Prevê-se que a extração de minerais terrestres em águas profundas cresça nas próximas décadas. Os potenciais impactos desta atividade na fauna marinha têm causado preocupação entre a comunidade científica. Os efeitos sobre as comunidades microbianas, no entanto, têm sido negligenciados, apesar do número de serviços ecossistémicos que prestam (Orcutt et al., 2020). A exploração mineira dos fundos marinhos profundos pode libertar concentrações tóxicas de metais no ambiente circundante (Hauton et al., 2017). Estudos anteriores em diferentes ambientes, incluindo trabalhos da nossa equipa de investigação, mostraram que o aumento das concentrações de metais pesados pode perturbar funções importantes do ecossistema microbiano, como a produção primária, a diversidade genética ou a atividade metabólica de mitigação dos gases com efeito de estufa (Batista et al., 2015; Huang et al., 2008; Kandeler et al., 1996; Magalhães et al., 2011). Outro efeito potencial do aumento da exposição a metais nas comunidades microbianas do mar profundo é o aumento da frequência ou expressão de genes de resistência a metais, bem como a co-seleção de genes de resistência a antibióticos (ARGs). Estudos em organismos macroscópicos mostraram que as condições do mar profundo (baixa temperatura e alta pressão) podem afetar o potencial tóxico dos metais (Brown et al., 2017; Hauton et al., 2017). No entanto, as consequências do aumento da exposição a metais nos microrganismos em condições de profundidade são atualmente desconhecidas. A investigação aqui proposta tem como objetivo começar a preencher esta lacuna de conhecimento.

Neste projeto exploratório, abordamos duas vias microbianas com relevância para a saúde ambiental e humana: desnitrificação e resistência a metais/antibióticos. O objetivo geral é avaliar os impactos da exposição a metais nos transcriptomas de resistência e desnitrificação em condições de mar profundo. Propomos os seguintes objectivos específicos

Determinar os efeitos da exposição a metais no transcriptoma de resistência em bactérias modelo piezotolerantes, em condições de profundidade.
Examinar os efeitos da exposição a metais no transcriptoma de desnitrificação e no fenótipo de N2O em bactérias modelo piezotolerantes, em condições de profundidade.
Investigar as interacções entre os mecanismos de resistência e o fenótipo de expressão da desnitrificação.

Este projeto de investigação aplicará uma abordagem experimental em condições laboratoriais controladas para atingir os objectivos definidos. Utilizaremos culturas puras de bactérias modelo isoladas do mar profundo que crescem em condições semelhantes às do ambiente do mar profundo (baixa temperatura e alta pressão hidrostática). Para além de realizarmos uma investigação transcriptómica do resistoma bacteriano sob pressão metálica, investigaremos também as ligações à desnitrificação, uma importante via respiratória com relevância biogeoquímica e potenciais impactos nas emissões de gases com efeito de estufa.

Utilizaremos bioreactores pressurizados disponíveis no CIIMAR para incubar bactérias modelo piezotolerantes a alta pressão (10 atm.), com e sem a presença dos metais seleccionados (Cu e Cd). Cada metal será aplicado num único tratamento em concentrações elevadas relevantes e comparado com controlos sem esses níveis de exposição ao metal. Durante as experiências, monitorizaremos continuamente a densidade celular, a temperatura, a pressão, o pH e o oxigénio dissolvido, que se sabe influenciarem a atividade de desnitrificação. Durante as experiências, recolheremos: (1) dados de turbidez para estimar o crescimento bacteriano, (2) amostras de headspace para quantificar N2O, (3) amostras líquidas para quantificação de NOx dissolvido, (4) amostras líquidas para quantificação de metais, e (5) amostras líquidas para isolamento de DNA e RNA para estudos transcriptómicos. Iremos quantificar a expressão dos genes de desnitrificação responsáveis pela redução de NO2- e N2O por reação em cadeia da polimerase quantitativa (qPCR). Para além desta abordagem específica, será realizada uma análise do transcriptoma utilizando sequenciação de alto rendimento de todo o transcriptoma para investigar a regulação transcricional dos genes de desnitrificação e para, simultaneamente, encontrar os genes de resistência a metais e/ou antibióticos (ARGs) que podem ser regulados positivamente devido à presença de metais.

Tanto quanto sabemos, esta investigação pode gerar os primeiros relatórios de impactos de metais em funções importantes do ecossistema microbiano em condições de mar profundo. A exploração mineira do fundo do mar encontra-se ainda numa fase inicial de implementação, o que representa uma oportunidade invulgar para avaliar os impactos ambientais de uma atividade antropogénica antes de esta começar a moldar substancialmente o ecossistema. Ao estudar este potencial impacto, contribuiremos para proteger e preservar importantes recursos marinhos fornecidos por comunidades microbianas, seguindo o Objetivo 14 da Agenda 2030 da ONU para o Desenvolvimento Sustentável: “Conservar e utilizar de forma sustentável os oceanos, os mares e os recursos marinhos para o desenvolvimento sustentável”.