) (Carlucci et al.,
1986)
O sedimento (1g de peso fresco) é
fixado com formol a 4% (1mL) em
frasco âmbar. Agitado antes da
análise.
Em uma lâmina previamente limpa
com acetona, pingar 1 ou 2 gotas de
óleo mineral, colocar
cuidadosamente por cima, a
membrana nuclepore preta 0,22 μm
Sobre a membrana pingar mais uma
ou duas gotas de óleo mineral.
Colocar lamínula, previamente limpa
com acetona, sobre a membrana.
Levar ao microscópio de
epifluorescência
Ao selecionar a objetiva de 100X
usar sempre o óleo de imersão.
Procura-se o foco com a luz branca ,
e uma vez selecionado , fecha-se a
passagem de luz branca e abre-se a
passagem para a luz fluorescente
(azul).
Uma alíquota de 0,5 ml dessa amostra
é então retirada e diluída 8X.
Uma nova alíquota de 0,5ml é retirada
dessa nova solução e diluída em 1,45
ml de água deionizada ou destilada e
mais 75µl da solução de laranja de
acridina
Dessa nova solução retira-se uma
alíquota de 2ml que é então filtrada na
membrana nuclepore preta.
Dependendo da concentração de
células bacterianas, novas diluições
deverão ser realizadas.
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
52
4 - BIOAVAILABILITY OF ORGANIC MATTER IN THE SURFICIAL SEDIMENT
OF GUANABARA BAY, RIO DE JANEIRO, BRAZIL.
Anais da Academia Brasileira de Ciências – Submetido (e-mail em anexo)
Frederico Sobrinho da Silva
1*
, José Augusto Pires Bitencourt
2
, Fernanda
Savergnini
3
, Leandro Viana Guerra
3
, José Antônio Baptista Neto
1**
, Mirian
Araújo Carlos Crapez
2***
.
1-PPG em Geologia e Geofísica Marinha, Universidade Federal Fluminense,
Av. Litorânea, s/n, Gragoatá, Niterói, RJ – Brasil – 24210-340. E-mail:
*[email protected] e **[email protected]
2-PPG em Biologia Marinha, Universidade Federal Fluminense, Cx postal:
100.644, Niterói, RJ – Brasil – 24001-970 **E-mail: ***[email protected]
3-PPG em Geoquímica, Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ.
Palavras chave: Composição bioquímica, sedimento, atividade metabólica
bacteriana; matéria orgânica; Baia de Guanabara.
Key-words: Biochemical composition, sediment, metabolic bacterial activity;
organic matter; Guanabara Bay.
Titulo abreviado/running title: Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay
Secção da Academia: Earth Sciences/Ciências da Terra
Autor correspondente/Correspondence to: José Antônio Baptista-Neto
([email protected]); Mirian A. C. Crapez ([email protected])
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
53
Abstract
A total of 30 superficial sediment samples were collected in Guanabara Bay, in
order to identify a new descriptors of the trophic state and environmental quality
of coastal systems, using a biochemical approach applied to the analysis of the
quality and quantity of sedimentary organic matter and metabolic bacterial
activity. The samples were analysed for particle size, levels of organic matter,
levels of protein, carbohydrates, lipids, biopolymers carbon, bioavailable carbon
and bacterial metabolic activity. The results shows a homogeneous special
distribution for the anaerobic bacterial web and the biopolymers
(carbohydrates>lipids>protein). The NE of the bay presented levels of lipids in
the sediments above 1 mg/g, indicative of the input of organic sewer. The
spacial distribution of the superficial sediments in relation to the others variables
did not present significance (p>0,05). The biopolymers and the labile organic
matter show a significant correlation with the average particle size of 80% of the
fine particles. Despite of the availability of the labile organic matter, under the
form of biopolymeric carbon, the available carbon for the trophic web is around
50%. The bacterial consortia formed by sulfate reducing and denitrifying
bacteria, sustain the benthic trophic food web in Guanabara Bay.
Resumo
Foram coletadas 30 amostras de sedimentos superficiais na Baía de
Guanabara, com o objetivo de identificar novos descritores de estado trofico e
qualidade ambiental do ecossistema costeiro, usando análises bioquímicas
para quantificar e qualificar a matéria orgânica sedimentar e o metabolismo
bacteriano. Foram analisados a granulometria, teor de matéria orgânica, teores
de proteínas, carboidratos, lipídeos, cabono biopolimérico, carbono
biodisponível e atividade metabólica bacteriana. Os resultados mostraram uma
distribuição espacial homogênea para a teia bacteriana anaeróbia e os
biopolímeros (carboidratos>lipídeos>proteínas). O NE da Baía apresentou
teores de lipídeos acima de 1 mg/g de sedimento, indicativo de aporte de
esgoto orgânico. A distribuição espacial dos sedimentos superficiais em relação
as variáveis não apresentou significância (p>0,05). Os biopolímeros e a matéria
orgânica apresentaram correlação significativa com a granulometria média de
80% dos finos. Apesar da disponibilidade de matéria orgânica lábil, sob a forma
de carbono biopolimérico, o carbono disponível para a teia trófica está em torno
de 50%. O consórcio bacteriano formado por bactérias sulfato redutoras e
desnitrificantes sustentam a teia trófica bentica da Baía de Guanabara.
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
54
INTRODUCTION
The discharge of excessive nutrients from municipal and industrial waste
waters, urban and agricultural run-off leads to the enrichment of inorganic and
organic material in marine waters. These inputs, resulting in eutrophication,
present one of the major stresses to the marine environment (Meyer-Reil &
Koster, 2000).
Within aquatic ecosystems, bottom sediments have an important function
as an efficient natural trap for diverse substances (including contaminants) and
also as a natural regulator of the processes that occur inside the sea floor. They
can store large amounts of organic matter and affect the oxygen content of
bottom water. Bottom sediments also constitute a source of nutrients for the
water column above them leading to benthic-pelagic coupling and influencing
primary productivity (Jørgensen, 1996).
The sedimentary organic matter in coastal areas is mainly derived from
primary and secondary production within the ecosystem, inputs of terrestrial
material, and bacterial production in the sediments themselves. The relative
importance of these sources is determined by local factors such as climate,
nutrient supply, hydrodynamic conditions and biogeochemistry of water.
Changes in any of these factors, including human disturbance, may then be
reflected in the sedimentary organic matter (Pinturier-Geiss et al., 2002).
Sediments represent a ‘‘recorder’’ of water column processes and are the
final storage for the accumulation of autochthonous and allocthonous organic
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
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da Silva, F.S.
55
matter inputs (Fabiano and Danovaro, 1994). Therefore, extending Nixon’s
concept of organic supply, we can assume that concentration and composition
of the sedimentary organic matter are important indicators of the trophic state of
marine environments (Fabiano et al., 1995; Danovaro et al., 1999).
Marine sediments are intensively colonized by microorganisms (bacteria,
cyanobacteria, fungi, algae; size <<150 μm). Most are organized in bioflms,
complex associations of microbes, immobilized at surfaces and embedded in an
extracellular organic matrix, consisting of extracellular polymeric substances
(EPS) secreted by the cells. By their organization in biofilms, the organisms
create their own microhabitats with pronounced gradients of biological and
chemical parameters. Along these gradients they can use substrates and
energy effectively (Meyer-Reil, 1994). Microorganisms are present in high
numbers in sediments (about 10
10
cells g
-1
d.w.). Their biomass is greater than
the biomass of all other benthic organisms. The cell surface of the microbes by
far exceeds that of all other organisms. Microbes possess a high surface to
volume ratio, indicating their high metabolic activity rates. Dissolved inorganic
and organic substrates can be metabolized with high substrate affinity and
specificity. Particulate organic matter can be decomposed in close contact with
the substrate by hydrolytic enzymes. Beside oxygen, microbes may use
alternative electron acceptors (nitrate, manganese, iron, sulphate, and carbon
dioxide) for the oxidation of organic material. Combined with their logarithmic
growth and short generation times (less than 1 h), microbes possess a high
metabolic potential (Meyer-Reil & Koster, 2000).
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
56
The aim of this investigation is to identify new descriptors of the trophic
state and environmental quality of coastal systems, using a biochemical
approach applied to the analysis of the quality and quantity of sedimentary
organic matter and metabolic bacterial activity.
ENVIRONMENTAL SETTING
Guanabara Bay is in Rio de Janeiro State—Southeast Brazil, between
22°40` and 23°00`S of latitude and 043°00`–043°18`W longitude. It is one of the
largest bays on the Brazilian coastline and has an area of approximately 384
km
2
, including it islands. According to Amador (1980) the coastline of the bay is
131 km long; the mean water volume is 1.87·109 m
3
. The bay measures 28 km
from west to east and 30 km from south to north, but the narrow entrance to
Guanabara Bay is only 1.6 km wide (Kjerfve et al., 1997). Guanabara Bay has a
complex bathymetry with a relatively flat central channel. The channel is 400 m
wide, stretches from the mouth more than 5 km into the bay, and is defined by
the 30 m isobath. The deepest point of the bay measures 58 m and is located
within this channel (Kjerfve et al., 1997). According to the same authors, north
of Rio de Janeiro-Niterói bridge, the channel loses its characteristics as the bay
rapidly becomes shallower, with an average depth of 5.7 m, due to the high
rates of sedimentation, accelerated in the past century by anthropogenic
activities in the catchment area.
Guanabara Bay lies within the tropics of south eastern Brazil, but
because of its coastal location a humid sub-tropical climate with 2,500 mm (high
altitudes) and 1,500 mm (low altitudes) of rainfall prevails between December
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
57
and April. The mean annual temperature is between 20 and 25°C (Nimer,
1989). The drainage basin of Guanabara Bay has an area of 4,080 km2,
consists of 32 separate sub-watersheds (Kjerfve et al., 1997). However, only six
of the rivers are responsible for 85% (JICA, 1994) of the 100 m
3
s
-1
of the total
mean annual freshwater input. Nowadays, 11 million inhabitants live in the
greater Rio de Janeiro metropolitan area, which discharges tons of untreated
sewage directly into the bay. The second largest industrial site of Brazil is found
in this area. There are more than 12,000 industries in the drainage basin which
account for 25% of the organic pollution released to the Bay (FEEMA, 1990).
The bay also hosts two oil refineries along its shore, which processes 7% of the
national oil. At least 2,000 commercial ships dock in the port of Rio de Janeiro
every year, making it the second biggest harbour in Brazil. The bay is also the
home port to two naval bases, a shipyard, and a large number of ferries, fishing
boats, and yachts (Kjerfve et al., 1997).
In the last 100 years the catchment area around Guanabara Bay has
been strongly modified by human activities, in particular deforestation and
uncontrolled settlement, which increased river flow velocities and sediment load
and transport to the bay. Consequently the average rates of sedimentation has
increased to 1–2 cm year
-1
(Godoy et al., 1998).
MATERIALS AND METHODS
In August, November and December 2005, thirty samples of surface
sediment in Guanabara Bay were collected according to 3 transects (1
st
transect: 01, 02, 03, 04, 05, 06, 08, 09; 2
nd
transect: 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16,
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58
17, 18, 19, 20; and 3
rd
transect: 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30), using
Van-Veen Grab sampler to sandy and Eckman sampler to mud sediment
(Figura 1). These samples were stored in sealed polythene bags, conditioned in
ice and taken to the laboratory, where the following analysis were carried out:
The particle size analyses were carried out using a laser particle size
analyzer CILAS1064L (Ziervogel & Bohling, 2003), after organic matter
destruction, and the classified according to the textural classification proposed
by Flemming (2000) in Table 1.
Total organic matter: the calcination method was used and the sediment
samples were conditioned in porcelain crucible which had its weight
determinate previously. After filled with the samples the crucible were weighted
again and taken to a muffle at 450ºC for 24 hours. After that, the weights from
the crucible were taken again so the material organic concentration in the
samples could be obtained by difference between mass (Byers et al., 1978;
Baptista-Neto, et al., 2000; Crapez et al., 2003);
Protein (PRT) analyses were carried out after extractions with NaOH (0.5
M, 4 h) and were determined according to Hartree (1972) modified by Rice
(1982) to compensate for phenol interference. Concentrations are reported as
albumin equivalents. Carbohydrates (CHO) were analysed according to
Gerchacov and Hachter (1972) and expressed as glucose equivalents. The
method is based on the same principle as the widely used method of Dubois et
al. (1956), but is specifically adapted for carbohydrate determination in
sediments. Lipids (LIP). were extracted by direct elution with chloroform and
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methanol and analysed according to Marsh and Wenstein (1966). Lipid
concentrations are reported as tripalmitine equivalents. For each biochemical
analysis, blanks were made with the same sediment samples as previously
treated in a muffle furnace (450°C, 2 h). All analyses were carried out in 3–5
replicates. Protein, carbohydrate and lipid concentrations were converted to
carbon equivalents by using the following conversion factors: 0.49, 0.40 and
0.75 ug of C ug
-1
, respectively (Fabiano and Danovaro, 1994). The sum of
protein, carbohydrate and lipid carbon was referred as biopolymeric carbon
(BPC, sensu Fichez, 1991). And the bioavailable organic carbon was
determined according to the equation: [(total biopolymeric carbon x 100)/total
biopolymers)] (Pusceddu et al., 2004).
The metabolic bacterial activity such as aerobe, facultavive anaerobe,
denitrification and sufate-reduction, was made using methodology described by
Alef & Nannipieri (1995).
The statistic analyses were utilizing 30 sediment samples with the
correlation matrices with the program STATISTICA
©
6.0 (δ = 0,349). The
different stations with their variables were investigated by multivariate (ANOVA)
in order to observe the significant spatial distribution of the samples. The
Ward's method with City-block (Manhattan) distance is distinct from all other
methods because it uses an analysis of variance approach to evaluate the
distances between clusters. In short, this method attempts to minimize the Sum
of Squares (SS) of any two (hypothetical) clusters that can be formed at each
step. This distance is simply the average difference across dimensions. In most
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60
cases, this distance measure yields results similar to the simple Euclidean
distance. However, note that in this measure, the effect of single large
differences (outliers) is dampened (since they are not squared). The analyses
were performed with organic matter, lipid, protein, carbohydrate, biopolymeric
carbon, clay, silt (thin, medium and gross), sand (very thin, thin and medium).
RESULTS AND DISCUSSION
The bottom sediment samples from the Guanabara Bay ranges from clay
to sand, sedimentary textures can comprises from 62,65 to 85,63% of silt, 7,51
to 12,87% of clay and 4,46 to 29,59% of sand. According to the Flemming
(2000) classification the samples from Guanabara Bay were classified into five
main groups: Silt (EI – samples 6 to 9), Extremely silty slightly sandy mud (DI –
samples 1 to 5 and 11 to 16), very silty slightly sand mud (DII – samples 27 to
30), Extremely silty sandy mud (CI – samples 17 to 26) and very silty sandy
mud (CII – samples 27 to 30) (Figure 2). The particle size of the Guanabara Bay
sediments were classified mainly by silty mud, only in samples 9, 12 and 27 to
30 the levels of clay were higher than 10%, the stations 17 to 26 the levels of
fine to very fine sand were higher than 10% and in the samples 27 to 29 the
presence of median sand were higher tha 2,36%.
The hydrodynamic of the bay can explain the textural classification of the
sediment. In Guanabara Bay, from the alignment of Forte Gragoatá to Santos
Dumont´s Airport, the bay widens in the main channel, which reflected in a
reduction of the currents speeds, increasing deposition of fine sediments in both
sides of the channel. Sediments are the primarily clayed-silt and silt-clays
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deposited as a function of the SSW waves and the tidal current. The north and
the center of the bay are characterized by the presence of muddy sediments
These areas are protected from the waves and tidal current actions, and have
very low hydrodynamic energy, accumulating sediments mainly silt and clay
(Kjerfve et al., 1997; Quaresma et al., 2000; Catanzaro et al., 2004; Baptista-
Neto et al., 2006). Ortega-Calvo et al. (1997) showed that the contribution of the
hydrophobic surface to the clay minerals absortion is more significant with
organic matter above 6-8%. The continuous input of organic substance in the
sediment of the Guanabara Bay, reaching the levels mentioned above,
generated anoxic environment, characterized for the low values of the redox
potential.
The organic matter in the surficial sediments ranged between 0,59 –
7,99%. The samples 9, 10, 17 and 20 presented concentrations of organic
matter ≤3,89%. In the samples 14, 15 and ranged between 4-5%, while the
samples 1 to 6, 8, 11, 12 and 26 the organic matter ranged between >5-6%. In
the samples 7, 13, 16, 19, 21 and 25, 27 to 29 were ≥6%. The levels of organic
matter in the sediment shows the highest concentration in the station 28
(8.35%), and the lower concentration in station 30 (0.59%), with the average
value of 5.62% in all the 30 stations in the Guanabara Bay (Tabela 2). The
average levels of organic matter in the superficial sediments of the Guanabara
Bay ranged from 4 to 6%, these values are similar to the results found by
Catanzaro et al. (2004) and Baptista-Neto et al. (2006). In the 30 sediment
samples, the highest levels of organic matter was found in the areas closed to
the Guapimirin APA (a protected environmental area) with 8.4%, where still
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have one of the most protected mangrove area. That way, this mangrove area
contributed more with organic matter to this area than to the northwest of the
bay, where the mangrove system was almost destroyed by the occupation of
the petroleum industrial activities (Mendonça-Filho et al., 2003). However, in the
channel of the Fundão Island, near to the northwest to the bay, were found high
concentrations of organic matter, around 15 – 27% and high load of fine
sediments with high plasticity (Barbosa et al., 2004). Others levels of organic
matter, ranging from 0.97 – 15.35 %, were found in Ubatuba Bay in 38
superficial sediments samples (Burone et al., 2003). Dell`Anno et al. (2002), in
a study in the coast of the Apulian in Italy, had found the total organic matter
varying, along of the year one, between 1.8 – 5.4%.
The organic compounds aggregated on the clays mineral in the water
column, deposited in environments with low oxygen tension, accumulating and
forming a sediment rich in organic matter and sub-oxide and a anoxic conditions
(Premuzic, et al., 1982; Hedges et al., 1997). The biogenic component is
generated in situ externally by biological processes, and includes
microorganisms (bacteria, fungi, protozoans), plankton, decaying remains of
organisms, faecal matter and marine and terrestrial plant debris, or, from a
biochemical standpoint, proteins, carbohydrates, lipids and pigments (Luthy et
al., 1997).
The proteins in the surficial sediments ranged from 0,022 to 0,111 mg.g
-1
(0,05 ± 0,0 mg.g
-1
). In the samples 10 and 30 in the main channel of the bay
and in sample 16 from the mangue channel the values were ≥0,105 mg.g
-1
. The
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carbohydrates ranged between 0,219 – 1,483 mg.g
-1
(0,92 ± 0,3 mg.g
-1
), with
concentrations ≥1,006 mg.g
-1
in the samples 3, 5, 6, 9, 16 and 19, 21 and 26.
The lipids ranged between 0,064 – 1,711 mg.g
-1
(0,60 ± 0,4 mg.g
-1
), with
concentrations ≥1,077 mg.g
-1
in the samples 1, 3, 6, 8 and 16. The carbon
biopolymeric ranged between 0,191 – 1,684 mg.g
-1
, with an average of 0,85 ±
0,4 mg.g
-1
. The samples 1, 3, 5 – 8 and 16 were the samples that presented
values ≥1,088 mg.g
-1
of BPC. In terms of the bioavailable carbon, all the
samples presented an average of 52,84 ± 4,7% (Table 2). The total values
found in this work for carbohydrates, proteins and lipids were similar to the data
from the literature. Pusceddu et al. (1999), in Italy, in the west of the
Mediterranean, found 0,76-70,53 mg of carbohydrates/g in the sediments, 2,16-
12,1 mg of proteins/g in the sediments and 0,26-4,47 mg of lipids/g in the
sediments. Dell’Anno et al. (2002) in the Coast of Apulian (Italy), found the
following values for carbohydrates (4,6 mg/g), proteins (0,37-2,1 mg/g) and
lipids (>1 mg/g). The total biopolymeric carbon in this work was also similar to
the results found in the literature. Pusceddu et al. (1999), found values ranging
from 2,5-36,1 mg C/g in the sediments. However, Dell’Anno et al.(2002) found a
variation of 0,9-6,9 mg C/g in the sediments.
In all the 30 surficial sediments samples stations in Guanabara bay, the
polymers presented an average of 1,57 ± 0,6 mg.g
-1
. The carbohydrates
represent 59% of the biopolimers in the surface sediments, followed by lipids
(38%) and protein (3%). The representative relationships of the biochemistry of
the surficial sediments were not similar to the results found in the literature for
surficial sediments, because in this work it is possible to observe a higher
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percentage of lipids than the protein, with the maintenance of the levels of
carbohydrates. Pusceddu et al. (1999) and Dell’Anno et al. (2002) found the
following relationship CARBOHYDRATES > PROTEIN > LIPIDS. In relation to
the dunctional role of the protein, Dell’Anno et al.(2002) related its to the high
levels of the primary productivity, while Pusceddu et al. (1999) defined as a
limitante factor for the benthic organisms. The higher levels of lipids are
associated with fine sediments from areas with lower hydrodynamics (Kjerfve et
al., 1997, Amador, 1980). Dell’Anno et al. (2002), associated the increase in the
levels of lipids to the increase of depth, which was not verified in our results.
The lipids in Guanabara Bay, it were the most abundant polymers, after the
carbohydrates, due to the association with the hydrophobic organic
micropollutants (HOMs; including halogenated hydrocarbons, plasticisers,
fused-ring hydrocarbons and pesticides) (Turner & Millward, 2002). A raw
sewage input are of the order of 20 m
3
s
_1
(derived from a population of about
7.3 x 10
6
inhabitants) and is a major cause of environmental concern (Feema,
1998). The uneven distribution of non-point sources of sewage has resulted in
pronounced spatial gradients of contamination in water and sediments from the
bay (Kjerfve et al., 1997; Valentin et al., 1999; Crapez et al., 2000; Baptista
Neto et al., 2005; Brito et al., 2006). Carreira et al. (2002 e 2004) e Pinturier-
Geiss et al. (2002), highlighted that the preservation of the lipids in the
sediments were linked with the prevailing anoxic conditions in the sediments.
Dell’Anno et al.(2002) and Pusceddu et al. (1999) also established a
reason protein/carbohydrates, to use as an indicator of the levels eutrophisation
in the coastal systems: mesoligotrophic (proteins <1,5 mg/g; carbohydrates <5
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mg/g), eutrophic (proteins <1,5-4 mg/g; carbohydrates 5-7 mg/g) and
hipertrophic (proteins >4 mg/g; carbohydrates >7 mg/g). Although, several
authors have already indicated a process of eutrophisation in Guanabara Bay,
the biopolymeric reason indicated that the levels still not compared with the
Mediterranean Sea and the index created by Dell’Anno et al.(2002) and
Pusceddu et al. (1999) cannot be applied in the Guanabara Bay estuarine
ecosystem.
The bacterial respiratory activity (Figure 3) indicated that has an
overlapping of the results of aerobe and facultative anaerobe, and only the
samples 2, 26, 27 and 30 had presented aerobic process. Sulphate-reduction
and denitrification, anaerobic processes, also overlapped in almost all the
surficial sediments samples from Guanabara Bay. These results indicated, that
the metabolism responsible for the cycle of the organic matter and nutrient are
effected by an anaerobic bacterial food web, that can use the acceptors of
electrons as nitrogen, iron, manganese and sulphur derived from continental
and coastal erosion, according to Turner & Millward (2002). After the break of
polymer, the monomers and oligomers are carried to inside of the cell, being
available for the oxide-reduction reactions that will culminate in the production
of energy. However the processes of facultative anaerobe, denitrification and
sulfate-reduction produce 50, 100 and 170 kJ/mol, respectively, opposing it
aerobic process, (500 kJ/mol) (Edwards et al., 2005).
Among the anaerobic bacteria, sulfate-reducing bacteria (SRB) have a
important organisms through much of Earth’s 4.6 Ga history. Isotopic evidence
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indicates that sulfate reduction evolved at least 3.7 Ga ago, well before the
evolution of oxygenic photosynthesis and cyanobacteria (Shen & Buick, 2004).
SRB are predicted to facilitate precipitation of calcium carbonate ions in
solution. Theses bacteria impact the pH, because for every sulfate and every
two organic carbons consumed, one calcium carbonate can potentially
precipitate (Baumgartner et al., 2006). The results demonstrated SRB have
been found in all sediments samples of Guanabara Bay because they utilize
electrons acceptors based on energy field: first oxygen, then nitrate/nitrete and
then sulfur compounds (e.g., sulfate, sulfite, thiosulfate and elemental sulfur)
(Krekeler & Cypionka, 1995). SRB and denitrification microorganisms
association could also explain our results. When SRB reduce nitrate/nitrite and
produce ammonia nitrogen, the denitrifying bacteria could carried out its
anaerobic oxidation (anammox), with generation of dinitrogen gas (Shivaraman
& Shivaraman, 2003).
The spatial distribution of the 30 superficial sediment samples in relation
to the variables did not present significance (p> 0,05). In the grouping of the
surface sediment samples, the group A, located in the central channel,
represent the samples with the lower concentrations of organic matter and
polymers. The group B, with the highest distribution in the harbor area,
congregated the samples with carbohydrates 1 mg.g-1 and proteins
equivalents. The group C, located near the drainage basin of the Guapimirim
environmental protected area (APA), shows the samples with the highest
concentration of polymers and organic matter. The group D, northwest of the
bay, which receives the input from the drainage basin of the west zone of Rio
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de Janeiro, shows intermediate values of the organic matter and concentrations
of lipids above 1 mg.g-1 (Figure 4).
The presence of clays presented a well significant correlation with
median and fine silt (r=0,904 and r=0,814). The organic matter, lipids,
carbohydrates and biopolymeric carbon presented a positive correlation with
coarse and median silt (r=0,390, r=0,448; r=0,468, r=0,380; r=0,496; r=0,422
and r=0,470, respectively). The carbohydrates shows a positive correlation with
the very fine sand (r=0,462). Protein had a negative correlation with all the
variables. The organic matter had a positive correlation with carbohydrates and
biopolymeric carbon (r=0,577 and r=0,362, respectively). The lipids and
carbohydrates had a positive correlation as a biopolymeric carbon (r=0,957 and
r=0,561, respectively) (Table 3).
CONCLUSION
The organic matter in the 30 sediment samples presented a
homogeneous spatial distribution for the anaerobic bacterial food web and the
polymers, carbohydrates>lipids>protein. These last ones presented a significant
correlation with the particle size average of the 80% of the fine material. Despite
of the availability of labile organic matter, under the biopolymeric carbon form,
the available carbon for the trophic food web is around 50%.
The bacterial consortia formed by sulfate reducing and denitrifying
bacteria, sustain the benthic trophic food web in Guanabara Bay. The anaerobic
bacterial metabolism, besides producing organic acids, sulphate and loss of
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nitrogen for the atmosphere, has as characteristic the lesser generation of
intracellular energy when compared with the aerobic organism, provoking, in
macro scale, a low cycle of carbon and nutrients in the anoxic sediment.
This picture was generated, gradually, due to the great daily contribution
of untreated sewage or with primary treatment that the bay receives. Thus, this
estuary differs from others coastal systems from the literature, for its levels of
lipids, where in the northwest of the bay it is possible to find levels higher than 1
mg/g. The preservation of the lipids in the sediments, labile molecule, occurs in
function of the linking to the HOMs and metals. These anthropogenic
components include sewage solids, plastics, tar, solvents, surfactants, coal dust
and fly ash, and may occur as discrete particles, or as non-aqueous phase
liquids adhered to or entrapped within the particle matrix.
Analyses of particle size associates with the bacterial metabolism and
the quantification of biopolymeric can be extremely useful tool in the study of
cycle/scaverenge of carbon and nutrients in the marine sediment. Moreover, It
is necessary more similar studies in others Brazilian estuaries, in order to
established levels of biopolymeric indicative of the eutrofization in the tropical
coastal systems.
ACKNOWLEDGEMENTS
To CAPES and LAGEMAR at Universidade Federal Fluminense. To CNPq and
ANP, for financing the Microbiological Marine Biolology Laboratory at
Universidade Federal Fluminense. Thanks to Dr Gilberto T.M. Dias for his help
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during the field work and Msc. Elisamara Sabadini (Departamento de
Geoquímica – UFF) for her help during granulometric analyses.
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da Silva, F.S.
77
FIGURE1: Location map of the study area with the surficial sediment samples.
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
78
SAND
CLAY SILT
S
AII
BIII
CICVI
DVI
EVI EIEIIEIIIEIVEV
DIDIIDIIIDIVDV
CV CIV CIII CII
BIV BIBII
AI
FIGURE 2: Particle size distribution in the surficial sediment from Guanabara
Bay, based in the classification proposed by Flemming (2000).
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
79
FIGURE 3: Metabolic bacterial activity in Guanabara Bay – RJ.
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
80
FIGURE 4: Grouping of samples and parameters.
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
81
TABLE 1: Letter-number codes and descriptive terminology for the 25 textural classes of the ternary diagram for a revised textural
classification of hydrodynamic subdivisions on the basis of sand/silt/clay ratios.
Code Textural Class Code Textural Class
S Sand D-I Extremely silty slightly sandy mud
A-I Slightly silty sand D-II Very silty slightly sandy mud
A-II Slightly clayey sand D-III Silty slightly sandy mud
B-I Very silty sand D-IV Clayey slightly sandy mud
B-II Silty sand D-V Very clayey slightly sandy mud
B-III Clayey sand D-VI Extremely layey slightly sandy mud
B-IV Very Clayey sand E-I Silt
C-I Extremely silty sandy mud E-II Slightly clayey silt
C-II Very silty sandy mud E-III Clayey silt
C-III Silty sandy mud E-IV Silty clay
C-IV Clayey sandy mud E-V Slightly silty clay
C-V Very clayey sandy mud E-VI Clay
C-VI Extremely clayey sandy mud
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
_____________
da Silva, F.S.
82
TABLE 2: Biopolymers, biopolymers carbon and bioavailable carbon in 30 samples of Guanabara Bay.
Biopolymers (mg.g
-1
) Samples OM
(%)
Carbohydrate Lipid Protein Total
Biopolymer carbon
(mg.g
-1
)
Bioavailable carbon
(%)
01 6,01 0,826 1,077 0,04 1,947 1,16 59,6
02 6,19 0,932 0,58 0,06 1,576 0,839 53,2
03 6,50 1,082 1,317 0,05 2,453 1,447 59,0
04 6,72 0,868 0,785 0,05 1,702 0,96 56,4
05 5,37 1,106 0,982 0,04 2,13 1,199 56,3
06 6,35 1,483 1,322 0,05 2,856 1,61 56,4
07 7,06 0,956 0,906 0,05 1,915 1,088 56,8
08 5,83 0,956 1,711 0,04 2,704 1,684 62,3
09 3,50 1,006 0,442 0,06 1,504 0,762 50,7
10 0,76 0,314 0,17 0,11 0,59 0,305 51,7
11 6,13 0,613 0,49 0,04 1,145 0,633 55,3
12 5,33 0,799 0,573 0,05 1,421 0,773 54,4
13 7,72 0,778 0,645 0,06 1,479 0,822 55,6
14 4,82 0,554 0,461 0,03 1,043 0,581 55,7
15 4,95 0,567 0,831 0,05 1,448 0,875 60,4
16 6,09 1,126 1,233 0,11 2,465 1,427 57,9
17 3,89 1,038 0,39 0,05 1,479 0,733 49,6
18 4,40 1,114 0,611 0,05 1,777 0,929 52,3
19 6,20 1,049 0,616 0,02 1,687 0,893 52,9
20 2,08 0,613 0,329 0,06 1 0,521 52,1
21 6,68 1,06 0,446 0,04 1,546 0,778 50,3
22 6,89 1,26 0,24 0,04 1,538 0,702 45,6
23 6,84 1,193 0,277 0,03 1,5 0,7 46,7
24 6,08 1,078 0,252 0,05 1,378 0,644 46,7
25 7,99 1,132 0,27 0,02 1,424 0,666 46,8
26 5,42 1,249 0,274 0,03 1,549 0,718 46,4
27 7,47 0,706 0,281 0,02 1,01 0,504 49,9
28 8,35 0,972 0,226 0,05 1,25 0,584 46,7
29 6,50 0,943 0,339 0,03 1,313 0,646 49,2
30 0,59 0,219 0,064 0,11 0,395 0,191 48,4
Bioavailability of organic matter in Guanabara Bay-
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da Silva, F.S.
83
TABLE 3: Table of correlation between the parameters in 30 samples of Guanabara Bay.
OM LIP PRT CHO BPC CLAY SILT T SILT M SILT G SAND VT SAND T SAND M
OM 1,000
LIP 0,230 1,000
PRT -0,606 0,019 1,000
CHO 0,577 0,298 -0,436 1,000
BPC 0,362 0,957 -0,090 0,561 1,000
CLAY 0,272 0,086 -0,133 0,032 0,080 1,000
SILT T 0,251 0,365 -0,007 -0,038 0,302 0,904 1,000
SILT M 0,390 0,468 -0,152 0,074 0,422 0,815 0,934 1,000
SILT G 0,448 0,380 -0,483 0,496 0,470 0,280 0,268 0,527 1,000
SAND VT 0,162 -0,167 -0,409 0,462 -0,010 -0,334 -0,543 -0,333 0,581 1,000
SAND T 0,054 -0,486 -0,358 0,346 -0,320 -0,262 -0,610 -0,529 0,224 0,868 1,000
SAND M 0,201 -0,580 -0,327 0,117 -0,473 0,300 -0,074 -0,182 -0,213 0,133 0,549 1,000
Bacteriological study in Guanabara Bay- 84
_____________
da Silva, F.S.
5 - BACTERIOLOGICAL STUDY OF THE SUPERFICIAL SEDIMENTS OF
GUANABARA BAY, RJ, BRAZIL.
Brazilian Journal of Oceanography – Aceito após 1°revisão (e-mail em anexo)
Silva, F.S.
1*
; Pereira, D.C.
2
; Sanchez-Nunez, L.
3
; Krepsky, N.
1
; Fontana, L.F.
1
;
Baptista-Neto, J.A.
1
; Crapez, M.A.C**
2
.
1-PPG em Geologia e Geofísica Marinha, Universidade Federal Fluminense,
Niterói, RJ. *E-mail: [email protected]
2-PPG em Biologia Marinha, Universidade Federal Fluminense, Niterói, RJ.
3- Departamento de Biologia Marinha, Universidade Federal do Rio de Janeiro,
RJ.
**Corresponding author: [email protected]
Bacteriological study in Guanabara Bay- 85
_____________
da Silva, F.S.
ABSTRACT
Thirty sediment samples were collected in Guanabara Bay in August,
November and December 2005. The material was analyzed for organic matter,
total and faecal coliforms, heterotrophic bacteria, bacterial respiratory activity,
esterase activity and electron transport system activity. The organic matter in
the superficial sediments (2 cm) ranged from 4 to 6%. The highest level of total
coliforms and faecal coliforms were 1.7 x 10
5
MPN/g and 1.1 x 10
3
MPN/g,
respectively. Heterotrophic bacteria presented the highest values at station 7
(4.1 x 10
6
CFU/g) and the lowest values at station 3 (7 x 10
4
CFU/g). Esterase
enzyme activity showed activity in the sediment of all 30 stations. Electron
transport system activity ranged between 0.047 μL O
2
/h/g and 0.366 μL O
2
/h/g
at six stations. The benthic microbial foodweb is anaerobic. Anaerobic
processes such as fermentation, denitrification and sulphate-reduction are
responsible for the biogeochemical cycles in the sediment of Guanabara Bay.
The input of untreated sewage in the Mangue Channel outflow in Guanabara
Bay has favored the increase of the organic load, and the maintenance of the
total coliforms and faecal coliforms in the sediment. The faecal coliforms have
been reported to be a good indicator of aquatic pollution and organic
contamination in the water column, but total coliforms will be able an ideal
candidate group for sediment quality tests.
RESUMO
Trinta amostras de sedimento foram coletadas na Baía de Guanabara em
agosto, novembro e dezembro de 2005. Foram analisados matéria orgânica,
Bacteriological study in Guanabara Bay- 86
_____________
da Silva, F.S.
coliformes totais e fecais, bactéria heterotrófica, atividade respiratória
bacteriana, atividade de esterase e do sistema transportador de elétrons. A
matéria orgânica no sedimento superficial variou entre 4 e 6%. O maior nível de
coliformes totais e fecais foi 1.7 x 10
5
MPN/g e 1.1 x 10
3
MPN/g,
respectivamente. Bactérias heterótrofas mostraram o maior valor na estação 7
(4.1 x 10
6
CFU/g) e o menor na estação 3 (7 x 10
4
CFU/g). A enzima esterase
mostrou atividade em todos os sedimentos das 30 estações. A atividade do
sistema transportador de elétrons variou entre 0.047 μL O
2
/h/g e 0.366 μL
O
2
/h/g em seis estações. A cadeia microbiana bêntica é anaeróbia. Os
processos como fermentação, desnitrificação e sulfato redução são
responsáveis pelos ciclos biogeoquímicos no sedimento da Baía de
Guanabara. O despejo de esgoto não tratado no Canal do Mangue da Baía de
Guanabara tem favorecido o aumento da carga orgânica e a manutenção de
coliformes totais e fecais no sedimento. Os coliformes fecais são bons
indicadores de poluição e contaminação orgânica na coluna d’água, mas os
coliformes totais também poderão ser um grupo candidato para testes de
qualidade de sedimento.
Descriptors: microbial indicators, organic matter, bacterial respiratory activity,
electron transport system activity, esterase activity, Guanabara Bay.
Descritores: indicadores microbiológicos, matéria orgânica, atividade
respiratória bacteriana, atividade do sistema transportador de elétrons,
atividade de esterase, Baia de Guanabara.
Bacteriological study in Guanabara Bay- 87
_____________
da Silva, F.S.
INTRODUCTION
The complex nature of estuaries derived from the hydrodynamics, the
presence of strong physico-chemical gradients and intricate biological structure
imposes difficulties in forecasting the extension of anthropogenic impacts.
Multidisciplinary approaches, specific sampling strategies as well as multiple
analytical tools and a variety of models have been used to tackle this problem.
During the last century, organic pollution in coastal areas has become a
serious world problem. One of the major stresses comes from the input of
excessive macronutrients, resulting in a change of the trophic status of a given
body of water, which leads to eutrophication. Although the effects of
eutrophication are well known, the mechanisms governing them are poorly
understood. In particular, effects on microbial processes are the key to many
aspects of the functioning of the ecosystem, and are commonly addressed
inadequately (Richardson & Jorgensen, 1996, Meyer-Reil & Köster, 2000).
Bacteria are present in sediments in high numbers (about 10
10
cells/g).
Their biomass is greater than the biomass of all other benthic organisms due to
the structure and function of microbial biofilms. Microbes possess a high
surface to volume ratio, indicating their high metabolic activity rates. Dissolved
inorganic and organic substrates can be metabolized with high substrate affinity
and specificity. Particulate organic matter can be decomposed in close contact
with the substrate by hydrolytic enzymes (Deming & Baross, 1993). Beside
oxygen, microbes may use alternative electron acceptors (nitrate, manganese,
iron, sulphate, and carbon dioxide) for the oxidation of organic material
Bacteriological study in Guanabara Bay- 88
_____________
da Silva, F.S.
(Edwards et al., 2005). Combined with their logarithmic growth and short
generation times, bacteria possess a high metabolic potential, which allows
their use as eutrophication indicators in estuaries.
The aim of the present study was to develop a general understanding of
the effects of anthropogenic activities on a eutrophic tropical estuary, studying
the relationship of bacteria to organic matter in the superficial sediment in 30
points of Guanabara Bay. Organic matter, total and faecal coliform numbers,
bacterial respiratory activity and bacterial enzyme activities, such as electron
transport system activity and esterase activity, were quantified.
MATERIALS AND METHODS
Study area and sampling procedure
Guanabara Bay is one of the largest bays on the Brazilian coastline,
located in Rio de Janeiro State (Figure 1). The bay, including its several islands,
has an area of approximately 384 km
2
and presents a coastline 131 km long
and a mean water volume of 1.87 x 10
9
m
3
(Amador 1980, Kjerfve et al. 1997).
The hydrographic basin extends over 4080 km
2
and includes 45 rivers, 6
of which are responsible for 85% of the runoff (100 ± 59 m
3
/s). The mean half-
water volume renewal time is 11.4 days, although in some parts of the bay it is
significantly higher. Temperature (24.2 ± 2.6°C) and salinity (29.5 ± 4.8 S)
profiles show a well mixed water condition at the mouth of the bay, extending up
to 15–20 km inwards. Thereafter, the system is moderately stratified. A
sandbank located on the ocean side of the bay mouth greatly influences the
inner water circulation due to current channeling (Kjerfve et al., 1997).
Bacteriological study in Guanabara Bay- 89
_____________
da Silva, F.S.
Tides are mixed mainly semidiurnally with a range of 0.7 m, and peak
spring tidal currents reach 0.5 m/s inside the bay and 1.6 m/s near the bay
entrance. The central channel, with depths of 30-40 m and delimited by the 10-
m depth isoline, transports the sand into the bay. The bottom topography is
influenced by tidal currents that drain through the central channel, and by a
strong sediment input. The increase in width after the entrance channel results
in a decrease of tidal current velocities, leading to the deposition of fine sands
and mud. Coarse sands predominate in the central channel and in the regions
near the bay mouth. Extensive mud deposits resulting from the active transport
of clastic material and from intensive primary production are found in the bay’s
northern area (JICA, 1994, Kjerfve et al., 1997).
A strong stratification of dissolved oxygen is observed in areas where
depths are under 10 m. Surface oxygen values reach 300% oversaturation in
the photic zone (≅ 5 m), while bottom (4-5 m) concentrations may stay below 1
ml/L (Rebello et al., 1990).
Approximately 11 million inhabitants live in the Greater Rio de Janeiro
metropolitan area and, as a result of rapid urbanization and population growth,
untreated sewage is discharged directly into the bay. This area is the second
largest industrial region in Brazil and has over 12,000 industries operating along
the Guanabara Bay drainage basin, and these account for 25% of the organic
pollution released into the Bay (FEEMA, 1990). Two oil refineries process 7% of
the national oil and approximately 2,000 commercial ships dock in the port of
Rio de Janeiro every year, making it the second largest harbor in Brazil. The
Bacteriological study in Guanabara Bay- 90
_____________
da Silva, F.S.
Bay is also homeport to two naval bases, a shipyard, and a large number of
ferries, fishing boats and yachts (Kjerfve et al., 1997).
Over the past 100 years, catchment areas around Guanabara Bay have
been greatly modified by deforestation and uncontrolled settlement. These
activities have increased river flow velocities and transport of sediment load,
resulting in a sediment deposition of 1 to 2 cm per year (Godoy et al., 1998).
Guanabara Bay is considered to be one of the most polluted environments on
the Brazilian coastline (Rebello et al. 1986, Vandenberg & Rebello, 1986, Leal
& Wagener 1993, Baptista Neto et al., 2006).
Analytical methods
In August, November and December 2005, 30 samples of undisturbed
surface sediment (2 cm) in Guanabara Bay were collected along 3 transects (1
st
transect: points 01, 02, 03, 04, 05, 06, 08, 09; 2
nd
transect: points 10, 11, 12, 13,
14, 15, 16, 17, 18, 19, 20; and 3
rd
transect: points 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28,
29, 30), using a van-Veen grab sampler for sandy sediment and an Eckman
sampler for mud sediment (Figure 1). These samples were stored during 2
hours in sealed polythene bags, conditioned in ice and taken to the laboratory,
where the following analyses were conducted. The analyses were performed
with 2cm of sediment samples in triplicate.
1- Total organic matter was determined as the difference between dry weight
(60ºC, 24 h) of the sediment and weight of the residue after combustion at
450ºC (2 h) (Byers et al.,1978).
Bacteriological study in Guanabara Bay- 91
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da Silva, F.S.
2- The most probable number (MPN) method was used to estimate abundances
of total coliforms (TC) and faecal coliforms (FC). The Lauryl Triptose Broth
medium is used for presumptive multiple-tube test and the Brilliant Green
Lactose Bile Broth medium is used in the confirmed phase (APHA, 2001).
Heterotrophic bacteria (HB) were cultured on Marine Agar 2216E, at 35ºC for
48 h. Colony counts were converted into CFU/g.
3- Esterase enzyme activity was analyzed according to Stubberfield & Shaw
(1990). This analysis is based on fluorogenic compounds, which are
enzymatically transformed into fluorescent products that can be quantified using
a spectrophotometric assay (490 nm). These enzymes act on biopolymers
(carbohydrates, proteins, lipids) and transform them into low-molecular-weight
products, the assimable organic carbon fraction which is taken up by the viable
bacteria. The results are in μg fluorescein/h/g (wet weight of sediment).
4- Determination of the electron transport system was made according to
Trevors (1984) and Houri-Davignon & Relexans (1989). 2-(p-Iodophenyl)-3(p-
nitrophenyl)-5-phenyl tetrazolium chloride (INT) accepts electrons from
dehydrogenase enzymes and is reduced to a red-colored formazan (INTF),
which can be quantified by colorimetric analysis (475 nm). Trevors (1984) made
an essay incubating INT in a medium with no supply of electron donors,
observing the natural conditions for the quantification of the microbiota’s actual
enzymatic activity. Davignon & Relexans (1989) modified Trevors’s method
(1984), establishing a relation between O
2
consumption and INTF in bacterial
cultures and in sediment samples. Results are thus expressed as electron
transport system activity (μL de O
2
/h/g) (wet weight of sediment).
Bacteriological study in Guanabara Bay- 92
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da Silva, F.S.
5- Bacterial respiratory activity such as aerobic activity, fermentation,
denitrification and suphate-reduction, was analyzed using methodology
described by Alef & Nannipieri (1995). Aerobic, fermentation and denitrification
growth mediuns and sulphate-reduction growth medium contained peptone
(0,2g/L) and sodium lactate (0,2g/L), respectively. Methylene blue solution (0,03
final concentration) and resazurin solution (0,0003% final concentration) were
used as redox indicators in fermentation and sulphate reducing growth
mediums. Durham vials and NaNO
2
(0,687g/L) were utilized in denitrification
growth medium. The results were described as positive or negative.
6- Statistical analyses were performed using Ward's method with City-block
(Manhattan) distance with the program STATISTICA
©
6.0.
RESULTS
The levels of organic matter in the sediment show the highest
concentration at station 28 (8.35%), and the lowest at station 30 (0.59%), with
the average value of 5.62% for all 30 stations in Guanabara Bay (Figure 2).
Total coliforms showed the highest level in the sediment at station 16
(1.7 x 10
5
MPN/g). The average for the other 29 stations was 1.8x10
4
MPN/g
(Figure 2). Station 16 was the only one to present faecal coliforms in the
sediment, with values higher than 1.1 x 10
3
MPN/g. The other stations showed
an average of 3.7x10
1
MPN/g.
Heterotrophic bacteria showed the highest values at station 7 (4.1 x 10
6
CFU/g) and the lowest at station 3 (7 x 10
4
CFU/g), with an average for all
stations of 9.8 x 10
5
CFU/g (Figure 2).
Bacteriological study in Guanabara Bay- 93
_____________
da Silva, F.S.
The distance of Manhattan grouping, utilizing total coliforms, faecal
coliforms and heterotrophic bacteria numbers as parameters, formed two
groups. The first group comprised 6 stations. Station 16 stood apart, because of
its higher number of total and faecal coliforms. The other stations (6, 7, 8, 9 and
23) were characterized by heterotrophic bacteria numbers, with values ranging
from 1.8 x 10
6
CFU/g to 4.1 x 10
6
CFU/g. The second group, comprising the
other 24 stations, was also characterized by heterotrophic bacteria, whose
values are below 1.3 x 10
6
CFU/g (Figure 3).
Bacterial esterase enzyme activity was present in the 30 sediment
samples. The highest value was obtained at station 18 (4.69 μg fluorescein
/h/g), and the lowest at station 24 (1.25 μg fluorescein/h/g). The average for this
activity was 3.20 μg fluorescein /h/g. Stations 1, 2, 6, 12, 16 and 18 showed
levels above 4.0 μg fluorescein /h/g (Figure 2).
Electron transport system activity ranged between 0.047 μL O
2
/h/g and
0.366 μL O
2
/h/g at stations 8, 9, 10, 23, 24 and 30. Values were lower than
0.047 μL O
2
/h/g at stations 4, 11, 14, 17, 20, 25, 27, 28 and 29. Activity was
lower than the method’s detection threshold at stations 1, 2, 3, 5, 6, 7, 12, 13,
15, 16, 18, 19, 21, 22 and 26, corresponding to 50% of all sediment samples
collected (Figure 2).
The distance of Manhattan grouping, utilizing esterase enzyme activity
and electron transport system activity as parameters, formed two groups. The
first had a higher electron transport system activity and lower values of esterase
activity (stations 4, 7, 8, 9, 10, 14, 19, 23, 24 and 30). The second group is
divided in two blocks: the first one had low electron transport system activity
Bacteriological study in Guanabara Bay- 94
_____________
da Silva, F.S.
and intermediate esterase activity (stations 3, 5, 11, 13, 15, 17, 20, 21, 22, 25,
26, 27, 28 and 29). The second had high esterase activity, whereas electron
transport system activity was not detected (1, 2, 6, 12, 16 and 18) (Figure 4).
The redox potential in the sediment samples ranged between -120 mV
and -465 mV. The distance of Manhattan grouping, utilizing the parameter
bacterial respiratory activity, formed 5 groups. Group A was characterized by
bacteria either growing aerobically or fermentatively (stations 3 and 5). The B-
group was characterized by aerobic, fermentation, denitrification and sulphate-
reduction respiratory activities (stations 2, 4, 11, 13, 14, 15, 17, 19, 26, 27, 28,
30). Groups C, D and E did not show aerobic processes. Group C was
characterized by fermentation, denitrification and sulphate-reduction processes
(stations 10, 16, 18, 20, 25 and 29). Group D was characterized by the
denitrification and sulphate-reduction processes (stations 6, 8, 12, 21, 22 and
24). Group E was characterized only by the denitrification process (stations 1, 7,
9 and 23) (Figure 5).
DISCUSSION
Average levels of organic matter in the superficial sediments from
Guanabara Bay ranged from 4 to 6%. Of all 30 sediment samples, the highest
levels of organic matter (8.4%) were found in the areas close to the Guapimirim
APA (a protected environmental area), which encloses one of the bay’s most
protected mangrove areas. This mangrove area contributed more with organic
matter to this area than to the northwest part of the bay, where the mangrove
system was nearly wiped out by petroleum-related industrial activities. These
Bacteriological study in Guanabara Bay- 95
_____________
da Silva, F.S.
values are similar to the results found by Mendonça-Filho et al. (2003),
Catanzaro et al. (2004), and Baptista-Neto et al. (2006). However, Barbosa et
al. (2004), sampling the Fundão Island Channel, near the northwestern part of
the bay, found high concentrations of organic matter (~15 – 27%) and a high
load of fine sediments with high plasticity. Other organic matter levels, ranging
from 0.97 – 15.35 %, were found in Ubatuba Bay, Brazil, in 38 superficial
sediment samples (Burone et al., 2003). Dell’Anno et al. (2002), on the Apulian
coast of Italy, found total organic matter varying, along one year, from 1.8 to
5.4%.
In Guanabara Bay, along the line stretching from Gragoatá Fort to
Santos Dumont airport, the bay widens into the main channel, which results in a
reduction of the currents speeds, increasing deposition of fine sediments on
both sides of the channel. Sediments are primarily clayed-silt and silt-clays
deposited as a function of the SSW waves and the tidal current. The north and
center parts of the bay are characterized by the presence of muddy sediments.
These areas are protected from the waves and tidal current action, and have
very low hydrodynamic energy, accumulating mainly silty and clay sediments
(Kjerfve et al., 1997; Quaresma et al., 2000; Catanzaro et al., 2004; Baptista-
Neto et al., 2006).
According to Hedges et al. (1997; Premuzic et al., 1982), in Guanabara
Bay the organic compounds aggregated on the clay minerals in the water
column have been deposited in sediment with low oxygen tension, forming a
sediment rich in organic matter and sub-oxide and with anoxic conditions.
These conditions favor the adaptation, biomass increase and spatial distribution
Bacteriological study in Guanabara Bay- 96
_____________
da Silva, F.S.
of anaerobic bacterial populations in Guanabara Bay sediments, except in the
sediment samples located in the southwest and central channel, where aerobic
bacteria occurred. These anaerobic populations are living in consortia in the bay
sediment, with physiological interaction among all groups, as already noted by
Meyer-Reil & Koster (2000) for the southern Baltic Sea. The depletion of oxygen
levels is one of the effects of the eutrophication impact, preventing the aerobic
organisms from remaining in this region (Diaz & Rosenberg, 1995). It can thus
be stated that the microbial foodweb in the 30 anoxic sediment samples from
Guanabara Bay is constituted by anaerobic bacteria.
The continuous input of organic substances in the Guanabara Bay
sediment, reaching the levels mentioned above, results in the organic matter
cycling being carried out by the consortia of heterotrophic bacteria, whose
numbers are two orders of magnitude below the minimum values found by
Osterreicher-Cunha et al. (2003), which ranged from 10
7
to 10
9
CFU/g.
Total coliforms and faecal coliforms were present in greatest numbers in
the Mangue Channel outlet, which is one of the main sewage outlets for the city
of Rio de Janeiro (10
5
and 10
3
MPN/g, respectively). In spite of the number of
incipient studies that deal with the maintenance of faecal bacteria in sediment
samples, results were significant in relation to the literature found and
evidenced the contamination of an important area of Guanabara Bay, located
near the center of Rio de Janeiro. Costa & Carreira (2005) showed that the
distribution of E. coli in sediments from Botafogo Sound in Guanabara Bay was
240 MPN/g. The largest concentrations of total coliforms (654 MPN/g) and E.
coli were detected in the sand under seaweed in Biscayne Bay, Miami (Shibata
Bacteriological study in Guanabara Bay- 97
_____________
da Silva, F.S.
et al., 2004). The absence of faecal coliforms far from the sewage outfall may
be attributed to low survival rates (Martins et al., 2005).
Total coliforms are made up of several enterobacteria that can occur not
only in the intestinal tract of homeothermic animals, but also in soils and waters.
The large amount of total coliforms found in the inner part of the estuary lead us
to believe that many of these enterobacteria occurred as autochthonous
microflora in the environment, or developed in soils and waters and were taken
to the inner part of the estuary mainly by rivers. On the other hand, the retention
of water inside the bay caused by flood and full tides could also propitiate an
increase in the number of these organisms in that region. Faecal coliforms, on
the contrary, are organisms that are obligatorily symbiotic with homeothermic
animals and occur exclusively in their intestinal tract and, in marine conditions,
population decay starts in 5 hours (Kolm et al., 2002).
Hydrolysis of organic matter biopolymers was carried out by anaerobic
bacteria, whose esterase enzymes are active in the superficial sediment of
Guanabara Bay. However, in 50% of the sediment samples, no electron
transport system activity was detected. These results indicate that the anoxic
environmental conditions of Guanabara Bay sediments are not favoring aerobic
diagenesis of organic matter. Electron transport system activity in the
denitrification and sulphate reduction processes was low. Such processes are
energetically less efficient than aerobic respiration, and the bacteria performing
them are more restricted in the carbon substrates they can utilize (Relexans et
al., 1966; Fenchel et al., 1988; Edwards et al., 2005). Crapez et al. (2001) found
0.54 μg fluorescein/h/g of esterase activity and 0.31 μL O
2
/h/g of electron
Bacteriological study in Guanabara Bay- 98
_____________
da Silva, F.S.
transport system activity in sand beach sediments from Boa Viagem Beach
(Guanabara Bay). Crapez et al. (2003) showed that esterase activity presented
a different pattern once it reached a maximum of 0.17 μg fluorescein/h/g in the
winter and electron transport system activity reached a maximum of 7.48 μL
O
2
/h/g in the summer in the sediments from Boa Viagem Beach (Guanabara
Bay). Esterase activity and electron transport system activity were highest in
samples from Niterói Harbor (Guanabara Bay/S.E.), 3.63 μg fluorescein/h/g and
3.38 μL O
2
/h/g, respectively (Baptista-Neto et al., 2004).
The predominance of anaerobic diagenesis in Guanabara Bay sediments
is also inferred from geochemical and geological studies. Mendonça-Filho et al.
(2003) verified that the fluorescence coloration of the organic compounds and
high levels of organic matter indicated a high level of preservation and a low
level of free oxygen. The seismic record also showed acoustic anomalies,
produced by the processes of anaerobic decomposition of organic matter
(Quaresma, et al., 2000). Catanzaro et al. (2004) described this type of anomaly
as “acoustic curtains” in the northwest area of the bay. Carreira et al. (2002 and
2004) found high concentrations of coprostanol in the sediments samples,
preserved under anaerobic conditions. Eichler et al. (2003) and Vilela et al.
(2004), studying the foraminifera distribution in Guanabara Bay, found species
typical of environments with low concentrations of oxygen and high levels of
anthropogenic organic matter.
The environmental quality legislation (CONAMA 274/2000 and 357/2005)
contemplates only the study of the water column. However, Dell’Anno et al.
(2002) have explained that sediments represent a "recorder" of water column
Bacteriological study in Guanabara Bay- 99
_____________
da Silva, F.S.
processes, and are the final storage place for the accumulation of
autochthonous and allochthonous organic matter. Despite the fact that the
majority of the classifications of environmental systems are established based
on water quality, the authors have shown that the water column can be
characterized by oligotrophic conditions while the sediment is eutrophic.
CONCLUSIONS
The high levels of organic matter in the Guanabara Bay sediment are
linked to a continuous input of sewage and industrial effluents, making the
superficial sediment suboxic to anoxic.
The benthic microbial foodweb is anaerobic, with a greater number of
bacteria in the Mangue Channel outlet and in northwestern Guanabara Bay. In
other regions, the anoxic condition of the sediment have not favored the
maintenance of bacterial numbers and bacterial enzymatic activities of organic
matter diagenesis.
There are aerobic bacteria in the southwest region and the central
channel of the bay, raised on Marine Agar 2216E medium. These populations
are responsible for the aerobic diagenesis of organic matter still occuring in the
bay.
Anaerobic processes like fermentation, denitrification and sulphate-
reduction are responsible for the biogeochemical cycles in the sediment of
Guanabara Bay. This statement is supported by the low activity of the electron
transport system, which is energetically less efficient in anaerobic respiration.
Out of the 30 sediment samples studied, those from northeastern Guanabara
Bacteriological study in Guanabara Bay- 100
_____________
da Silva, F.S.
Bay are the most worrying from the standpoint of organic matter diagenesis,
since bacterial populations utilize existing carbon and energy sources only with
the processes of denitrification and sulphate-reduction.
The sewage input from the Mangue Channel outlet in Guanabara Bay
has favored the increase of the organic load and the survival of the total
coliforms and faecal coliforms in the superficial sediments. Total coliforms in the
sediment are also good indicators of pollution and organic contamination.
ACKNOWLEDGEMENTS
The authors would like to thank CAPES, LAGEMAR at Universidade Federal
Fluminense, and CNPq and ANP for financially supporting the Universidade
Federal Fluminense’s Microbiological Marine Biolology Laboratory.
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Figure1: Map of the study area showing location of the superficial sediment
samples.
Bacteriological study in Guanabara Bay- 109
_____________
da Silva, F.S.
Figure 2: Organic matter, total coliforms, cultivated bacteria, esterase enzyme
and electron transport system activity in the sampled stations.
Bacteriological study in Guanabara Bay- 110
_____________
da Silva, F.S.
16
8
7
9
23
6
30
12
27
20
5
4
25
17
10
15
14
13
3
26
21
28
18
22
11
24
29
19
2
1
0
2E6
4E6
6E6
8E6
1E7
1,2E7
1,4E7
Linkage Distance
Figure 3: Manhattan grouping of total coliforms, faecal coliforms, cultivated
heterotrophic bacteria.
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14
Linkage Distance
Figure 4: Manhattan grouping of esterase enzyme and electron transport
system activity.
5
3
19
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13
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10
Linkage Distance
A
E
DC
B
Figure 5: Manhattan grouping of bacterial respiratory activity in the sampled
stations.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -111
_____________
da Silva, F.S.
6 - GEOMICROBIOLOGY OF TWO SEDIMENT CORES FROM JURUJUBA BIGHT -
GUANABARA BAY – SE BRAZIL.
Estuaries – Submetido
Frederico Sobrinho Silva
1
, Estefan Monteiro Fonseca
1
, Elisamara Sabadini dos Santos
2
,
João Graciano Mendonça-Filho
3
, Mirian Araújo Carlos Crapez
4
, José Antônio Baptista-
Neto
1
1-PPG em Geologia e Geofísica Marinha, Instituto de Geociências, Universidade Federal
Fluminense. E-mail: [email protected]
/ [email protected]
2-PPG em Geoquímica, Instituto de Geociências, Universidade Federal Fluminense.
3- PPG em Geologia, Instituto de Geociências, Universidade Federal do Rio de Janeiro.
4- PPG em Biologia Marinha, Instituto de Biologia, Universidade Federal Fluminense. E-
mail: [email protected]
KEYWORDS:
sediment; biochemical composition; esterase enzymes; bacterial respiratory activity;
geomicrobiology.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -112
_____________
da Silva, F.S.
ABSTRACT
The aim of this work was to quantify the biopolymers associated to esterase enzymes and
identify the bacterial respiratory activity in two cores collected in Jurujuba Bight,
Guanabara Bay, Rio de Janeiro State. Biopolymer concentrations were 1000 times less
than reported in the literature, rendering necessary the creation and establishment of new
eutrophication levels indices more compatible with Brazilian coastal systems. The
biochemical representative relationship in the cores was equivalent to the results reported
in works carried out in the Northern Hemisphere for coastal marine environments. The
esterase enzymes in the sediment proved to be efficient in the mineralization of
biopolymers, even with preferentially anaerobic metabolism. Despite the fact that
geomicrobiology studies are incipient, this study’s results indicate the possible application
of microbiology for providing a better understanding of the geological processes involved.
INTRODUCTION
Estuaries are among the world’s most productive systems, and therefore
autochthonous biological production is a major source of organic materials to sediments.
However, estuarine sediments are also preferential sites of accumulation of particles of
marine and terrestrial origin (Mayer et al., 1988; Cifuentes, 1991). In addition, in
anthropised estuaries, waste inputs may strongly influence the amount and quality of
materials arriving at sediments. Therefore, the abundance and composition of organic
materials in estuarine sediments depend on a complex combination of factors, which
involves sources and physicochemical processes occurring in overlying water layers and
in the sediment itself.
Formation of sediments in the marine environment which contain substantial
amounts of organic matter consists in varied and complex processes involving multiple-
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -113
_____________
da Silva, F.S.
source parameters from terrestrial and marine ecosystems. Organic matter exists in
particulate and dissolved forms within a given water column. Initially this organic matter
consists of all the major classes of naturally occurring organic compounds such as sugars,
amino acids, pigments, phenolic substances, lipids, polypeptides, polysaccharides, and
other constituents of living organisms. During the sedimentation process, only a small
portion of the initial organic matter reaches the bottom (Premuzic et al., 1982). The
survival of organic compounds during sedimentation depends on a number of parameters
including their chemical stability, biochemical usefulness, oxygen concentration and their
interaction with clay minerals.
After sedimentation, organic particles are equally subjected to a continuous
degradation and mixing process, at the same time that the deposition of other materials
continues (Colombo et al., 1996). Thus, environmental and biological factors such as the
depth of the water column, the resuspension events, the concentration of dissolved
oxygen, primary production or the metabolic activity of benthic organisms may be
fundamental in accounting for the quantity and quality of the organic bulk of sediments
(Emerson et al., 1985; Cowie & Hedges, 1992; Danovaro et al., 1999; Fiordelmondo &
Pusceddu, 2004). The organic particles’ own oxidation capacity will also influence their
distribution and transformation (Relexans et al., 1992). Organic compounds and clays
processing through and subsequently settling in a low-oxygen environment will accumulate
and form sediment-enriched unoxidised organic matter (Demaison & Moore, 1980).
Finally, although a part of the settled organic matter may return to the water column, a
fraction will remain as a sedimentary record (Tselepides et al., 2000).
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -114
_____________
da Silva, F.S.
The aim of this work was to characterise organic matter, total organic carbon, sulfur,
biopolymers and grain size of two sediment cores from Jurujuba Bight, establishing the
relationship of these parameters to the metabolism and enzymatic bacterial activity.
ENVIRONMENTAL SETTING
Guanabara Bay is located in Rio de Janeiro State – Southeast Brazil, between
22°40` and 23°00`S latitude and 043°00`–043°18`W longitude. It is one of the largest bays
on the Brazilian coastline and has an area of approximately 384 km
2
, including its islands.
According to Amador (1980), the bay coastline is 131 km long, and the mean water
volume 1.87x10
9
m
3
. The bay measures 28 km from west to east and 30 km from north to
south, but the entrance to Guanabara Bay is only 1.6 km wide (Kjerfve et al., 1997). The
Bay has a complex bathymetry with a relatively flat central channel, which is 400 m wide,
stretches more than 5 km into the bay, and is defined by the 30-m isobath. The bay’s
deepest point (58 m) is located within this channel (Kjerfve et al., 1997). According to the
same authors, north of the Rio de Janeiro - Niterói Bridge the channel loses its
characteristic features, as the bay rapidly becomes shallower, with an average depth of
5.7 m, due to the high rates of sedimentation, accelerated in the past century by
anthropogenic activities in the catchment area.
Guanabara Bay lies within the southeastern Brazil tropics, but because of its coastal
location a humid sub-tropical climate with 2,500 mm (high altitudes) and 1,500 mm (low
altitudes) of rainfall prevails between December and April. The mean annual temperature
is between 20 and 25°C (Nimer, 1989). The drainage basin of Guanabara Bay has an area
of 4,080 km
2
and consists of 32 separate sub-watersheds (Kjerfve et al., 1997). However,
only six of the rivers are responsible for 85% (JICA, 1994) of the 100 m
3
s
-1
of the total
mean annual freshwater input. Nowadays, 11 million inhabitants live in the greater Rio de
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -115
_____________
da Silva, F.S.
Janeiro metropolitan area, which discharges tons of untreated sewage directly into the
bay. Brazil’s second largest industrial site is found in this area. There are more than
12,000 industries located in the drainage basin, which account for 25% of the organic
pollution released into the Bay (FEEMA, 1990). The bay also hosts two oil refineries along
its shore, which process 7% of the national oil. At least 2,000 commercial ships dock in the
port of Rio de Janeiro every year, making it the second biggest harbour in Brazil. The bay
is also the homeport to two naval bases, a shipyard, and a large number of ferries, fishing
boats, and yachts (Kjerfve et al., 1997).
In the last 100 years the catchment area around Guanabara Bay has been strongly
modified by human activities, in particular deforestation and uncontrolled settlement, which
increased river flow velocities and sediment load and transport to the bay. Consequently,
the average rates of sedimentation have increased to 1–2 cm year
-1
(Godoy et al., 1988).
Jurujuba Bight is located in Niterói Municipality, on the eastern margin of
Guanabara Bay. The Bight ranges in depth from 5 to 7 m at its entrance to 3 to 4 m at the
centre. The Bight is surrounded by a small, steeply sloping catchment that is typical of
many bays along the southeastern coast of Brazil. In places, the lower slopes of this
catchment are still mantled by deeply weathered regolith with a protective cover of
secondary coastal rainforest. In contrast, many of the upper slopes comprise bare rock
that was stripped of regolith during the late Pleistocene through fluvial incision related to
sea-level lowering. However, since the linking of Niterói to Rio de Janeiro by a road bridge
in 1974, there have been extensive deforestation and rapid urbanisation of the catchment
which triggered widespread erosion. A further unfortunate side-effect of this urbanisation
has been the widespread, uncontrolled discharge of untreated sewage and street runoff
directly into the nearshore environment (Baptista-Neto et al., 2000).
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -116
_____________
da Silva, F.S.
MATERIAL AND METHODS
In July and October 2005, two sediment cores varied in length from 2.45 m (T1,
22°55’25.6”S and 043°06’34.6”W) to 2.15 m (T2, 22°55’11.2”S and 043°06’11.9”W) were
collected in Jurujuba Bight, Guanabara Bay, Rio de Janeiro State, SE Brazil (Figure 1).
The sampled cores were sliced into the following intervals (T1: 0-10, 30-35, 70-75, 100-
105 and 240-245 cm; T2: 0-10, 30-35, 40-45, 50-55, 70-80, 100-110, 140-145 and 210-
215 cm). These samples were stored in sealed polythene bags, conditioned in ice and
taken to the laboratory, where the following analyses were carried out.
The particle size analyses were carried out using a laser particle size analyzer
CILAS1064L, after organic matter destruction, and classified according to the textural
classification proposed by Flemming (2000) at Table 1.
Total organic matter was determined by the calcination method. The sediment samples
were conditioned in a porcelain crucible which had its weight determined previously. After
being filled with the samples, the crucible was weighed again and placed in a muffle at
450ºC for 24 hours. After that, the crucible was weighed again so the material organic
concentration in the samples could be obtained by calculating the difference between
masses (Byers et al., 1978; Baptista-Neto et al., 2000; Crapez et al., 2003).
The total organic carbon and sulfur were extracted from the sediment samples with
dicloromethane and ultrabight bath. Measurements were taken using a carbon and sulfur
analyzer LECO SC 144 (Mendonça-Filho et al., 2003).
Protein (PRT) analyses were carried out after extraction with NaOH (0.5 M, 4 h) and were
determined according to Hartree (1972), modified by Rice (1982) to compensate for
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -117
_____________
da Silva, F.S.
phenol interference. Concentrations are reported as albumin equivalents. Carbohydrates
(CHO) were analysed according to Gerchacov & Hachter (1972) and expressed as
glucose equivalents. The method is based on the same principle as the widely used
method of Dubois et al. (1956), but is specifically adapted for carbohydrate determination
in sediments. Lipids (LIP) were extracted by direct elution with chloroform and methanol
and analysed according to Marsh and Wenstein (1966). Lipid concentrations are reported
as tripalmitine equivalents. For each biochemical analysis, blanks were made with the
same sediment samples previously treated in a muffle furnace (450°C, 2 h). All analyses
were carried out in 3–5 replicates. Protein, carbohydrate and lipid concentrations were
converted to carbon equivalents by using the following conversion factors: 0.49, 0.40 and
0.75 ug of C ug
-1
, respectively. The sum of protein, carbohydrate and lipid carbon was
referred to as biopolymeric carbon (BPC) (Fabiano & Danovaro, 1995), and the
bioavailable organic carbon (%) was determined according to the equation: [(total
biopolymeric carbon x 100)/total biopolymers)]. The unavailable organic carbon (%) was
determined according to the equation: (100 - total biopolymeric carbon).
Esterase enzyme activity was analysed according to Stubberfield & Shaw (1990). It is
based on fluorogenic compounds which are enzymatically transformed into fluorescent
products that can be quantified using spectrophotometric assay. These enzymes act on
biopolymers and transform them into low-molecular-weight organic carbon. The results are
given in μg fluorescein/h/g of sediment.
Electron transport system activity was done using the Trevors (1984) and Houri-Davignon
& Relexans (1989) methods, based on dehydrogenase enzyme activities. These enzymes
provide equivalents for ATP synthesis (third phosphate adenosine) in the electron
transport systems. Results from this assay are given in μL O
2
/h/g of sediment.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -118
_____________
da Silva, F.S.
The metabolic bacterial activity such as aerobic, facultative anaerobic, denitrification and
sufate-reduction, was analysed using methodology described by Alef & Nannipieri (1995).
The most probable number (MPN) method was used to estimate abundances of total
coliforms (TC) and faecal coliforms (FC). A sample of sediment from each sample was
weighed asceptically and serial dilutions were prepared using phosphate buffered water.
The MPN method used ten dilution series with five tubes in each dilution. Dilutions were
inoculated in different culture media according to the target microbial indicator. The
number of positive results from each dilution series was recorded and converted to MPN
using a standard reference table (APHA, 1995). The 95% confidence intervals for each
MPN value were also obtained. Final results for all indicators were reported as MPN per
1g of dry sediment. Colony counts of heterotrophic bacteria (HB) were incubated on the
plates at 35ºC for 48 h. Colony counts were converted into CFU/g (APHA, 1995).
HBC – heterotrophic bacteria were enumerated by epifluorescent microscopy (Axiosp 1,
Zeiss, triple filter Texas Red – DAPI – fluorescein isotiocianate, 1,000 X magnification) and
using the fluorochrome fluorescein diacetate and UV-radiation (Kepner & Pratt, 1994).
Carbon biomass (μg C/g) data were obtained using the method described by Carlucci et
al. (1986).
The statistic analyses utilized the core sediment samples and the parameters.
Ward's method with city-block (Manhattan) distance differs from all other methods
because it uses an analysis of variance approach to evaluate the distances between
clusters. In short, this method attempts to minimize the sum of squares (SS) of any two
(hypothetical) clusters that can be formed at each step. This distance is simply the
average difference across dimensions. In most cases, this distance measurement yields
results similar to the simple Euclidean distance. However, note that in this measurement,
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -119
_____________
da Silva, F.S.
the effect of single large differences (outliers) is dampened (since they are not squared).
The analyses were performed on all analyses used in this study.
RESULTS
The first core (T2), with length of 215 cm, is formed by a black fluid mud from the
top to a depth of 30 cm, and a grey mud below this depth. Plan-parallel laminations and
compact mud with rare presence of shell fragments were found from the top of the core to
64 cm and from under this depth to the bottom of the core, respectively. The second core
(T1), 245 cm long, is also formed by black fluid mud from the top to a depth of 20 cm and
by a more compact grey mud from under 20 cm to the bottom. A bioturbation process
seems to occur at 35 cm and compact mud with rare presence of shell fragments occurs
between 93-245 cm. A dark-green inclined mud layer occurs between 50 and 60 cm in the
middle of the light gray mud (Figure 2).
The core sediment samples ranged from clay to sand, sedimentary textures
comprised from 79.76 to 85.63% of silt, 7.9 to 10.35% of clay and 4.46 to 11.46% of sand.
In core T1, silt average was 84.13±0,11%, clay average 8.9±0.51%, and sand average
6.96±0.48%. In core 2, averages were 83.02±2.42% for silt, 9.39±0.87% for clay and
7.58±3.12% for sand.
According to the classification by Flemming (2000), the samples from the cores
were classified as very silty slightly sandy mud (DII) and slightly clayey silt (EII) (Figure 3
and Table 1).
The organic matter (OM) in the sediment cores ranged from 0.92 to 1.60%. In core
1 the average was 1.6±0.14% (Table 2), and in core 2, 1.2±0.21% (Table 3).
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -120
_____________
da Silva, F.S.
The total organic carbon (TOC) ranged from 1.71 to 5.04%, the sulfur (S) from 0.54
to 1.35%. In core 1, TOC was 3.18±1.69% and S 0.72±0,15% (Table 2). In core 2, the
values were 2.86±1.16% for TOC and 0,86±0,32% for S. In core 2, between 50-55 cm,
there occurred similar values found in the top of the sediment core for OM and TOC (Table
3).
The carbohydrates in the sediment core T1 ranged between 280 and 855 μg/g. The
concentration was the same at the center of the core and decreased between 240 – 245
cm (Table 2). A decrease in carbohydrates was observed at the top of core T2 (0-10 cm),
where the average concentration was 446±124.72 μg/g below 10 cm of depth (Table 3).
Protein concentrations in core T1 ranged from 264 μg/g in the bottom to 401μg/g on
top, with an average value of 333±333.72 μg/g. The protein profile in the sediment core T2
had a strong decreasing trend and the concentration in the first 10 cm was two times
higher than at the top of core T1 (Table 2).
Lipid concentrations in core T1 ranged from 192 μg/g at the top (0-10 cm) to the
bottom value of 20 μg/g (240-245 cm), with an average concentration of 80±71.10 μg/g
(Table 2). Core T2 showed a decreasing trend in two steps, the first from the top to 40-45
cm, and the second from 50-55 cm to the bottom of the core. The average lipid
concentration in core T2 was 90±99.75 μg/g (Table 3).
The biochemistry representation of biopolymers in core T1 was 57% for
carbohydrates, followed by proteins (36%) and lipids (9%). The same representation was
found in core T2, except for the content of proteins (43%), which was as high as the
carbohydrates (49%), followed by lipids (8%).
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -121
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da Silva, F.S.
The highest values for biopolymeric organic carbon were observed at the top of
both cores, 660 and 802 μgC/g, in T1 and T2, respectively (Tables 2 and 3). The average
concentrations were 447±148.91 and 445±160.31 μgC/g in cores T1 and T2, respectively.
The bioavailable carbon ranged from 45.7 to 50.6 % in core T1, with an average of
48.1± 2,2%. In core T2, it ranged between 44.17 and 50.57%, with an average of 46.74±
2.55%. The unavailable carbon ranged from 49.9 to 54.3% in core T1, with an average of
51.9± 2.2%. In core T2 it was between 49.4 and 55.8% with an average of 53.26± 2.55 %
(Tables 2 and 3).
The esterase enzymes were responsible for the breakdown of biopolymers. The
enzymatic activity showed a decreasing trend from the top of core T1 (4316 μg
fluorescein/h/g) to the bottom (0.73 μg fluorescein/h/g), with an average of 1.74 μg
fluorescein/h/g (Table 4). The enzymatic activities in core T2 were not as high as in core
T1 and showed the same decreasing trend in two steps of lipid profile. The activity of the
transporting electron system was not detected at any depth of either core.
The bacterial respiratory activity was representative of the organic matter
degradation present at each depth of both cores, and was indicative of bacterial
physiology. Aerobic and anaerobic processes, like fermentation, sulfate-reduction and
denitrification, occurred in core T1 from the top to 35 cm depth. From the top to 105 cm
depth facultative aerobic bacteria were found in this core (Table 4). In core T2, anaerobic
processes occurred at all depths. Aerobic and fermentative processes started at 30-45 cm
and sulfate-reduction was not detected after [below?] 100-105 cm (Table 5).
Total coliforms (TC) ranged from 0.001x10
3
to 5x10
3
MPN/g, faecal coliforms (FC)
were not detected and heterotrophic bacteria (HB) ranged between 0.078x10
3
and 1.1x10
5
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -122
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da Silva, F.S.
CFU/g in core T1. In core T2, TC ranged from 0.008x10
3
to 9x10
3
MPN/g. FC was
detected from the top to 40-45 cm depth at the same concentration of 0.2 MPN/g. HB
ranged between 5.9x10
3
and 2.6x10
6
CFU/g in this core.
The number of viable cells that were metabolically actable in the environment varied
between 4x10
5
and 3x10
6
cell/g in core T1. In core T2, cell number ranged from 5x10
5
to
1x10
6
cell/g, with a higher number of viable bacteria from the depth of 70-80 cm. The
viable bacterial carbon (BC) ranged between 0.004 and 0.036 µg/g in core T1, with an
average of 0.016± 0.01 µg/g. In core T2, it varied from 0.005 to 0.051 µg/g, with an
average of 0.029± 0.01 µg/g.
Parameter analysis utilizing Ward’s method and Manhattan distance showed two
groups. The first group was formed by total coliforms (TC) and the source of the available
carbon in the sediment, such as biopolymers (BP), carbohydrates (CHO), proteins (PRT)
and biopolymeric carbon (BPC). The second group was formed by esterase enzymes
(EST) linked to the lipids (LIP) and to viable bacterial carbon (BC), as well as to organic
matter (OM), total organic carbon (TOC) and to the mineral constituents (Figure 4).
The analyses of core samples utilizing Ward’s method and Manhattan distance
yielded two groups. The first group was formed only by the sample from the top of core T2.
The second group was subdivided into a sample from 50-55 cm of core T2 and another
subgroup containing all other samples (Figure 5).
DISCUSSION
Grain size was characterized according to the Flemming classification (2000) in two
groups: very silty slightly sand mud and slightly clayey silt. Baptista-Neto et al. (2000)
showed that sediment characteristics indicate clear differences in the sedimentary
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -123
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da Silva, F.S.
dynamics of Jurujuba Bight, which can be used to divide it into four distinct zones. The
cores were sampled in zone three, classified as protected from waves and tidal current
action, with very low-energy hydrodynamics characterized mainly by clays. Baptista-Neto
et al. (2006) showed that Guanabara Bay is dominated by organic-muddy sediments.
Jurujuba Bight is similar to other Guanabara Bay areas, where the sediments are primarily
clayed-silt and silt-clays deposited as a function of the SSW waves and the tidal current,
characterized by the presence of muddy sediments (Kjerfve et al., 1997; Quaresma et al.,
2000; Catanzaro et al., 2004; Baptista-Neto et al., 2006).
The organic matter in the core sample sediments ranged between 0.92 and 1.6%.
The highest values obtained in the superficial core samples are very low and differ from
other superficial sediments reported in the literature. Baptista-Neto et al. (2000), studying
Jurujuba Bight, found organic matter values ranging from >2 to <5 %. Catanzaro et al.
(2004; Baptista-Neto et al. 2006) studied 30 surface sediment samples and the highest
levels of organic matter were found in the areas close to the Guapimirim Enviromental
Protection Area (8.4%), which still boasts one of the most protected mangrove areas in the
bay. This mangrove area thus contributed more organic matter to the bay than the bay’s
northwest region, where the mangrove system has almost been destroyed by petroleum-
related industrial activities (Mendonça-Filho et al., 2003). However, in the Fundão Island
channel, near the northwestern part of the bay, high concentrations of organic matter
(around 15 – 27%) and a high load of fine sediments with high plasticity (Barbosa et al.,
2004) were found. Other levels of organic matter, ranging from 0.97 to 15.35 %, were
found in Ubatuba Bay in 38 superficial sediments samples (Burone et al., 2003). Dell’Anno
et al. (2002) studied the Apulian coast in Italy and found total organic matter varying
between 1.8 and 5.4% in the course of a monitored year.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -124
_____________
da Silva, F.S.
In cores T1 and T2, the TOC ranged from 1.42 to 5.04%, which are similar to
surface sediments values found in the literature. Eichler et al. (2003) analyzed 26
superficial sediment samples all over Guanabara Bay and found values of TOC from 0.018
to 5.763%, with the highest values found in areas of lower circulation. Vilela et al. (2003)
found values of TOC ranging from 0.05 to 4.81% in 42 superficial sediment samples from
Guanabara Bay. Mendonça-Filho et al. (2003) found TOC varying between 0.04 and 6.1%
in 25 superficial sediment samples from Guanabara Bay and 4.14% in Jurujuba Bight. The
same authors suggested that the superficial sediment with TOC similar to 4% characterize
a desoxic-anoxic environment with a high preservation tax in Guanabara Bay. Burone et
al. (2003) found TOC values between 0.12 and 2.81% in Ubatuba Bay. Higher values
(>2%) were found in the water column under 5-10 m, where the silt grain size
predominated.
Sulfur ranged between 0.48 and 1.35%. These values were higher than the values
found in 38 samples from Ubatuba Bay – São Paulo State (0.01-0.48%). Values higher
than 0.20% occurred in the central area of the bay below > 5 m depth and were correlated
to the TOC (Burone et al., 2003).
Carbohydrate, protein and lipid values in the core samples were similar to the
values found in the literature. Pusceddu et al. (1999) found carbohydrate, protein and lipid
concentrations ranging from 0.76-70.53 mg/g, 2.16-12.1 mg/g and 0.26-4.47 mg/g,
respectively, in the western Mediterranean. Dell’Anno et al. (2002) found similar
carbohydrate, protein and lipid values in the Apulian Coast (Italy). Biopolymeric carbon
was also a thousand times lower than reported in the literature. Pusceddu et al. (1999)
found values varying between 2.5-36.1 mg C/g. However, Dell’Anno et al. (2002) found
values between 0.9-6.9 mg C /g.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -125
_____________
da Silva, F.S.
The biochemical relationship representative of biopolymers in both cores
(carbohydrates > proteins > lipids) was equivalent to that reported in the literature for
superficial sediments (Pusceddu et al., 1999; Dell’Anno et al., 2002). These authors also
established a relationship between protein and carbohydrate levels indicative of coastal
systems’ eutrophication: meso-oligotrophic (proteins <1.5 mg/g; carbohydrates <5 mg/g),
eutrophic (proteins <1.5-4 mg/g; carbohydrates 5-7 mg/g) and hyper-trophic (proteins >4
mg/g; carbohydrates >7 mg/g). Lee et al. (2004) demonstrated that carbohydrate and lipid
levels were normally preserved up to 12 cm of the sedimentary column in the Equatorial
Pacific Ocean, reaching 20% and 25%, respectively. In relation to the functional role of
proteins, Dell’Anno et al. (2002) related their high values to primary productivity, while
Pusceddu et al. (1999) define them as a limiting factor to benthic organisms. Lee et al.
(2004) linked protein to bacterial activity in the particulate materials, and their
concentration can increase with depth because they have been preserved in lipidic
matrices.
The average available and unavailable carbon was 50%. It is a function of organic
matter that initially escapes remineralization due to rapid sinking, encapsulation, and
aggregation or surface-association that may be enzymatically inaccessible in depths for
the bacterial comunities (Lee et al., 2004). This occurs with the adsorption of organic
compounds onto a mineral matrix, and it has been suggested that organic matter in
association with mineral material beyond that equivalent to a mono-layer coating might be
due to its isolation from oxygen (Crapez, 2007; Lee et al., 2004).
The biopolymers hydrolysis was done by aerobic and anaerobic bacteria at the top
of both cores. At the bottom of the cores, the aerobic bacteria were in latency and
biopolymer hydrolysis was done by aerobic and facultative anaerobic bacteria. Production
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -126
_____________
da Silva, F.S.
of monomers and oligomers by hydrolyzing was carried inside the cell, being available for
the oxide-reduction reactions that produce energy (Fenchel et al., 1988; Meyer-Reil &
Koster, 2000). Esterase presented high values in the top of the core, demonstrating
intense microbiological activity. Studying the amorphous organic matter in the sediments
of Guanabara Bay, Mendonça-Filho et al. (2003) also demonstrated the occurrence of
intense microbial activity. The results of esterase and its averages in the core were similar
to the results found in the literature for eutrophic environments. Electron transport system
activity was not detected, which could be explained by the anaerobic source of metabolic
energy utilized by the bacteria, such as anaerobic facultative bacteria, denitrification and
sulfate reduction, which produce 50, 100 and 170 kJ/mol, respectively. The bacterial
aerobic process produces 500 kJ/mol (Edwards et al., 2005). Crapez et al. (2001) found
0.54 μg fluorescein/h/g of esterase activity and 0.31 μL O
2
/h/g of electron transport system
activity in sand beach sediments from Boa Viagem Beach (Guanabara Bay). Crapez et al.
(2003) showed that esterase activity presented a different pattern once it reached a
maximum of 0.17 μg fluorescein/h/g in the winter and electron transport system activity
reached a maximum of 7.48 μL O
2
/h/g in the summer in sediments from Boa Viagem
Beach (Guanabara Bay). Esterase activity and electron transport system activity were
highest in samples from Niterói Harbour (Guanabara Bay/S.E.), 3.63 μg fluorescein/h/g
and 3.38 μL O
2
/h/g, respectively (Baptista-Neto et al., 2005). Esterase enzymes varied
between 1.25 and 4.69 μg fluorescein/h/g in 30 surface sediments samples from
Guanabara Bay, and the average was 3.20 μg fluorescein/h/g (Silva et al., in press).
Total coliforms ranged from 0.001x10
3
to 9.0x10
3
MPN/g and faecal coliforms only
occurred between the top and 40-45 cm in core T2. Costa and Carreira (2005) showed
that the distribution of E. coli in Botafogo Bight sediments in Guanabara Bay was 240
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -127
_____________
da Silva, F.S.
MPN/g. Total coliforms and faecal coliforms presented the highest amount in the Mangue
Channel outlet, which is one of Rio de Janeiro’s main sewage outlets (10
5
MPN/g and 10
3
MPN/g, respectively) (Silva et al,. in press). The largest concentration of total coliforms
(654 MPN/g) and E. coli to date have been detected from the sand under seaweed in
Biscayne Bay (Miami) (Shibata et al., 2004). Total coliforms were 10
3
MPN/g in Admiralty
Bay (Antarctica). The absence of faecal coliforms far from the sewage outfall may be
attributed to low survival rates (Martins et al., 2005). Total coliforms are made up of
several enterobacteria that can occur not only in the intestinal tract of homothermal
animals, but also in soils and waters. Although the population density was small, the large
amount of total coliforms found in the inner part of the estuary lead us to believe that many
of these enterobacteria occurred as autochthonous microflora in this environment, or
developed in soils and waters and were taken into the estuary mainly by rivers. On the
other hand, the repression of water inside the bay caused by the flood and full tides could
also propitiate an increase in the number of these organisms in the region. Faecal
coliforms, on the contrary, are organisms that are obligatorily symbiotic with homothermal
animals and occur exclusively in their intestinal tract, and can survive for more or less time
in the aquatic environment (Kolm et al., 2002).
Bacterial carbon values varied between 0.004 and 0.051 μgC/g, which was low
when compared to other studies carried out in Guanabara Bay. Crapez et al. (2001) found
a bacterial carbon variation between 1.962 and 2.640 μgC/g in Boa Viagem Beach.
However, it is interesting to compare the numbers of viable and metabolically active
bacteria (10
5
-10
6
) with heterotrophic bacteria (10
4
-10
5
). The latter were an order of
magnitude lower than metabolically active bacteria and total coliforms. The viable bacteria
comprised in the group of facultative anaerobic bacteria were responsible for the
diagenesis of organic matter along the cores, and more of them exist in latent form.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -128
_____________
da Silva, F.S.
CONCLUSION
The fine grain size of the bottom sediments from Jurujuba Bight was linked to the low
water circulation as in the case of other areas in Guanabara Bay with similar
characteristics.
The total organic carbon characterizes the environment of the Bight as desoxic-anoxic,
with high levels of sulfur indicating the major presence of viable anaerobic microbial web
along the cores.
Organic matter diagenesis, measured by active esterase enzymes that degraded the
biopolymers along the two cores, was performed by anaerobic bacteria, which represented
the most expressive biomass among bacteria communities.
The presence of the total and faecal coliforms from the top to 45 cm depth indicated
that resuspension was an important process redisponibilizing this community for the water
column. It would thus be appropriate to establish it as a parameter for balneability analysis.
Biopolymer concentrations were similar to the results found in the northern
hemisphere. However, the carbon biopolymer concentrations were 1,000 times lower and
evidence the need for establishing new trophic evaluation indices for tropical coastal
systems.
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Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -136
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Figure 1: Location of the study area, Jurujuba Bight, with location of the cores
(Guanabara Bay – Rio de Janeiro – SE Brazil).
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -137
_____________
da Silva, F.S.
FIGURE 2: Description of the cores
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -138
_____________
da Silva, F.S.
FIGURE 3: Particle size distribution in the core sediments from Jurujuba Bight in
Guanabara Bay, based on the classification proposed by Flemming (2000).
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -139
_____________
da Silva, F.S.
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
TC
BP
BPC
PRT
CARBO
EST
LIP
UAC
BAC
SILT
TOC
FC
BC
S
OM
SAND
CLAY
FIGURE 4: Grouping of parameters using Ward’s method and Manhattan distance.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -140
_____________
da Silva, F.S.
0
1e6
2e6
3e6
4e6
5e6
T20-10
T250-55
T230-35
T270-80
T130-35
T2210-215
T2100-110
T1240-245
T1100-105
T2140-145
T170-75
T240-45
T10-10
FIGURE 5: Grouping of samples using Ward’s method and Manhattan distance.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -141
_____________
da Silva, F.S.
TABLE 1: Letter-number codes and descriptive terminology for the 25 textural classes of
the ternary diagram for a revised textural classification of hydrodynamic subdivisions on
the basis of sand/silt/clay ratios.
Code Textural Class Code Textural Class
S Sand D-I Extremely silty slightly sandy mud
A-I Slightly silty sand D-II Very silty slightly sandy mud
A-II Slightly clayey sand D-III Silty slightly sandy mud
B-I Very silty sand D-IV Clayey slightly sandy mud
B-II Silty sand D-V Very clayey slightly sandy mud
B-III Clayey sand D-VI Extremely layey slightly sandy mud
B-IV Very clayey sand E-I Silt
C-I Extremely silty sandy mud E-II Slightly clayey silt
C-II Very silty sandy mud E-III Clayey silt
C-III Silty sandy mud E-IV Silty clay
C-IV Clayey sandy mud E-V Slightly silty clay
C-V Very clayey sandy mud E-VI Clay
C-VI Extremely clayey sandy mud
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -142
_____________
da Silva, F.S.
TABLE 2: Organic matter, total organic carbon, sulfur, biopolymers, biopolymer carbon, bioavailable and unavailable carbon in T1
core samples from Jurujuba Bight.
Biopolymers (μg.g
-1
)
Core Samples OM
(%)
TOC
(%)
S
(%)
Carbohydrate Protein Lipid Total
Biopolymer
carbon
(μg.g
-1
)
Bioavailable
carbon
(%)
Unavailable
carbon
(%)
0-10 0.92 5.04 0.73 875 337.27 192.14 1404.41 659.37 49.6 50.4
30-35 0.96 4.92 0.98 527.80 401.44 128.88 1058.09 504.47 48.8 51.2
70-75 1.28 2.58 0.65 545.80 264.52 27.86 838.22 368.84 45.7 54.3
100-105 1.07 1.97 0.61 573.60 390.55 29.56 993.72 442.98 50.6 49.4
T1
240-245 1.05 1.42 0.65 280.60 274.82 20.37 575.75 262.16 46.0 54.0
Median 1.06
±0.14
3.18
±1.69
0.72
±0.15
560.60
±211.40
333.72
±63.40
80
±71.10
974,04
±304.04
447.57
±148.91
48.1
±2.2
51.9
±2.2
OM – organic matter; TOC – total organic carbon; S – sulphur.
TABLE 3: Organic matter, total organic carbon, sulfur, biopolymers, biopolymer carbon, bioavailable and unavailable carbon in in T2
core samples from Jurujuba Bight.
Biopolymers (μg.g
-1
)
Core Samples OM
(%)
TOC
(%)
S
(%)
Carbohydrate Protein Lipid Total
Biopolymer
carbon
(μg.g
-1
)
Bioavailable
carbon
(%)
Unavailable
carbon
(%)
0-10 1.22 4.39 0.98 654.17 697.22 265.27 1617 802.26 49.61 50.4
30-35 1.10 3.67 1.09 366.67 456.43 120.03 943 460.34 48.82 51.2
40-45 1.05 1.99 0.77 269.44 290.94 19.69 580 265.11 45.71 54.3
50-55 1.21 4.16 1.35 434.72 423.49 215.61 1074 543.11 50.57 49.4
70-80 1.09 3.43 1.14 437.50 402.71 49.63 890 409.55 46.02 54.0
100-105 1.39 1.81 0.58 570.83 402.71 14.59 988 436.60 44.19 55.8
140-145 1.60 1.78 0.48 493.75 321.92 16.97 833 367.97 44.17 55.8
T2
210-215 0.95 1.71 0.54 345.83 248.20 21.73 616 276.25 44.85 55.2
Median 1.20
±0.21
2.86
±1.16
0.86
±0.32
446.61
±124.72
405.45
±137.76
90.40
±99.75
942.51
±322.22
445.15
±160.31
46.74
±2.55
53.26
±2.55
OM – organic matter; TOC – total organic carbon; S – sulfur.
Geomicrobiology of cores in Guanabara Bay -143
_____________
da Silva, F.S.
TABLE 4: Bacterial carbon, total coliform, faecal coliform, heterotrophic bacteria, metabolism bacterial activity and esterase activity in
T1 core samples from Jurujuba Bight.
MBA Core Samples
(cm)
BC
(ug/g)
TC
(MPN/g)
FC
(MPN/g)
HB
(CFU/g)
A F DN SR
EST
(ug fluorescein/h/g)
0-10 0.013 5x10
3
ND 4.5x10
4
P P P P 4316.13
30-35 0.036 0.9x10
3
ND 1.1x10
5
P P ND P 2.40
70-75 0.013 0.023x10
3
ND 3.9x10
3
P P ND ND 2.37
100-105 0.012 0.160x10
3
ND 0.078x10
3
P P ND ND 1.46
T1
240-245 0.004 0.001x10
3
ND 0.270x10
3
P ND ND ND 0.73
BC – bacterial carbon; TC – total coliforms; FC – faecal coliforms; HB – heterotrophic bacteria; MBA – metabolism bacterial activity; EST – esterase enzymes; A
– aerobic bacteria; F – facultative anaerobic bacteria; DN – denitrification; SR – sulfate reduction; P – positive; V – variable; ND – not detected.
TABLE 5: Bacterial carbon, total coliforms, faecal coliforms, heterotrophic bacteria, metabolism bacterial activity and esterase activity
in T2 core samples from Jurujuba Bight.
MBA Core Samples
(cm)
BC
(ug/g)
TC
(MPN/g)
FC
(MPN/g)
HB
(CFU/g)
A F DN SR
EST
(ug fluorescein/h/g)
0-10 0.019 9.0x10
3
0.2 2.6x10
6
ND ND P P 5.49
30-35 0.023 3.0x10
3
0.2 2.0x10
5
V V P P 1.92
40-45 0.015 0.9x10
3
0.2 5.7x10
4
V V P ND 1.44
50-55 0.005 0.9x10
3
ND 5.3x10
5
P P P V 3.39
70-80 0.051 1.7x10
3
ND 1.3x10
5
P P P V 3.46
100-105 0.043 0.09x10
3
ND 1.2x10
4
P P P ND 0.82
140-145 0.037 0.024x10
3
ND 5.9x10
3
P P V ND 0.13
T2
210-215 0.040 0.008x10
3
ND 1.6x10
4
P P ND ND 0.00
BC – bacterial carbon; TC – total coliforms; FC – faecal coliforms; HB – heterotrophic bacteria; MBA – metabolism bacterial activity; EST – esterase enzymes; A
– aerobic bacteria; F – facultative anaerobic bacteria; DN – denitrification; SR – sulfate reduction; P – positive; V – variable; ND – not detected.
Conclusão -
___________________
da SILVA, F.S.
144
7 - CONCLUSÃO
As taxas elevadas de matéria orgânica no sedimento da Baía de
Guanabara estão ligadas ao aporte contínuo de esgoto e efluentes industriais,
gerando sedimento superficial anóxico. A distribuição da matéria orgânica é
homogênea na baía, com média de 5%. Nos locais de maior hidrodinâmica,
próximos a influência do canal central e presença de areias, houve uma queda
no percentual da matéria orgânica (0,60%). Nos testemunhos, a matéria
orgânica ficou em torno de 1% em todas as profundidades.
A granulometria é também homogênea, caracterizada como lama silto-
arenosa em toda a baía. Os testemunhos ficaram caracterizados como
sedimento siltoso bem homogêneo, característicos de locais com baixa
hidrodinâmica segundo a classificação de Flemming.
O carbono orgânico total caracteriza o ambiente da enseada como
desóxico-anóxico, com elevados teores de enxofre, corroborando a presença
majoritária de teia microbiana anaeróbia viável ao longo dos testemunhos.
Os valores de carbono bacteriano ficaram bem abaixo de outros estudos
na Baía de Guanabara. Entretanto, apesar da profundidade dos testemunhos,
as bactérias viáveis, compreendendo o grupo das bactérias anaeróbias
facultativas, são responsáveis pela diagênese da matéria orgânica, existindo
ainda um número expressivo de bactérias latentes no sedimento.
A atividade transportadora de elétrons (ASTE) não foi detectada nas
amostras de sedimento superficiais e dos testemunhos, em função da teia
bacteriana anaeróbia, cuja produção de energia é bem menor que a aeróbia.
Conclusão -
___________________
da SILVA, F.S.
145
Contudo, a atividade das enzimas esterases, responsáveis pela de quebra de
polímeros, foi bem alta nos sedimentos superficiais e nos testemunhos, sendo
que nos testemunhos houve queda da atividade conforme a profundidade.
Assim mesmo em anaerobioses, as bactérias mantêm a atividade metabólica
de quebra da matéria orgânica.
O metabolismo respiratório bacteriano nas amostras de sedimento
superficial se mostraram regidos por bactérias facultativas anaeróbias,
desnitrificantes e sulfato-redutoras, em quase todas amostras. No testemunho
ocorreu a presença de processos anaeróbios (fermentação, sulfato-redução e
desnitrificação) e a zona de ocorrência da aerobiose se situa até
aproximadamente a metade do testemunho. Depois, até a base do testemunho,
ficou caracterizado o metabolismo de bactérias facultativas e aeróbias, que
provavelmente estavam em latência.
O despejo de esgoto no Canal do Mangue da Baía de Guanabara tem
favorecido o aumento da carga orgânica, com a manutenção de coliformes
totais e coliformes fecais no sedimento. A presença de coliformes totais e
fecais até 45 cm de profundidade no testemunho, reforça a necessidade de se
estabelecer este parâmetro para análise de balneabilidade, devido à
ressuspensão dos sedimentos que redisponibiliza esta comunidade para a
coluna d´água.
A relação representativa da bioquímica dos biopolímeros não segue os
equivalentes da literatura nos sedimentos superficiais, pois ocorre a
manutenção dos teores de carboidratos, seguido de um maior percentual de
lipídeos que o de proteínas. O noroeste da Baía apresentou teores de lipídeos
Conclusão -
___________________
da SILVA, F.S.
146
com valores acima de 1 mg/g de sedimento. A preservação dos lipídeos no
sedimento está ligada à mudança estrutural da molécula, em função da ligação
destas moléculas aos metais, uma vez que as enzimas bacterianas são
constitutivas e deveriam reconhecer essas moléculas. Os processos
bacterianos existentes são anaeróbios, propiciando um ganho energético muito
menor na ciclagem da matéria orgânica existente nos sedimentos. A
disponibilidade dos compartimentos da matéria orgânica biopolimerica está
reduzida em 50%, sob a forma de carbono, que ocorre em função da forte
correlação com os finos do sedimento. No testemunho, a relação
representativa da bioquímica dos biopolímeros segue a literatura de sedimento
superficial de mar profundo (CARBOIDRATOS > PROTÉINAS > LIPIDEOS),
apesar das concentrações dos biopolímeros serem semelhantes a resultados
encontrados no hemisfério norte, as concentrações de carbono biopolimérico
foram bem menores, sendo necessário o estabelecimento de novas taxas
indicadoras do nível trófico dos sistemas costeiros tropicais.
A granulometria, a matéria orgânica, e os biopolímeros dividem a Baía
de Guanabara em 4 setores conforme o agrupamento. Estes setores estão
indicando o grau de eutroficação da Baía, que já tinha sido indicado para
coluna d’água a aproximadamente 20 anos. Entretanto, no noroeste e nordeste
da baía, onde são observados menor hidrodinâmica e maior aporte de águas
fluviais, existe um comportamento na diagênese da matéria orgânica em
anaerobiose, em função das comunidades bacterianas serem estritamente
ligadas ao metabolismo de desnitrificação e sultato-redução. Neste dois locais
da baía, existem as outras comunidades bacterianas capazes de efetuarem os
ciclos biogeoquímicos, responsáveis pela ciclagem de todas as formas de
Conclusão -
___________________
da SILVA, F.S.
147
carbono e de nutrientes. Também em termos de balneabilidade sedimentar,
essas áreas são as mais atingidas pelos coliformes.
Nos testemunhos os parâmetros que mais influenciaram foram as
comunidades de bactérias e atividade enzimática. Com relação as faixas
analisadas, apenas o topo do testemunho 2 manteve-se em um grupo isolado
no agrupamento, enquanto as outras faixas formaram um único grupo.
Referências bibliográficas -
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da SILVA, F.S.
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Anexos-
158
9 - ANEXOS
E-mail enviado pelo Editor do Brazilian Journal of Oceanography.
Carta da 1º Revisão enviada pela Editora-Chefe do Brazilian Journal of
Oceanography.
E-mail de recebimento do Editor Assistente dos Anais da Academia
Brasileira de Ciências.
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