Przedmiot badań i zastosowania mikrobiologii środowiskowej



The mikrobiologia środowiskowa jest nauką, która bada różnorodność i funkcję mikroorganizmów w ich naturalnym środowisku i zastosowania ich zdolności metabolicznych w procesach bioremediacji zanieczyszczonej gleby i wody. Zwykle dzieli się na dyscypliny: ekologia mikroorganizmów, geomikrobiologia i bioremediacja.

Mikrobiologia (mikros: mały, bios: życie, loga: badanie), bada w sposób interdyscyplinarny szeroką i różnorodną grupę jednokomórkowych organizmów mikroskopowych (od 1 do 30 μm), widocznych tylko przez mikroskop optyczny (niewidoczny dla ludzkiego oka).

Organizmy zgrupowane w dziedzinie mikrobiologii różnią się pod wieloma istotnymi aspektami i należą do bardzo różnych kategorii taksonomicznych. Istnieją jako izolowane lub powiązane komórki i mogą być:

  • Główne prokarioty (organizmy jednokomórkowe bez określonego jądra), takie jak eubakterie i archaebakterie.
  • Proste eukarionty (organizmy jednokomórkowe o określonym jądrze), takie jak drożdże, grzyby nitkowate, mikroalgi i pierwotniaki.
  • Wirusy (które nie są komórkowe, ale mikroskopowe).

Mikroorganizmy są zdolne do wykonywania wszystkich swoich procesów życiowych (wzrost, metabolizm, wytwarzanie energii i rozmnażanie), niezależnie od innych komórek tej samej klasy lub innych.

Indeks

  • 1 Odpowiednie właściwości mikrobiologiczne
    • 1.1 Interakcja ze środowiskiem zewnętrznym
    • 1.2 Metabolizm
    • 1.3 Dostosowanie do bardzo zróżnicowanych środowisk
    • 1.4 Ekstremalne środowiska
    • 1.5 Ekstremofilne mikroorganizmy
  • 2 Biologia molekularna stosowana w mikrobiologii środowiskowej
    • 2.1 Izolacja i kultura mikrobiologiczna
    • 2.2 Narzędzia biologii molekularnej
  • 3 Obszary badań mikrobiologii środowiskowej
    • 3.1 - Ekologia mikrobiologiczna
    • 3.2 -Geomikrobiologia
    • 3.3 -Bredremediation
  • 4 Zastosowania mikrobiologii środowiskowej
  • 5 referencji

Odpowiednie właściwości mikrobiologiczne

Interakcja ze środowiskiem zewnętrznym

Organizmy jednokomórkowe wolnego życia są szczególnie narażone na środowisko zewnętrzne. Ponadto mają one zarówno bardzo mały rozmiar komórek (co wpływa na ich morfologię i elastyczność metaboliczną), jak i wysoki stosunek powierzchni do objętości, co generuje rozległe interakcje z ich środowiskiem.

Z tego powodu zarówno przeżycie, jak i ekologiczna dystrybucja mikrobiologiczna zależą od ich zdolności do fizjologicznego dostosowania się do częstych zmian środowiskowych.

Metabolizm

Wysoki stosunek powierzchni do objętości generuje wysokie tempo metabolizmu drobnoustrojów. Jest to związane z jego szybkim tempem wzrostu i podziałem komórek. Ponadto istnieje duża różnorodność mikrobiologiczna w przyrodzie.

Mikroorganizmy można uznać za maszyny chemiczne, które przekształcają różne substancje zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Wynika to z jego aktywności enzymatycznej, która przyspiesza szybkość określonych reakcji chemicznych.

Dostosowanie do bardzo zróżnicowanych środowisk

Ogólnie rzecz biorąc, mikrobiologiczne siedlisko mikrobiologiczne jest dynamiczne i niejednorodne pod względem rodzaju i ilości obecnych składników odżywczych, jak również jego warunków fizykochemicznych.

Istnieją ekosystemy mikrobiologiczne:

  • Terrestrial (w skałach i glebie).
  • Wodne (w oceanach, stawach, jeziorach, rzekach, gorących źródłach, warstwach wodonośnych).
  • Związane z organizmami wyższymi (rośliny i zwierzęta).

Ekstremalne środowiska

Mikroorganizmy występują praktycznie we wszystkich środowiskach na Ziemi, znane lub nie do wyższych form życia.

Środowiska o ekstremalnych warunkach dotyczących temperatury, zasolenia, pH i dostępności wody (między innymi zasobami), obecne mikroorganizmy „ekstremofilne”. Są to głównie archeony (lub archaebakterie), które tworzą podstawową domenę biologiczną zróżnicowaną od bakterii i eukariów, zwanych archeonami..

Ekstremofilne mikroorganizmy

Wśród szerokiej gamy mikroorganizmów ekstremofilnych są:

  • Termofile: które zapewniają optymalny wzrost w temperaturach powyżej 40 ° C (mieszkańcy źródeł termalnych).
  • Psychofilne: optymalny wzrost w temperaturze poniżej 20 ° C (mieszkańcy miejsc z lodem).
  • Acidófilos: optymalny wzrost w warunkach niskiego pH, bliski 2 (kwas). Obecny w kwaśnych wodach termalnych i podwodnych pęknięciach wulkanicznych.
  • Halofile: które wymagają wysokich stężeń soli (NaCl) do wzrostu (jak w solankach).
  • Kserofile: są w stanie wytrzymać suszę, czyli niską aktywność wody (mieszkańcy pustyń, takich jak Atacama w Chile).

Biologia molekularna stosowana w mikrobiologii środowiskowej

Izolacja i kultura mikrobiologiczna

Aby zbadać ogólną charakterystykę i zdolności metaboliczne mikroorganizmu, musi on być: wyizolowany ze swojego naturalnego środowiska i przechowywany w czystej kulturze (wolnej od innych mikroorganizmów) w laboratorium.

Tylko 1% mikroorganizmów występujących w przyrodzie zostało wyizolowanych i hodowanych w laboratorium. Wynika to z nieznajomości ich specyficznych wymagań żywieniowych i trudności w symulowaniu ogromnej różnorodności istniejących warunków środowiskowych.

Narzędzia biologii molekularnej

Zastosowanie technik biologii molekularnej w dziedzinie ekologii mikrobiologicznej pozwoliło nam zbadać istniejącą bioróżnorodność mikrobiologiczną, bez potrzeby jej izolacji i kultury w laboratorium. Pozwoliło nawet zidentyfikować mikroorganizmy w ich naturalnych mikrosiedliskach, to znaczy, in situ.

Jest to szczególnie ważne w badaniu mikroorganizmów ekstremofilnych, których optymalne warunki wzrostu są skomplikowane do symulacji w laboratorium.

Z drugiej strony technologia rekombinowanego DNA z wykorzystaniem genetycznie zmodyfikowanych mikroorganizmów pozwoliła na eliminację zanieczyszczeń ze środowiska w procesach bioremediacji.

Obszary badań mikrobiologii środowiskowej

Jak wskazano początkowo, różne obszary badań mikrobiologii środowiskowej obejmują dziedziny ekologii mikrobiologicznej, geomikrobiologii i bioremediacji.

-Ekologia mikrobiologiczna

Ekologia mikrobiologiczna łączy mikrobiologię z teorią ekologiczną, poprzez badanie różnorodności mikrobiologicznych funkcji funkcjonalnych w ich naturalnym środowisku.

Mikroorganizmy stanowią największą biomasę na Ziemi, więc nie jest zaskakujące, że ich role lub role ekologiczne wpływają na ekologiczną historię ekosystemów.

Przykładem tego wpływu jest pojawienie się tlenowych form życia dzięki akumulacji tlenu (OR2) w prymitywnej atmosferze, generowanej przez fotosyntetyczną aktywność sinic.

Dziedziny badań ekologii mikrobiologicznej

Ekologia mikrobiologiczna jest przekrojowa dla wszystkich innych dyscyplin mikrobiologii i badań:

  • Różnorodność mikrobiologiczna i jej ewolucyjna historia.
  • Interakcje między mikroorganizmami populacji i między populacjami w społeczności.
  • Interakcje między mikroorganizmami a roślinami.
  • Fitopatogeny (bakteryjne, grzybicze i wirusowe).
  • Interakcje między mikroorganizmami a zwierzętami.
  • Społeczności drobnoustrojów, ich skład i procesy sukcesji.
  • Adaptacje mikrobiologiczne do warunków środowiskowych.
  • Rodzaje siedlisk mikrobiologicznych (atmosfera, hydrokosfera, lito-ekosfera i ekstremalne siedliska).

-Geomikrobiologia

Geomikrobiologia bada działania mikrobiologiczne, które wpływają na procesy geologiczne i geochemiczne (ziemskie cykle biogeochemiczne).

Występują one w atmosferze, hydrosferze i geosferze, szczególnie w środowiskach takich jak ostatnie osady, ciała podziemne w kontakcie ze skałami osadowymi i magmowymi oraz w zwietrzałej skorupie ziemskiej.

Specjalizuje się w mikroorganizmach, które oddziałują z minerałami w ich środowisku, rozpuszczając je, przekształcając je, wytrącając je między innymi..

Obszary badań Geomikrobiologii

Badania geomikrobiologiczne:

  • Interakcje mikrobiologiczne z procesami geologicznymi (tworzenie gleby, zrywanie skał, synteza i degradacja minerałów i paliw kopalnych).
  • Tworzenie minerałów pochodzenia mikrobiologicznego, albo przez wytrącanie, albo przez rozpuszczanie w ekosystemie (na przykład w warstwach wodonośnych).
  • Interwencja mikrobiologiczna w cyklach biogeochemicznych geosfery.
  • Interakcje mikrobiologiczne, które tworzą niepożądane grudki mikroorganizmów na powierzchni (biofouling). Te biofouling mogą powodować pogorszenie powierzchni, które zamieszkują. Na przykład mogą powodować korozję powierzchni metalowych (biokorozja).
  • Fossil dowód interakcji między mikroorganizmami i minerałami w ich pierwotnym środowisku.

Na przykład stromatolity są warstwowymi kopalnymi strukturami mineralnymi płytkiej wody. Składają się z węglanów pochodzących ze ścian prymitywnych sinic.

-Bioremediacja

Bioremediacja bada zastosowanie czynników biologicznych (mikroorganizmów i / lub ich enzymów i roślin) w procesach odzyskiwania gleby i wody zanieczyszczonych substancjami niebezpiecznymi dla zdrowia ludzkiego i środowiska.

Wiele istniejących problemów środowiskowych można rozwiązać za pomocą mikrobiologicznego składnika globalnego ekosystemu.

Dziedziny badań bioremediacji

Badania bioremediacyjne:

  • Mikrobiologiczne zdolności metaboliczne stosowane w procesach sanitarnych w środowisku.
  • Interakcje mikrobiologiczne z zanieczyszczeniami nieorganicznymi i ksenobiotycznymi (toksyczne produkty syntetyczne, nie generowane przez naturalne procesy biosyntezy). Do najbardziej badanych związków ksenobiotycznych należą halokarbony, nitroaromaty, polichlorowane bifenyle, dioksyny, sulfoniany alkilobenzylu, węglowodory naftowe i pestycydy. Wśród najbardziej zbadanych pierwiastków nieorganicznych znajdują się metale ciężkie.
  • Biodegradowalność zanieczyszczeń środowiska in situ iw laboratorium.

Zastosowania mikrobiologii środowiskowej

Wśród wielu zastosowań tej ogromnej nauki możemy wspomnieć:

  • Odkrycie nowych mikrobiologicznych szlaków metabolicznych z potencjalnymi zastosowaniami w procesach o wartości handlowej.
  • Rekonstrukcja mikrobiologicznych związków filogenetycznych.
  • Analiza poziomów wodonośnych i publicznych zasobów wody pitnej.
  • Rozpuszczanie lub ługowanie (bioługowanie) metali w podłożu do odzysku.
  • Biohydrometalurgia lub biomechanika metali ciężkich w procesach bioremediacji obszarów zanieczyszczonych.
  • Biokontrola mikroorganizmów biorących udział w biokorozji pojemników na odpady radioaktywne rozpuszczonych w podziemnych warstwach wodonośnych.
  • Rekonstrukcja pierwotnej historii ziemskiej, paleośrodowiska i prymitywnych form życia.
  • Konstrukcja użytecznych modeli w poszukiwaniu skamieniałego życia na innych planetach, takich jak Mars.
  • Sanitacja obszarów zanieczyszczonych substancjami ksenobiotycznymi lub nieorganicznymi, takimi jak metale ciężkie.

Referencje

  1. Ehrlich, H. L. i Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologia. Piąta edycja, CRC Press. str. 630.
  2. Malik, A. (2004). Bioremediacja metali przez rosnące komórki. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczenia środowiska. M. Dekker str. 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologia Piąta edycja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofile jako źródło nowych enzymów. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S.C. i Jones, K.C. (1993). Bioremediacja gleby zanieczyszczonej wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA): przegląd. Environmental Pollution, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.