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A maioria dos microrganismos da Terra não pode ser cultivada em laboratório, muitas vezes porque dependem de outros micróbios dentro de suas comunidades nativas. Uma coluna de Winogradsky, batizada em homenagem ao seu inventor Sergei Winogradsky, é um ecossistema fechado em miniatura que enriquece as comunidades microbianas dentro de uma amostra de sedimento, permitindo que os cientistas estudem muitos dos micróbios que desempenham um papel vital nos processos biogeoquímicos da Terra, sem a necessidade de isolá-los e cultivá-los individualmente.
Normalmente, lama e água de um ecossistema, como uma lagoa ou um pântano, são misturadas. Como um experimento opcional, o sal pode ser adicionado a essa mistura para enriquecer várias espécies de halófilos. Em seguida, uma pequena porção da mistura é suplementada com carbono, geralmente na forma de celulose de jornal, e enxofre, geralmente de uma gema de ovo. Para outro experimento opcional, um prego pode ser adicionado a essa mistura para enriquecer certas espécies de Gallionella. Essa nova mistura é então adicionada a uma coluna transparente, de modo que a coluna fique um quarto cheia. Finalmente, o resto da mistura de lama e mais água são adicionados à coluna até que esteja quase cheia.
A sucessão, que se refere ao desenvolvimento consecutivo de diferentes comunidades microbianas ao longo do tempo, pode ser observada em tempo real com uma coluna de Winogradsky. À medida que os micróbios crescem dentro da coluna, eles consomem substratos específicos e alteram a química de seu ambiente. Quando seus substratos se esgotam, os micróbios originais morrem e micróbios com diferentes necessidades metabólicas podem florescer no ambiente alterado. Com o tempo, camadas visivelmente distintas começam a se formar, cada uma contendo partes de uma comunidade bacteriana com diferentes necessidades microambientais.
Por exemplo, micróbios fotossintéticos, em grande parte compostos de cianobactérias, formam camadas verdes ou marrom-avermelhadas perto do topo da coluna. Como a fotossíntese produz oxigênio, muitas vezes visto como bolhas na parte superior da coluna, um gradiente é formado com as maiores concentrações de oxigênio perto do topo e as mais baixas na parte inferior. Dependendo dos substratos disponíveis, diferentes comunidades microbianas podem crescer na camada inferior anaeróbica. Bolhas nesta camada podem indicar a presença de metanogênios, que criam gás metano por fermentação. Aqui, a fermentação microbiana da celulose resulta em ácidos orgânicos. Os redutores de sulfato oxidam esses ácidos para produzir sulfeto, e sua atividade é indicada pelo sedimento negro. O sulfeto se difunde para cima na coluna, criando mais um gradiente onde as concentrações de sulfeto são mais altas na parte inferior da coluna e mais baixas perto do topo. No meio da coluna, os oxidantes de enxofre utilizam o oxigênio de cima e o sulfeto de baixo. Com luz adequada, oxidantes fotossintéticos de enxofre, como bactérias sulfurosas verdes e roxas, se desenvolvem. As bactérias verdes sulfurosas toleram concentrações mais altas de sulfeto. Assim, eles crescem diretamente abaixo da bactéria sulfurosa roxa. Diretamente acima dessa camada, as bactérias roxas sem enxofre formam uma camada vermelho-laranja. Os oxidantes de enxofre não fotossintéticos são indicados pela presença de filamentos brancos.
Condições como luz e temperatura também podem ser variadas para enriquecer outras comunidades. Neste vídeo, você aprenderá como construir uma coluna Winogradsky e variar as condições de cultivo e substratos para enriquecer comunidades microbianas específicas.
Primeiro, localize um ecossistema aquático apropriado, como uma lagoa ou pântano. As amostras de sedimentos devem vir da área próxima à beira da água e estar completamente saturadas com água. Em seguida, use uma pá e um balde para coletar de um a dois litros de lama saturada. Em seguida, obtenha aproximadamente três litros de água doce da mesma fonte e retorne ao laboratório com as amostras de campo.
No laboratório, coloque o equipamento de proteção individual apropriado, incluindo jaleco e luvas. Agora, transfira aproximadamente 750 mililitros de lama para uma tigela. Em seguida, peneire a lama para remover grandes pedras, galhos ou folhas e use uma colher para quebrar os aglomerados. Em seguida, adicione um pouco da água fresca à tigela e mexa com uma colher grande. Adicione água até que a consistência da mistura de água e lama seja semelhante a um milkshake. Continue a certificar-se de que não há grumos.
Como um experimento opcional, selecione bactérias halofílicas adicionando 25 a 50 miligramas de sal à mistura de lama.
Em seguida, transfira aproximadamente 1/3 da mistura de água e lama para uma segunda tigela. Adicione uma gema de ovo e um punhado de jornal picado à tigela. Em seguida, adicione esta mistura à coluna, até que esteja cerca de 1/4 cheia. Em seguida, adicione a mistura de água e lama sem o ovo e o jornal à coluna, até que esteja aproximadamente 3/4 cheia. Em seguida, adicione mais água à coluna, deixando um espaço de 1/2 polegada no topo. Cubra a coluna com filme plástico e prenda-a com um elástico.
Incube a coluna na luz perto de uma janela em temperatura ambiente pelas próximas quatro a oito semanas. Durante todo o período de incubação, monitore as mudanças na coluna de Winogradsky pelo menos uma vez por semana para o desenvolvimento de diferentes camadas coloridas e a formação de bolhas. Além disso, registre o tempo que leva para que diferentes camadas se desenvolvam.
Outra modificação que pode ser feita é incubar a coluna perto de um radiador para selecionar bactérias termofílicas ou em uma geladeira para selecionar bactérias psicrófilas. Varie as condições de luz colocando diferentes colunas com muita luz, pouca luz ou escuridão para incubar. Como alternativa, limite o comprimento de onda da luz recebida cobrindo a coluna com diferentes tons de celofane para determinar quais cores são selecionadas para diferentes grupos bacterianos. Para outro experimento opcional, para enriquecer as bactérias oxidantes de ferro, adicione um prego à mistura de água e lama antes da adição de jornal e gema de ovo.
Após uma a duas semanas, o crescimento da camada de cianobactérias é indicado por uma película verde ou marrom-avermelhada no topo da camada de lama da coluna clássica de Winogradsky. Com o tempo, o aparecimento e a evolução das diferentes camadas são monitorados, cada uma indicativa dos diferentes tipos de bactérias presentes. Ao comparar uma coluna cultivada no escuro com uma coluna Winogradsky tradicional, vemos que o tratamento escuro produz a camada preta na parte inferior da coluna, indicativa de bactérias redutoras de sulfato.
A coluna escura também pode produzir outras camadas, dependendo de outras condições de incubação. Além disso, a coluna escura não produz a camada de cianobactérias verdes, nem as camadas vermelhas, roxas ou verdes indicativas de bactérias roxas sem enxofre, enxofre roxo e enxofre verde, respectivamente. Esses grupos dependem da luz para crescer.