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1. IDENTIFICAÇÃO: Centro de Ciências Biológicas e da Saúde, Departamento de Ecologia e Biologia Evolutiva; Orientadora: profª. Drª. Mirna Helena Regali Seleghim; Co-orientadora: Drª Carla Andréa Leite; Aluna: Carolina Targon Tiberio; “Bioprospecção de linhagens fúngicas cavernícolas produtoras de enzimas celulolíticas”; EDITAL 001/2019 – CoPICT/ProPq; Período de Vigência: 01/09/2019 a 30/09/2020 2. RESUMO DO PLANO INICIAL: O presente projeto pretendeu, durante o período de um ano, 12 meses, isolar, e avaliar espécies originárias da amostra de sedimento retirada da Gruta do Catão em São Desidério – BA, que demonstraram potencial de degradação de material lignocelulolítico. O material lignocelulolítico é matéria prima na fabricação de biocombustíveis. Especificamente o Etanol 2G (segunda geração). Sendo assim, os objetivos iniciais deste projeto, se resumem em; 2.1 Objetivos gerais Avaliar a produção de enzimas celulolíticas por linhagens de fungos filamentosos isoladas do sedimento da zona afótica da caverna da Angélica, situada no Parque Estadual de Terra Ronca (PETeR), GO. Contribuir para ampliação do conhecimento sobre fungos isolados de caverna por meio da identificação morfológica das linhagens fúngicas isoladas. 2.2 Objetivos específicos Isolar fungos provenientes da amostra de sedimentos da zona afótica da caverna da Angélica, situada no Parque Estadual de Terra Ronca (PETeR), GO. Avaliar a capacidade de degradação de celulose das linhagens de fungos isoladas utilizando a metodologia de cultivo em meio de cultura sólido contendo carboximetilcelulose (CMC) como única fonte de carbono. Avaliar a produção e a atividade enzimática de endoglucanase, β- glucosidade e celulase total pelos fungos isolados utilizando a metodologia de cultivo submerso. 3. INTRODUÇÃO: Ambientes extemos são caracterizados por alta salinidade, alta radiação, limitação de nutrientes, altas ou baixas temperaturas, variações da pressão atmosférica e variações de pH. Esses ambientes podem ser explorados para descobrir espécies de microrganismos que produzem enzimas com potencial para serem utilizadas em processos biocatalíticos, ou seja, processos enzimáticos que não resultam em resíduos tóxicos, sendo, portanto, considerados “ambientalmente amigáveis”. (LITTLECHILD, 2015). Os microrganismos de habitats extremos desenvolvem estratégias de sobrevivência únicas em condições adversas, dentre as quais estão a produção de enzimas e pequenas moléculas orgânicas com atividades biológicas específicas. Por esse motivo, nos últimos anos tem aumentado gradativamente o número de artigos relatando a descoberta de novas linhagens microbianas oriundas de ambientes extremos, assim como o isolamento de novas moléculas produzidas por elas (SAXENA et al., 2016). As cavernas são consideradas ambientes extremos por possuírem disponibilidade limitada de matéria orgânica, níveis variáveis de luz e umidade, limitado acesso à superfície, baixas ou altas temperaturas e condições adversas de fluxo de ar e pressão (GHOSH et al. 2017). Os ambientes cavernícolas são, geralmente, considerados oligotróficos pela sua pouca luminosidade, criando nichos ecológicos totalmente diferenciados (PAULA, 2014). Dentre os microrganismos que habitam o interior de uma caverna, os fungos são considerados aqueles com maior potencial de adaptabilidade por possuírem elevada taxa de produção de esporos (Wang et al., 2010). Diferentemente das plantas que utilizam a luz como fonte de energia, os fungos utilizam a luz como fonte de informação para exercer suas atividades metabólicas, estimulação da expressão gênica e regulação de atividade enzimática (Tisch & Schmoll, 2010). Assim, em um ambiente cavernícola, a escassez de luminosidade torna-se uma barreira para a propagação de muitas espécies de fungos, mas, ao mesmo tempo, pode conceder novos nichos ecológicos a serem explorados (PAULA, 2014). O ambiente cavernícola, em potencial a zona afótica, abriga micro-ambientes diversificados. A principal função dos fungos nesses ambientes é a decomposição de material orgânico lignocelulolítico e da matéria orgânica particulada, presentes nos rios subterrâneos e no solo da superfície, carreado pela água de percolação (Culver & Pipan, 2009). Dessa forma, os fungos que habitam as cavernas são candidatos potenciais para o isolamento de enzimas capazes de degradar o material lignocelulósico. Entretanto, estudos que envolvem a prospecção de enzimas celulolíticas produzidas por fungos filamentosos isolados de caverna são escassos, culminando em um grande potencial de material biológico a ser estudado (PAULA, 2016). Atualmente, há um crescente interesse na produção de biocombustíveis de segunda geração como alternativa aos combustíveis fósseis, em especial, o bioetanol celulósico (MACRAE, 2018). A celulose representa a maior fonte de carbono do solo, sendo o polímero mais abundante no mundo e que pode ser hidrolisado em glicose através de complexos enzimáticos (PAULA, 2014). A aplicação do material lignocelulósico como matéria prima para o fornecimento de biocombustíveis tem se mostrado promissora, pois a sua utilização reduz impactos ambientais quando comparada aos combustíveis fósseis. (NANDA; MOHAMMAD; REDDY, 2014). O etanol de segunda geração (etanol 2G) é obtido a partir da biomassa lignocelulósica, resíduo comum das atividades agroindustriais dos setores sucroalcooleiro, de alimentos e florestal (MACRAE 2018). A produção desse tipo de etanol é uma fonte alternativa para o aumento da produção do biocombustível, sem a necessidade de expansão das fronteiras agrícolas (CHANDEL et al., 2014). Apesar das vantagens, a produção dos biocombustíveis esbarra em um obstáculo desfavorável a sua comercialização (KLEIN-MARCUSCHAMER et al., 2012). A eficiente degradação enzimática da celulose em glicose requer um pré tratamento da biomassa vegetal, afim de favorecer o acesso da celulase à celulose, dificultada pela lignina e cristalinidade da parede vegetal (MARQUES, 2017.). A produção do etanol 2G requer um passo a passo delicado e bem definido para que se obtenha o subproduto desejado a partir da hidrólise do material lignocelulósico. São essencialmente quatro etapas até a obtenção do produto final: 1) Pré tratamento do material; 2) Hidrólise da celulose e da hemicelulose em açúcares simples; 3) Fermentação desses açúcares em bioprodutos, mediante ação de leveduras ou bactérias; 4) Purificação do produto final (Guaragain et al., 2014; Dimarogona et al., 2013). A Figura 1 exemplifica o processo de produção do etanol de segunda geração. FIGURA 1 – Fluxograma da produção do etanol de segunda geração Fonte: MACRAE, 2018; adaptado de Pereira Jr. (1991). Após escolhido um pré tratamento da matéria lignocelulósica, em destaque o bagaço de cana-de açúcar, pela importância econômica da planta no Brasil (MARQUES, 2017), a etapa seguinte visa a hidrólise enzimática da celulose. Mediante este processo, vários grupos enzimáticos são capazes de realizar a tarefa, como celulases, hemicelulases, ligninases e pectinases (MACRAE, 2018). Os principais grupos de enzimas responsáveis pela hidrólise da fração celulósica são as endoglucanases, exoglucanases, e β-glucosidades, além de proteínas acessórias que atuam em sinergismo (MARQUES, 2017; MACRAE, 2018). Já a fração hemicelulósica requer um grupo mais complexo, com enzimas que atuam na cadeia principal e aquelas que removem os grupos laterais (MACRAE, 2018). Recentemente dois artigos foram publicados pelo nosso grupo de pesquisa demonstrando a alta atividade celulolítica de fungos filamentosos isolados da Gruta do Catão, São Desidério – BA (Paula et al., 2016; Paula et al., 2018). Nesses trabalhos todas as linhagens testadas durante a fermentação submersa apresentaram atividade endoglucanase,β-glucosidase e celulase total. Entretanto, duas linhagens se destacaram por apresentar maior atividade de endoglucanase e celulase total, quando comparadas à linhagem padrão Aspergillus niger 3T5B8 utilizada pela Embrapa. Um trabalho de Doutorado financiado pelo Auxílio Regular à Pesquisa, Processo Fapesp 2015/24763-9, sob a orientação da Profa. Dra. Mirna Helena Regali Seleghim do Departamento de Ecologia e Biologia Evolutiva da Universidade Federal de São Carlos- UFSCar, avaliou a biodiversidade microbiana, incluindo fungos, nos sedimentos das cavernas Angélica, São Bernardo e Terra Ronca, situadas no Parque Estadual de Terra Ronca (PETeR), localizado nos municípios de São Domingos e Guarani de Goiás, Goiás, Brasil. As amostras foram coletadas ao longo de um gradiente trófico (superfície > entrada da caverna > subterrâneo) e a biodiversidade de fungos foi verificada pelo sequenciamento do gene ITS. O sequenciamento da amostra de sedimentos da zona afótica da caverna da Angélica, cujo o solo é irrigado pelo carreamento de rios subterrâneos (PAULA, 2014), mostrou que 15,20% das linhagens de fungos pertencem a um ou mais filo(s) “não-identificado” e 84,80% pertencem a 7 diferentes filos, sendo o filo Ascomycota o mais abundante (Figura 2). Esses resultados mostram o alto potencial dessa amostra na descoberta de novas espécies de fungos e também na bioprospecção de novas enzimas. FIGURA 2 – Gráfico de porcentagem dos filos de fungos obtidos por sequenciamento do gene ITS. Fonte: PAULA, 2018. Arquivo de sequenciamento do gene ITS, amostra coletada da zona afótica da caverna Angélica, Parque Estadual de Terra Ronca, GO. Diante do exposto, o objetivo deste projeto é o isolamento e cultivo de linhagens de fungos obtidas do sedimento da zona afótica da caverna da Angélica, situada no Parque Estadual de Terra Ronca (PETeR), Goiás, e posterior exploração do potencial de degradação da matéria lignocelulósica por essas linhagens. 4. METODOLOGIA 4.1 Isolamento Para o isolamento dos fungos foi utilizado o método de diluição seriada da suspensão da amostra de substrato da caverna e inoculação em meios de cultura específicos. O preparo da suspensão foi da seguinte forma: para cada 5,0 g de substrato, foram adicionados 50 mL de solução salina 0,85% como diluente e, em seguida, a mistura foi agitada a 150 rpm por 30 minutos a 25ºC para dispersão das células agrupadas. Foram realizadas diluições seriadas da suspensão do substrato (até 1/100.000), onde 0,1ml de cada diluição foi inoculada, utilizando a técnica de espalhamento em superfície, em diferentes Meios de Culturas sólidos: Ágar Rosa-Bengala com Cloranfenicol (ARBC), por se tratar de um meio seletivo para o isolamento de fungos em amostras de solo (SMITH & DAWSON, 1944); Ágar Sabouraud diluído 10% (acrescido do corante rosa Bengala 0,05 g.L-1), para aumentar a porcentagem de microrganismos cultiváveis (LAMBAIS et al., 2005), e Ágar Malte 3% (acrescido do corante rosa Bengala 0,05 g.L-1) (PAULA, 2014). As placas foram então incubadas em BOD a 25ºC, por sete dias. No sétimo dia as colônias crescidas foram repicadas para outra placa contendo Ágar Sabouraud ou Ágar Malte 3% até que se obteve colônias puras. O repique das colônias foi feito utilizando a técnica de estriamento ou picada, de forma asséptica e em fluxo laminar limpo com álcool 70⁰ e esterilizado com ação de luz ultravioleta. Todas as linhagens puras foram preservadas em refrigerador utilizando a técnica descrita por Castellani (1939). 4.2 Caracterização e Identificação das linhagens Quanto à caracterização, cada linhagem pura foi inoculada por picada no centro de uma placa de Petri contendo Ágar Sabouraud e incubadas em BOD por 7 a 15 dias. Para a descrição das características Macroscópicas foram considerados: • Velocidade de crescimento: lento (acima de 10 dias), moderado (entre 7-10 dias) ou rápido (entre 3-4 dias); • Tamanho da colônia; • Morfologia da colônia: lisa, rugosa, presença de hifas aéreas; • Esporulação da colônia: pulverulento ou rala; • Cor da colônia (verso e reverso da placa); • Presença de cromogênese; • Formação de exudato. O exame microscópico das linhagens foi realizado por técnicas de cultivo em lâmina ou cultivo em lamínula e incubação em BOD a 25⁰ C por 7 – 15 dias. Após o crescimento, as lâminas e/ou lamínulas foram observadas utilizando um microscópio óptico. 4.3 Avaliação e Quantificação das atividades enzimáticas Para avaliar o potencial celulolítico das linhagens, as colônias puras foram inoculadas por picada no centro da Placa de Petri contendo um meio de cultura sintético com carboximetilcelulose (CMC) como única fonte de carbono (CMC 10,0 g.L-1, FeSO4.7H2O 10,0 mgL-1, KCl 0,5 g.L-1, K2HPO4 1,0 g.L-1, MgSO4 0,5 g.L-1, NaNO3 3,0 g.L-1, ágar 20,0 g.L-1, pH 5,6). As linhagens, então, foram incubadas em BOD por 7 a 15 dias a 25ºC. Os halos de degradação foram revelados adicionando 10 ml de solução corante vermelho congo (2,5 g.L-1) em tampão Tris-HCl 0,1M, pH 8,0 em cada placa de Petri por 30 minutos. Posteriormente a exposição ao corante vermelho congo, as colônias foram lavadas com 5,0 ml de solução de NaCl 0,5 M em tampão Tris-HCl 0,1M, pH 8,0. Os halos de degradação foram observados pelo não-tingimento do ágar. Todos os halos foram medidos utilizando um paquímetro. O Índice Enzimático (Ie), foi estimado pela razão entre o diâmetro do halo e o diâmetro da colônia. As linhagens fúngicas que apresentaram formação de halo de degradação em meio sintético com carboximetilcelulose foram testadas quanto à produção de enzimas celulolíticas em cultivo submerso. Para isso, foi utilizado o meio semi-sintético adaptado de Mandels (1969) como base para os experimentos. Esse meio de cultura contém: Ureia 0,3 g.L−1, KH2PO4 2,0 g L−1, (NH4)2SO4 1,4 g.L−1, CaCl2.2H2O 0,4 g.L−1, MgSO4.7H2O 0,3 g.L−1, extrato de levedura 0,6 g.L−1, FeSO4.7H2O 5,0 mg.L−1, MnSO4.4H2O 1,6 mg.L−1, ZnSO4.7H2O 1,4 mg.L−1, COCl2.6H2O 2,0 mg.L−1, pH 5,6. Para a obtenção do pré-inóculo, uma suspensão de 106 esporos.mL-1 de cada linhagem selecionada foi inoculada em Erlenmeyers de 125 mL volume total contendo 50 mL do meio líquido descrito acima, acrescido de Glicose 10 g.L-1. Os frascos foram agitados (130 rpm) a 28°C por três dias. Para o experimento, foi utilizado Erlenmeyers de 1000 mL de volume total contendo 700 mL de meio Mandels acrescido de Avicel 10 g.L-1 e adição 10% (v/v) do pré- inóculo. Os frascos foram incubados em um agitador 28ºC e 130 rpm por 7 dias. Diariamente uma alíquota de 7 mL do cultivo foi retirada de forma estéril e centrifugado à 3000 rpm, por 20 min. O sobrenadante foi utilizado como extrato bruto enzimático para as análises de expressão das celulases e determinação do teor protéico. O conteúdo protéico extracelular total dos extratos brutos foi determinado segundo Bradford (1976). Em um microtubo foi adicionado 800 μL de amostra, 800 μL de água destilada e 400 μL de reagente Bio Rad (à base do corante Coomassie blue G-250). Em seguida os tubos foram agitados e deixados em repouso durante 5 min. a temperatura ambiente. Após o tempo reacional, as absorbâncias das soluções foram determinadas em espectrofotômetro, utilizando-se comprimento de onda (λ) de 595 nm. O branco reacional continha 800 μL de água, ao invés de amostra. Cada análise foi realizada em quadruplicata. A curva padrão que correlaciona valores de absorbância ao conteúdo protéico de soluções foi obtida utilizando-se albumina bovina sérica como padrão em concentrações na faixa de 5 a 50 mg.L-1. Cada concentração padrão foi submetida às mesmas etapas que as amostras dos extratos enzimáticos, para sua quantificação. O corante Coomassie blue G250 liga-se fortemente a resíduos de arginina, que possui um lado de sua molécula carregada positivamente e liga-se mais fracamentea resíduos básicos (histidina e lisina) e aromáticos (tirosina, triptofano e fenilalanina) (Mikkelsen & Cortón, 2004). A atividade da β-glucosidase foi determinada segundo Voltatodio (2012), utilizando como substrato celobiose 2% preparada em tampão citrato 0,05 mol L-1 (pH, 5,0). A reação com 50 μL de substrato mais 50 μL da amostra ocorreu a 50°C por 15 minutos. A reação foi interrompida em banho fervente (10 minutos). Em seguida foi adicionado 1 mL de reagente GOD (glucose-oxidase-peroxidase – Kit Glicose Bio Liquid, Laborclin) e incubado a 37°C por 15 minutos. Neste passo também foi preparada uma amostra de glicose padrão (10 mg L-1), componente do kit. A concentração de glicose foi determinada em espectrofotômetro, utilizando comprimento de onda (λ) de 505 nm. Para determinar a atividade enzimática em papel de filtro (Fpase ou celulase total), foi utilizado, como substrato, discos de papel filtro (Whatman® 1) com diâmetro de 7 mm. Em cada tubo de reação foi adicionado um disco, acrescido de 50 μL da amostra e 50 μL de solução tampão citrato 0,05 mol L-1 (pH 5,0). A reação foi incubada por 60 minutos a 50°C. Em seguida, foi adicionado 300 μL de DNS e seguiu com a incubação por mais 15 minutos a 95°C. Os açúcares redutores foram quantificados em 540 nm de comprimento de onda (λ) utilizando um espectrofotômetro. Os valores de absorbância foram então convertidos em quantidades equivalentes de glicose, mediante curva padrão previamente estabelecida com a amostra de glicose padrão (10 mg L-1) do kit Glicose Bio Liquid, Laborclin. Uma unidade de atividade enzimática (IU) foi definida como a quantidade de enzima necessária para produzir 1 mmol de glicose mL-1 min-1 nas condições do ensaio (IU = μmol mL-1 min-1). As atividades enzimáticas foram expressas em atividade específica em relação ao conteúdo de proteínas nos extratos enzimáticos. 4.4 Forma de análise dos resultados. Os dados dos testes de atividade enzimática em placa foram submetidos ao modelo estatístico de Variância simples (One way ANOVA). Os dados de quantificação das enzimas celulolíticas foram analisados pela regressão linear analítica utilizando o programa estatístico R. Os dados gerados serviram de base para análises quantitativas e descritivas dos padrões de degradação de celulose obtidos das linhagens. 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO; Isolamento Na primeira etapa de isolamento foram obtidas 45 linhagens de fungos (Figuras 4 a 9), das quais, 34 obtiveram resultado positivo para o teste de degradação de celulose em placa de Petri com ágar CMC corada com vermelho congo (Figuras 10 a 14). A Figura 3 mostra o diâmetro de uma colônia e o diâmetro do halo de degradação. FIGURA 3 – Crescimento de uma colônia e formação de halo de degradação em meio CMC corada com corante vermelho congo. Fonte: O autor. Nos testes de crescimento em ágar carboximetilcelulose com posterior coloração com vermelho congo, realizados em duplicata, o diâmetro das colônias e seus halos foram medidos. Dessa maneira, a Tabela 1, apresenta o Índice Enzimático (Ie), expresso pela razão entre o diâmetro do halo e o diâmetro da colônia. Tabela 1 – Índice enzimático (Ie) das colônias isoladas Nº Diâmetro da colônia Diâmetro do halo Índice enzimática (Ie) 1 8,50 ±0,71 4,50 ±6,36 0,50 ±0,71 2 6,00 ±0,85 6,75 ±0,78 1,13 ±0,03 3 5,05 ±1,06 3,20 ±4,53 0,55 ±0,78 4 1,00 ±0,28 3,48 ±1,94 3,33 ±1,00 5 9,00 ±0,00 - - 6 6,55 ±0,21 7,30 ±0,57 1,11 ±0,05 8 1,95 ±1,06 3,85 ±1,93 2,58 ±2,24 9 5,90 ±0,85 7,20 ±071 1,22 ±0,06 10 4,05 ±0,21 7,45 ±0,64 1,84 ±0,06 11 5,55 ±0,07 2,80 ±3,96 0,50 ±0,71 12 7,10 ±0,42 8,10 ±0,99 1,14 ±0,07 14 7,95 ±1,48 3,85 ±5,44 0,56 ±0,79 15 2,55 ±0,64 2,65 ±0,49 1,05 ±0,07 16 2,70 ±0,42 1,95 ±2,76 0,65 ±0,92 17 4,15 ±0,49 7,10 ±0,85 1,71 ±0,00 18 4,50 ±6,36 - - 19 5,05 ±1,48 3,05 ± 4,31 0,50 ±0,71 20 4,25 ±0,35 3,83 ±5,41 0,85 ±1,20 21 3,20 ±0,57 6,25 ±0,35 1,97 ±0,24 22 4,45 ±0,21 7,35 ±0,35 1,65 ±0,00 24 3,65 ±0,21 7,35 ±1,06 2,01 ±0,17 25 3,10 ±0,99 5,70 ±2,26 1,81 ±0,15 26 2,55 ±0,21 6,10 ±0,28 2,40 ±0,09 27 3,45 ±0,64 6,90 ±0,85 2,01 ±0,13 28 6,05 ±0,35 7,05 ±0,07 1,17 ±0,08 29 branco 7,45 ±2,19 2,95 ±4,17 0,50 ±0,71 29 verde 3,95 ±2,76 6,45 ±0,78 2,25 ±1,77 30 4,80 ±0,85 5,95 ±0,92 1,24 ±0,03 32 4,63 ±0,88 6,80 ±0,71 1,48 ±0,13 34 cima 4,15 ±0,78 5,30 ±0,71 1,28 ±0,07 34 baixo 4,50 ±0,71 5,60 ±0,57 1,25 ±0,07 35 5,70 ±0,28 6,58 ±1,03 1,15 ±0,12 36 5,35 ±0,07 6,70 ±0,42 1,25 ±0,06 37 5,03 ±0,32 7,28 ±0,04 1,45 ±0,08 38 4,45 ±1,06 6,25 ±1,63 1,40 ±0,03 39 4,98 ±0,60 7,05 ±0,64 1,42 ±0,04 40 5,40 ±0,28 6,25 ±0,49 1,16 ±0,15 41 5,45 ±0,64 6,75 ±1,63 1,23 ±0,15 42 3,65 ±5,16 3,90 ±5,52 - 43 4,75 ±0,07 2,45 ±3,46 0,52 ±0,74 44 0,35 ±0,49 1,00 ±1,41 - 45 9,00 ±0,00 9,00 ±0,00 1,00 ±0,00 Fonte: Dados obtidos pelo autor. As linhagens representadas pelos números 7, 13, 23, 31, 33 foram retiradas da pesquisa por se tratarem de actinomicetos e não fungos. Posteriormente, verificou-se que a linhagem n° 08 também se tratava de um actinomiceto, porém, os experimentos seguiram normalmente, para verificar a potencialidade do filo na produção e degradação da celulose. Como padrão para comparar o crescimento em ágar CMC de nossas linhagens, foram utilizadas três linhagens isoladas durante o mestrado do aluno Caio César Pires de Paula. Essas linhagens SDC 1.2 (Aspergillus sp6), SDC 2.8 (Aspergillus sp8) e SDC 2.7 (Penicilium) foram escolhidas pelos altos valores de atividade endoglucanase, β- glucosidase e celulase total que apresentaram durante seu trabalho. A Tabela 2 mostra o Índice enzimático dessas três linhagens. Para comparar a produção de enzimas totais, atividade da β-glucosidase e Fpase total utilizamos a linhagem SDC 2.8 (Aspergillus sp8). FIGURA 4 – Colônias 1 a 45 em placas de Petri com Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor. Tabela 2– Índice enzimático (Ie) dos fungos Aspergillus sp6, Aspergillus sp8 e Penicillium. Nº Diâmetro da colônia Diâmetro do halo Índice enzimático (Ie) Aspergillus sp6 5,95±0,08 7,18±0,04 1,21±0,01 Aspergillus sp8 3,68±0,04 6,50±0,14 1,77±0,02 Penicillium 3,62±0,03 7,73±0,11 2,13±0,01 Fonte: Dados obtidos pelo autor FIGURA 5 – Colônias 1 a 11, em meio de cultura Sabouraud Dextrose Ágar. Fonte: O autor. FIGURA 6 – Colônias 12 a 21 em meio de cultura Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor. FIGURA 7 – Colônias 22 a 34 em meio de cultura Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor FIGURA 8 – Colônias 35 a 43 em meio de cultura Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor FIGURA 9 – Colônias 44 a 45 em meio de cultura Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor FIGURA 10 – Colônias 1 a 11 após coloração com corante vermelho congo em placa de Petri. Fonte: O autor. FIGURA 11 – Colônias 12 a 21 após coloração com corante vermelho congo em placa de Petri. Fonte: O autor. FIGURA 12 – Colônias 22 a 34 após coloração com corante vermelho congo em placa de Petri. Fonte: O autor. FIGURA 13 – Colônias 35 a 43 após coloração com corante vermelho congo em placa de Petri. Fonte: O autor. FIGURA 14 – Colônias 44 e 45 após coloração com corante vermelho congo em placa de Petri. Fonte: O autor. Caracterização das linhagens 04 e 08, utilizadas nos testes enzimáticos de β-glucosidase e celulase total. FIGURA 15 – Imagem da linhagem 04 em meio de cultura Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor. Características macroscópicas da linhagem 04: Velocidade de crescimento: moderado (entre 7-10 dias); Morfologia da colônia: cotonosa (centro) feltrada (bordos); Esporulação da colônia: rala; Cor da colônia (verso e reverso da placa): branca (centro) translúcido (bordos); Presença de cromogênese: não; Formação de exudato: não; FIGURA 16 – Imagem de microscopia óptica da linhagem 04 utilizando o corante azul de algodão (lactofenol)Fonte: O autor. Características microscópicas da linhagem 04: Aspecto da hifa: cenocítica; Forma dos esporos: esféricos; Presença de estrutura de reprodução: conidióforo. FIGURA 17 – Colônia 08 em placa de Petri meio de cultura Sabouraud Dextrose Àgar. Fonte: O autor Características macroscópicas da linhagem 08: Morfologia da colônia: cremosa; Esporulação da colônia: rala; Cor da colônia (verso e reverso da placa): marrom claro; Presença de cromogênese: não; Formação de exudato: não. FIGURA 18 – Imagem de microscopia óptica da linhagem 08 utilizando o corante azul de algodão (lactofenol) Fonte: O autor Características microscópicas da linhagem 08: Aspecto da hifa: cenocítica; Forma dos esporos: sem presença de esporos; Presença de estrutura de reprodução: sem presença de conidióforo. Avaliação e Quantificação das atividades enzimáticas das linhagens 04 e 08: As análises quantitativas e qualitativas das enzimas produzidas pelas linhagens 04 e 08, que obtiveram os melhores resultados de crescimento da colônia em relação ao tamanho do halo de degradação, são mostradas nesse item. As tabelas “Biomassa” 4, 4.1 e 4.2 foram utilizadas para correlacionar os valores da biomassa total com o teor proteico bruto mostrado nas tabelas 3, 3.1 e 3.2 “Enzimas totais” durante os 7 dias de coleta da alíquota diária. Para a pesagem da biomassa foi utilizado formas de alumínio com aproximadamente 5cm de diâmetro e uma estufa de esterilização a 72ºC para a secagem da água presente. Foi pesada a massa da forma antes e depois da secagem e subsequentemente subtraído o valor da biomassa seca para obtenção do seu valor líquido. Para fins comparativos, o fungo de número SDC 2.8 (Aspergillus sp8) isolado pelo aluno Caio César Pires de Paula, em seu trabalho de mestrado, também foi submetido às mesmas análises. Tabela 3 – Enzimas totais fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Aspergillus sp 8 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Enzimas mg.L-1 Dia 1 0,077 0,090 0,075 45,847±0,008 Dia 2 0,069 0,077 0,075 41,799±0,004 Dia 3 0,069 0,068 0,068 38,714±0,001 Dia 4 0,076 0,069 0,069 40,449±0,004 Dia 5 0,973 0,066 0,069 212,789±0,523 Dia 6 0,082 0,078 0,080 45,462±0,002 Dia 7 0,086 0,081 0,108 52,209±0,014 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 3.1 – Enzimas totais linhagem 04 Linhagem 04 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Enzimas mg.L-1 Dia 1 0,049 0,007 0,089 27,148± 0,041 Dia 2 0,025 0,035 0,041 18,666±0,008 Dia 3 0,029 0,065 0,063 29,461±0,020 Dia 4 0,053 0,051 0,086 35,823±0,020 Dia 5 0,075 0,076 0,165 60,112±0,052 Dia 6 0,099 0,116 0,090 57,992±0,013 Dia 7 0,063 0,099 0,112 52,016±0,025 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 3.2 - Enzimas totais linhagem 08 Linhagem 08 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Enzimas mg.L-1 Dia 1 0,085 0,094 50,955±0,006 Dia 2 0,121 0,125 0,103 66,474±0,012 Dia 3 0,100 0,103 0,114 60,305±0,007 Dia 4 0,123 0,124 0,152 76,113±0,016 Dia 5 0,120 0,014 0,012 27,341±0,062 Dia 6 0,138 0,123 0,135 75,534±0,008 Dia 7 0,128 0,128 0,160 79,390±0,018 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 4 – Biomassa fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Aspergillus sp8 Peso da forma Forma +biomassa Total biomassa (g) Dia 1 0,9653 1,0216 0,0563 Dia 2 0,9680 1,0042 0,0362 Dia 3 0,9784 0,9926 0,0142 Dia 4 0,9683 0,9841 0,0158 Dia 5 0,9743 0,9941 0,0198 Dia 6 0,9680 0,9945 0,0265 Dia 7 0,9690 0,9899 0,0209 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 4.1 – Biomassa linhagem 04 Linhagem 04 Peso da forma Forma+biomassa Total biomassa (g) Dia 1 0,9713 1,0587 0,0874 Dia 2 0,9697 1,0171 0,0474 Dia 3 0,9786 1,0649 0,0863 Dia 4 0,9684 1,0556 0,0872 Dia 5 0,9733 1,0550 0,0817 Dia 6 0,9781 1,0393 0,0612 Dia 7 0,9700 1,0600 0,0900 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 4.2 – Biomassa linhagem 08 Linhagem 08 Peso da forma Forma+biomassa Total biomassa (g) Dia 1 0,9778 0,9778 0,0953 Dia 2 0,9698 0,9698 0,0806 Dia 3 0,9767 0,9767 0,0718 Dia 4 0,9629 0,9629 0,0907 Dia 5 0,9652 0,9652 0,0694 Dia 6 0,9773 0,9773 0,0687 Dia 7 0,9620 0,9620 0,0830 Fonte: Dados obtidos pelo autor. O gráfico na figura 19 apresenta os dados das tabelas 3, 3.1 e 3.2. A figura 20 descreve a curva de crescimento dos fungos SDC 2.8 (Aspergillus sp8), linhagem 04 e linhagem 08 FIGURA 19 – Gráfico dos valores de enzimas totais dos fungos SDC 2.8 (Aspergillus sp8), linhagem 04 e linhagem 08. Fonte: Dados das tabelas 4, 4.1 e 4.2. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Dia 1 Dia 2 Dia 3 Dia 4 Dia 5 Dia 6 Dia 7 Enzimas totais em mg.L-1 SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Linhagem 04 Linhagem 08 FIGURA 20 – Curva de crescimento dos fungos SDC 2.8 (Aspergillus sp8), linhagem 04 e linhagem 08. Fonte: Dados das tabelas 5, 5.1 e 5.2. A conversão dos valores de absorbância em quantidade de enzimas (mg.L-1) foi obtida através de curva padrão de Albumina previamente estabelecida, demonstrada na figura 21. FIGURA 21 – Curva padrão de proteínas totais utilizando a albumina sérica. Fonte: Dados obtidos pelo autor. Percebe-se no gráfico “Enzimas totais” (fig. 19) que a produção de enzimas totais do fungo 04 é gradual, aumentando conforme os dias, chegando ao seu ápice no 7º dia de cultivo, enquanto a sua biomassa permanece estável em torno de 0.08 g.L-1. 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 dia 0 dia 1 dia 2 dia 3 dia 4 dia 5 dia 6 dia 7 Biomassa (g.L-1) SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Linhagem 04 Linhagem 08 y = 578,32x - 0,8041 R² = 0,9982 0 10 20 30 40 50 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 C o n ce n tr aç ão Absorvância Proteínas Totais A linhagem 08 possui um alto valor de enzimas totais inicial. A produção iniciou com 50 mg.L-1 logo no primeiro dia de cultivo aumentando ao longo do tempo, chegando a 80 mg.L-1 no último dia de cultivo. Assim como o fungo 04, a sua biomassa manteve- se em torno de 0.08 g.L-1. Esses dados demonstram que a linhagem 08 produz uma quantidade de enzimas totais por mg.L-1 superior as outras duas linhagens. O fungo 2.8 possui praticamente a mesma produção de enzimas totais ao longo do cultivo. Desde o 1 dia até o 7 dia, a produção é de aproximadamente 50 mg.L, aumentando para 52,20 no 7º dia, enquanto a sua biomassa é mais baixa que a dos outros dois fungos. Este dado pode ser explicado pelo seu crescimento em fermentação submersa, que se deu em forma de bastão contínuo, gerando poucas colônias isoladas, dificultando a homogeneidade da biomassa crescida no frasco e a coleta de alíquota diária para pesagem. Dessa forma, valores de biomassa do fungo 2.8 colhidos durante os sete dias de coleta ficaram abaixo dos valores dos fungos 04 e 08. Esta diferença é invertida ao final do 7º dia quando o valor da biomassa total (1,8531g /L) do fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) é recolhida de todo o frasco e ultrapassa os valores de biomassa total das linhagens 04 (1,3469/L) e 08 (1,1740/L), que cresceram em colônias isoladas e homogeneamente, possibilitando a retirada e pesagem da alíquota diária. A quantificação das atividades da β-glucosidase foi determinada segundo Voltatodio (2012). As tabelas 5, 5.1 e 5.2 correlacionam os valores das atividades enzimáticas em triplicata das 3 linhagens trabalhadas. Os valores obtidos para as concentrações normais das amostras do fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) e da linhagem 08 excederam o limite de leitura do espectrofotômetro, sendo assim, foi preciso a diluição do sobrenadante em 4 vezes nos dias 1º ao 5º e 2 vezes do dia 6º ao 7º obtendo valores correspondentes. A figura 22 “Gráfico comparativo da média de atividade da enzima β-glucosidase” apresenta os dados das tabelas listadas acima na figura representativa de um gráfico. Tabela 5 – Atividade da enzima β-glucosidase do fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) (Aspergillus sp8) Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 IU/L. Dia 1 (diluído 4x) 0,141 0,1110,109 0,297±0,018 Dia 2 (diluído 4x) 0,008 0 0,046 0,227±0,025 Dia 3 (diluído 4x) 0,076 0,076 0,102 0,141±0,015 Dia 4 (diluído 4x) 0,025 0,038 0,116 0,121±0,049 Dia 5 (diluído 4x) 0,03 0,034 0,043 0,145±0,007 Dia 6 (diluído 2x) 0,082 0,095 0,02 0,545±0,040 Dia 7 (diluído 2x) 0,075 0,102 0,043 0,432±0,030 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 5.1 – Atividade da enzima β-glucosidase da linhagem 04 Fungo 04 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 IU/L Dia 1 0,015 0 0 0,001±0,009 Dia 2 0,092 0,086 0,094 0,019±0,004 Dia 3 0,104 0,032 0,14 0,053±0,055 Dia 4 0,023 0 0,07 0,005±0,036 Dia 5 0,035 0,01 0,011 0,002±0,014 Dia 6 0,042 0 -0,049 0,149±0,046 Dia 7 0,053 0,02 0,036 0,151±0,017 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 5.2 – Atividade da enzima β-glucosidase da linhagem 08 Fungo 08 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 IU/L Dia 1 ((diluído 4x) 0,09 0,03 -0,033 0,281±0,062 Dia 2 (diluído 4x) 0,033 0,038 0,023 0,102±0,008 Dia 3 (diluído 4x) 0,113 0,067 0,075 0,908±0,025 Dia 4 (diluído 4x) 0,032 0,03 0 0,631±0,018 Dia 5 (diluído 4x) 0,003 0 0,057 0,068±0,032 Dia 6 (diluído 2x) 0,015 0,021 0,032 0,394±0,009 Dia 7 (diluído 2x) 0,041 0,031 0,037 0,303±0,005 Fonte: Dados obtidos pelo autor. FIGURA 22 – Gráfico comparativo da média de atividade da enzima β-glucosidase. Fonte: Dados das tabelas 6, 6.1 e 6.2. A presença da enzima β-glucosidade em todas as linhagens testadas foi verificada em todos os dias de cultivo. A diluição do sobrenadante do fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) e da linhagem 08 demonstra uma alta atividade da enzima nessas espécies. Altos valores de produção e atividade de β-glucosidase são relatados para o gênero Penicillium (Krogh et al., 2004; Jorgensen et al., 2005). Apesar disso, é possível notar que os maiores níveis de produção estão no primeiro dia, seguido de uma queda até o 4º dia de crescimento, e, novamente, uma grande produção dessa enzima a partir do dia 5 nas linhagens SDC 2.8 (Aspergillus sp8) e 04. A linhagem 08 teve a reação oposta, decaindo a produção dessa enzima nos últimos dias. A β-glucosidase faz parte do grupo de enzimas responsáveis pela hidrólise da fração celulósica da celulose. Ao comparar as atividades dessa enzima com outros trabalhos, percebe-se que a linhagem 08 possui valores iguais ou superiores a linhagens já identificadas, destacando-se como uma boa produtora de enzimas celulolíticas. O complexo de celulases de muitos fungos é limitado pela baixa produção de β-glucosidase, pela inibição da hidrólise por glicose e, na maioria das vezes, a βglucosidase é inibida pelo seu próprio substrato, a celobiose (Schimid & Wandrey,1987). Considerando isto, uma β-glucosidase que é insensível ou até mesmo tolerante a glicose e celobiose, é altamente desejada para a conversão de biomassa celulósica em glicose. A linhagem 04 apresentou baixas atividades dessa enzima até o 6º dia de crescimento, o que demonstra que a sua produção só ocorre na fase estacionária de cultivo. 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 dia1 dia2 dia3 dia4 dia5 dia6 dia7 β-glucosidase (IU/L) SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Linhagem 04 Linhagem 08 Para a quantificação enzimática da Fpase (ou celulase total), foi utilizado, como substrato, discos de papel filtro (Whatman® 1). As Tabelas 6, 6.1 e 6.2 mostram os valores de celulase total das linhagens SDC 2.8 (Aspergillus sp8), linhagem 04 e linhagem 08 em triplicada. A figura 23 “Gráfico comparativo dos valores de celulase totais IU/L” apresenta os dados das tabelas listadas em um gráfico. Tabela 6 – Celulase total fungo SDC 2.8 (Aspergillus sp8) SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Amostra 01 Amostra 02 Amostra 03 IU/L Dia 1 0,617 1,015 0,598 0,074±0,235 Dia 2 0,432 0,581 0,414 0,057±0,092 Dia 3 0,171 0,185 0,179 0,061±0,007 Dia 4 0,172 0,177 0,172 0,030±0,003 Dia 5 0,26 0,308 0,621 0,036±0,196 Dia 6 0,26 0,254 0,256 0,136±0,003 Dia 7 0,244 0,218 0,248 0,108±0,016 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 6.1 – Celulase total da linhagem 04 Fungo 04 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 IU/L Dia 1 0,321 0,321 0,209 0,000±0,065 Dia 2 0,463 0,267 0,420 0,005±0,103 Dia 3 0,218 0,216 0,259 0,013±0,024 Dia 4 0,216 0,183 0,199 0,001±0,017 Dia 5 0,325 0,39 0,402 0,000±0,041 Dia 6 0,379 0,373 0,278 0,037±0,057 Dia 7 0,310 0,340 0,295 0,038±0,023 Fonte: Dados obtidos pelo autor. Tabela 6.2 – Celulase total da linhagem 08 Fungo 08 Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 IU/L Dia 1 0,635 0,669 0,757 0,070±0,063 Dia 2 0,480 0,521 0,559 0,026±0,040 Dia 3 0,105 0,103 0,152 0,227±0,028 Dia 4 0,099 0,058 0,103 0,158±0,025 Dia 5 0,322 0,279 0,307 0,017±0,022 Dia 6 0,311 0,304 0,287 0,098±0,012 Dia 7 0,240 0,270 0,191 0,076±0,040 Fonte: Dados obtidos pelo autor. FIGURA 23 – Gráfico comparativo dos valores de celulase totais IU/L. Fonte: Dados das tabelas 7, 7.1 e 7.2. Os valores para quantificação de celulase total expressam a produção total das enzimas com atividade celulósica (endoglucanase – EC; β-glucosidase BG e celulase total em papel filtro – FP). Em ambas as linhagens SDC 2.8 (Aspergillus sp8) e linhagem 08 a produção de enzimas com atividades celulolíticas no primeiro dia foi alta, seguido de uma queda na taxa enzimática e aumento da produção entre os dias 4 e 5 finalizando com ligeira queda nos dias 6 e 7. Novamente, a linhagem 04 apresentou baixa atividade Fpásica total até o 6º dia de crescimento em fermentação submersa. A curva padrão da glicose feita com a amostra de glicose padrão do kit Glicose Bio Liquid da Laborclin (Figura 24) foi utilizada para a quantificação das enzimas β- glucosidase e celulase total. 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 dia1 dia2 dia3 dia4 dia5 dia6 dia7 celulase total (Ul/L) SDC 2.8 (Aspergillus sp8) Linhagem 04 Linhagem 08 FIGURA 24 – Curva padrão da glicose, feita com a amostra de glicose padrão do kit Glicose Bio Liquid da Laborclin. Fonte: Dados obtidos pelo autor. 6. CONCLUSÕES: Diante dos resultados expostos acima, grande parte das linhagens obtidas da amostra edáfica da zona afótica da gruta do catão em São Desidério-BA demonstraram, em algum grau, atividade celulolítica. A linhagem 08 se destacou em todos os testes de quantificação enzimática, ultrapassando, em alguns momentos, os resultados da SDC 2.8 (Aspergillus sp.8), cujo alto potencial enzimático foi demonstrado no mestrado do aluno Caio César Pires de Paula, levando a indicar o potencial de linhagens fúngicas cavernícolas para a produção de enzimas celulolíticas. A linhagem 04, apesar de apresentar crescimento significativo em fermentação submersa e produção enzimática total, não apresentou resultados expressivos de atividade celulolítica como as linhagens 2.8 e 08. A produção de enzimas celulolíticas em relação a produção de biomassa ficou abaixo do esperado. Após a verificação da linhagem 08 como pertencente ao filo das actinobactérias, concluiu-se que ecossistemas cavernícolas, e outros ambientes com características semelhantes, possuem grande potencial de desenvolvimento e isolamento de espécies microbiológicas com atividade celulolítica. Dessa forma, há um profundo interesse em continuar e desenvolver novas pesquisas semelhantes a esta, além de fortalecer a proteção e preservação ambiental desses ambientes devido ao potencial desse tipo de micro-habitat. y = 0,7555x - 0,0011 R² = 0,9918 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 C o n ce n tr aç ão g lic o se g .l- 1 Absorbância Curva padrão glicose (Kit Glicose Bio Liquid, Laborclin) Ademais, os fungos cavernícolas, assim como actinomicetos cavernícolas, possuem um grande potencial, ainda não amplamente explorado, em relação ao processo de degradação celulósica. Devido a isso, podem se tornar grandes aliados da indústria de etanol de segunda geração e do meio ambiente, pois, o aumento da produção de etanol 2G pode garantirum maior aproveitamento da cana de açúcar, aumentando a produção do biocombustível sem a necessidade de expansão agrícola. Todos os testes enzimáticos com as linhagens isoladas da caverna da Angélica mostraram-se positivos, o que reforça a necessidade de continuar pesquisas que tenham foco em bioprospecção de novas linhagens em ambientes extremos, assim como pesquisas que envolvam utilização dessas enzimas em indústrias. 7. ITENS QUE NÃO PUDERAM SER CONCLUÍDOS DEVIDO À PANDEMIA 1. A quantificação das atividades enzimáticas e a determinação da atividade de endoglucanase (CMCase) pelo método modificado segundo Ghose (1987). 2. Descrever todas as linhagens de fungos isoladas, observando as características macroscópicas e microscópicas das colônias. 3. Identificar as linhagens de fungos utilizando chaves de identificação. Todos esses itens dependiam de equipamentos de laboratório e não puderam ser realizados, já que a UFSCar suspendeu as atividades presenciais, em medida de proteção à COVID-19 (Portaria GR nº 4380 e resolução nº 319/2020 da UFSCar). 8. 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Carla Andréa Leite, todos os obstáculos que se impuseram durantea realização da pesquisa foram superados com êxito. ______________________________ Aluna: Carolina Targon Tiberio 10.AVALIAÇÃO DO(A) ORIENTADOR(A) ASSINADA: A aluna demonstrou grande maturidade no envolvimento com esse trabalho de pesquisa. Foi assídua e comprometida em seu trabalho e se engajou também em paralelo, à outras atividades durante o período da pandemia relacionadas à área de pesquisa. Foi monitora em minha disciplina de Microbiologia no ENPE. Sua atuação e conhecimento auxiliou muito no bom desempenho da disciplina. ____________________________________________ Profa. Dra Mirna Helena Regali Seleghim Stamp 11.DESTINO DO(A) ALUNO(A): O(A) orientador(a) deve informar sobre o destino do(a) aluno(a): se concluiu a graduação, se ingressou na pós-graduação (indicar o nome do Programa/Universidade). A aluna segue cursando a graduação na Universidade Federal de São Carlos – UFSCar, Campus São Carlos.
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