Caracterização e potencial de biorremediação de microbiomas de drenagem ácida de minas da Bacia Carbonífera de Santa Catarina (Sul do Brasil)

Abstract

As atividades de mineração exercem uma influência significativa no ambiente, dando origem a fenômenos como a Drenagem Ácida de Mina (DAM), caracterizada pela sua extrema acidez (pH<4), níveis reduzidos de oxigênio dissolvido e elevadas concentrações de metais e sulfatos. As comunidades microbianas que se desenvolvem nessas áreas impactadas apresentam uma variedade de mecanismos de sobrevivência e adaptação. Conhecer essa diversidade ao nível molecular é estratégico tanto para compreender processos adaptativos e mecanismos com potencial uso em biorremediação e bioprospecção. Neste trabalho foram avaliadas as comunidades procariontes e eucariontes por meta-taxonômica (amplicons 16S e 18S) nos sedimentos e corpos d'água de diferentes áreas de mineração na Bacia Carbonífera de Santa Catarina, correlacionando sua composição com variáveis físico-químicas e identificando os potenciais de biorremediação destas comunidades. Foram definidas cinco estações de amostragem, onde três delas são bocas de minas com histórico crítico de geração de DAM (pH 2.7-3.6), outra localizada em boca de mina com características menos ácidas (pH 4.25), e uma última estação na junção de rios que recebem DAM e esgotos domésticos gerados na bacia hidrográfica. Uma das estações apresentou estabelecimento de algas filamentosas prosperando em condições de pH extremamente ácido (2,25). O ambiente da superfície destas algas filamentosas teve a sua comunidade procariótica e eucariótica caracterizada e seu potencial de biorremediação avaliado. Foram encontrados como táxa associados às três estações críticas em geração de DAM os gêneros procariontes, Leptospirillum, Acidithiobacillus, Acidiphilium, Thiomonas, Thermogymnomonas e Acidobacterium; e nos eucariontes a alga Poteriospumella (Chrysophyceae), ciliados Hypotricha e fungos LKM11. Para ambientes de transição, com fracas condições de acidez e metais em DAM, os gêneros associados foram Sediminibacterium, Gallionella, Geothrix e Geobacter. Portanto, as diferenças na composição das comunidades podem distinguir os locais altamente contaminados com DAM (pH 2.7-3.6) dos locais com níveis intermediários de contaminação (pH 3.8-4.25). A variação do pH foi o fator que melhor determinou a composição da comunidade procarionte, enquanto para a comunidade eucarionte, a concentração de nutrientes (TOC e N) e de metais (Ni, Cu, Mn e Zn) apresentaram a melhor explicabilidade sobre a composição da comunidade. Já a biomassa das algas filamentosas, apresentou uma extraordinária capacidade de acumulação de metais pesados (apresentando 9,8% de Fe na biomassa). A superfície da alga filamentosa em DAM é um microambiente que favorece o crescimento de alguns micro-organismos específicos em maior abundância, gerando uma menor alpha-diversidade, o que pode ser um mecanismo de atração de determinados grupos que promovem ações simbióticas. O microbioma associado a superfície das algas filamentosas apresentou em sua composição uma grande frequência da microalga Pumiliosphaera acidofila, da bactéria Acidiphilium, e do fungo Aspergillus penicillioides que juntos podem promover os benefícios gerados (fonte de carbono, zonas anóxicas, produção de alcalinidade biogênica e redução de sulfato) para reduzir os impactos da DAM.

Abstract: Mining activities exert a significant influence on the environment, giving rise to phenomena such as Acid Mine Drainage (AMD), characterized by its extreme acidity (pH<4), low levels of dissolved oxygen, and high concentrations of metals and sulfates. The microbial communities that develop in these impacted areas exhibit a variety of survival and adaptation mechanisms. Understanding this diversity at the molecular level is strategic both for understanding adaptive processes and mechanisms with potential use in bioremediation and bioprospecting. In this study, prokaryotic and eukaryotic communities were evaluated by metataxonomics (16S and 18S amplicons) in sediments and water bodies from different mining areas in the Santa Catarina Coal Basin, correlating their composition with physicochemical variables and identifying the bioremediation potential of these communities. Five sampling stations were defined, with three of them being a mine with a critical history of AMD generation (pH 2.7-3.6), another located in a mine with less acidic characteristics (pH 4.25), and a final station at the confluence of rivers receiving AMD and domestic sewage generated in the watershed. One of the stations featured the thriving establishment of filamentous algae under extremely acidic conditions (pH 2.25). The surface environment of these filamentous algae had its prokaryotic and eukaryotic communities characterized, and their bioremediation potential was assessed. Taxa associated with the three critical AMD generation stations included the prokaryotic genera Leptospirillum, Acidithiobacillus, Acidiphilium, Thiomonas, Thermogymnomonas, and Acidobacterium; and in eukaryotes, the alga Poteriospumella (Chrysophyceae), ciliates Hypotricha, and fungus LKM11. For transition environments, with weak acidity and AMD metals, associated genera were Sediminibacterium, Gallionella, Geothrix, and Geobacter. Therefore, differences in community composition can distinguish highly AMD-contaminated sites (pH 2.7-3.6) from sites with intermediate contamination levels (pH 3.8-4.25). The pH variation was the factor that best determined the composition of the prokaryotic community, while for the eukaryotic community, nutrient (TOC and N) and metal (Ni, Cu, Mn, and Zn) concentrations provided the best explanation for community composition. The filamentous algae's surface in AMD serves as a microenvironment that favors the growth of specific microorganisms in higher abundance, resulting in lower alpha-diversity, which may serve as a mechanism to attract certain groups that promote symbiotic actions. The microbiome associated with the filamentous algae's surface featured a high frequency of the microalga Pumiliosphaera acidophila, the bacterium Acidiphilium, and the fungus Aspergillus penicillioides, which together can promote the generated benefits (carbon source, anoxic zones, biogenic alkalinity production, and sulfate reduction) to mitigate AMD impacts.