Przedmiot badań i zastosowań mikrobiologii środowiskowej

Plik mikrobiologia środowiskowa to nauka zajmująca się badaniem różnorodności i funkcji mikroorganizmów w ich naturalnym środowisku oraz zastosowania ich zdolności metabolicznych w procesach bioremediacji skażonych gleb i wód. Zwykle dzieli się na dyscypliny: ekologia drobnoustrojów, geomikrobiologia i bioremediacja.

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

Organizmy zgrupowane razem w dziedzinie mikrobiologii są odmienne pod wieloma ważnymi względami 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 archebakterie.
• Proste eukarionty (organizmy jednokomórkowe o określonych jądrach), takie jak drożdże, grzyby strzępkowe, mikroalgi i pierwotniaki.
• Wirusy (które nie są komórkowe, ale są mikroskopijne).

Mikroorganizmy są zdolne do przeprowadzania wszystkich swoich procesów życiowych (wzrostu, metabolizmu, wytwarzania energii i rozmnażania), niezależnie od innych komórek tej samej lub innej klasy.

Indeks artykułów

• 1 Istotne cechy mikrobiologiczne
  • 1.1 Interakcja ze środowiskiem zewnętrznym
  • 1.2 Metabolizm
  • 1.3 Przystosowanie do bardzo zróżnicowanych środowisk
  • 1.4 Ekstremalne środowiska
  • 1.5 Mikroorganizmy ekstremofilne
• 2 Biologia molekularna stosowana w mikrobiologii środowiskowej
  • 2.1 Izolacja i kultura drobnoustrojów
  • 2.2 Narzędzia biologii molekularnej
• 3 Obszary badań mikrobiologii środowiskowej
  • 3.1 - Ekologia mikrobiologiczna
  • 3.2 -Geomikrobiologia
  • 3.3 -Bioremediacja
• 4 Zastosowania mikrobiologii środowiskowej
• 5 Referencje

Odpowiednie cechy mikrobiologiczne

Interakcja ze środowiskiem zewnętrznym

Wolno żyjące organizmy jednokomórkowe są szczególnie narażone na działanie środowiska zewnętrznego. Ponadto mają zarówno bardzo mały rozmiar komórek (co wpływa na ich morfologię i elastyczność metaboliczną), jak i wysoki stosunek powierzchni do objętości, co powoduje szerokie interakcje z ich środowiskiem..

Z tego powodu zarówno przetrwanie, jak i rozkład ekologiczny drobnoustrojów zależą od ich zdolności do fizjologicznej adaptacji do częstych zmian środowiskowych..

Metabolizm

Wysoki stosunek powierzchni do objętości powoduje wysokie tempo metabolizmu drobnoustrojów. Jest to związane z szybkim tempem wzrostu i podziału komórek. Ponadto w przyrodzie występuje szerokie zróżnicowanie metaboliczne drobnoustrojów..

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

Adaptacja do bardzo zróżnicowanych środowisk

Ogólnie rzecz biorąc, mikrosiedlisko drobnoustrojów jest dynamiczne i niejednorodne pod względem rodzaju i ilości obecnych składników pokarmowych, a także ich warunków fizykochemicznych..

Istnieją ekosystemy mikrobiologiczne:

• Ziemia (na skałach i glebie).
• Wodne (w oceanach, stawach, jeziorach, rzekach, gorących źródłach, warstwach wodonośnych).
• Związane z organizmami wyższymi (roślinami i zwierzętami).

Ekstremalne warunki

Mikroorganizmy występują praktycznie w każdym środowisku na Ziemi, znanym lub nie wyższym formom życia.

W środowiskach o ekstremalnych warunkach pod względem temperatury, zasolenia, pH i dostępności wody (między innymi) występują mikroorganizmy „ekstremofilne”. Są to przeważnie archeony (lub archebakterie), które tworzą pierwotną domenę biologiczną, różniącą się od domeny Bacteria i Eukarya, zwaną Archaea..

Mikroorganizmy ekstremofilne

Wśród szerokiej gamy mikroorganizmów ekstremofilnych są:

• Termofile: wykazujący optymalny wzrost w temperaturach powyżej 40 ° C (mieszkańcy źródeł termalnych).
• Psychrofile: o optymalnym wzroście w temperaturach poniżej 20 ° C (mieszkańcy miejsc z lodem).
• Acidophilic: o optymalnym wzroście w warunkach niskiego pH, bliskiego 2 (kwaśne). Występuje w kwaśnych gorących źródłach i podwodnych szczelinach wulkanicznych.
• Halofile: do wzrostu wymagają wysokich stężeń soli (NaCl) (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 hodowla drobnoustrojów

Aby zbadać ogólną charakterystykę i możliwości metaboliczne mikroorganizmu, należy: odizolować go od naturalnego środowiska i przechowywać w czystej kulturze (wolnej od innych mikroorganizmów) w laboratorium.

Tylko 1% mikroorganizmów występujących w przyrodzie zostało wyizolowanych i wyhodowanych w laboratorium. Wynika to z braku wiedzy na temat ich specyficznych wymagań żywieniowych i trudności w symulowaniu ogromnej różnorodności istniejących warunków środowiskowych..

Narzędzia biologii molekularnej

Zastosowanie technik biologii molekularnej w dziedzinie ekologii drobnoustrojów umożliwiło badanie istniejącej różnorodności biologicznej drobnoustrojów, bez konieczności ich izolacji i hodowli w laboratorium. Umożliwił nawet identyfikację mikroorganizmów w ich naturalnych mikrośrodowiskach, czyli, in situ.

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

Z drugiej strony technologia rekombinacji DNA z wykorzystaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie pozwoliła na eliminację substancji zanieczyszczających ze środowiska w procesach bioremediacji..

Studia z zakresu mikrobiologii środowiskowej

Jak początkowo wskazano, różne obszary badań mikrobiologii środowiskowej obejmują dyscypliny ekologii drobnoustrojów, geomikrobiologii i bioremediacji..

-Ekologia drobnoustrojów

Ekologia drobnoustrojów łączy mikrobiologię z teorią ekologiczną poprzez badanie różnorodności ról funkcjonalnych mikroorganizmów w ich środowisku naturalnym.

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

Przykładem tego wpływu jest pojawienie się tlenowych form życia dzięki gromadzeniu się tlenu (O_dwa) w pierwotnej atmosferze, generowanej przez fotosyntetyczną aktywność sinic.

Dziedziny badań ekologii drobnoustrojów

Ekologia drobnoustrojów jest przekrojowa w stosunku do wszystkich innych dyscyplin mikrobiologii i badań:

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

-Geomikrobiologia

Geomikrobiologia bada aktywność drobnoustrojów, która wpływa na ziemskie procesy geologiczne i geochemiczne (cykle biogeochemiczne).

Występują one w atmosferze, hydrosferze i geosferze, szczególnie w środowiskach takich jak niedawne osady, zbiorniki wód gruntowych w kontakcie ze skałami osadowymi i magmowymi oraz w zwietrzałej skorupie ziemskiej..

Specjalizuje się w mikroorganizmach, które wchodzą w interakcje z minerałami w swoim środowisku, m.in. rozpuszczając je, przekształcając, wytrącając je..

Dziedziny badań geomikrobiologicznych

Badania geomikrobiologiczne:

• Interakcje drobnoustrojów z procesami geologicznymi (tworzenie gleby, rozpad skał, synteza i degradacja minerałów i paliw kopalnych).
• Tworzenie się minerałów pochodzenia drobnoustrojowego przez wytrącanie lub rozpuszczanie w ekosystemie (na przykład w warstwach wodonośnych).
• Mikrobiologiczna interwencja w biogeochemiczne cykle geosfery.
• Oddziaływania drobnoustrojów, które tworzą niepożądane skupiska mikroorganizmów na powierzchni (biofouling). Te bioosady mogą powodować zniszczenie powierzchni, na których zamieszkują. Na przykład mogą powodować korozję powierzchni metalowych (korozja biologiczna).
• Skamieniałe dowody interakcji między mikroorganizmami a minerałami z ich prymitywnego środowiska.

Na przykład stromatolity to uwarstwione kopalne struktury mineralne z płytkich wód. Zbudowane są z węglanów pochodzących ze ścianek prymitywnych cyjanobakterii.

-Bioremediacja

Bioremediacja zajmuje się zastosowaniem czynników biologicznych (mikroorganizmów i / lub ich enzymów oraz roślin) w procesach odzyskiwania gleb i wód zanieczyszczonych substancjami niebezpiecznymi dla zdrowia człowieka i środowiska..

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

Dziedziny badań bioremediacyjnych

Badania bioremediacyjne:

• Możliwości metaboliczne drobnoustrojów mające zastosowanie w procesach sanityzacji środowiska.
• Oddziaływania drobnoustrojów z zanieczyszczeniami nieorganicznymi i ksenobiotycznymi (toksyczne produkty syntetyczne, nie wytwarzane w naturalnych procesach biosyntezy). Do najczęściej badanych związków ksenobiotyków zalicza się halowęglowodory, nitroaromaty, polichlorowane bifenyle, dioksyny, sulfoniany alkilobenzylu, węglowodory ropopochodne i pestycydy. Do najczęściej badanych pierwiastków nieorganicznych należą metale ciężkie.
• Biodegradowalność zanieczyszczeń środowiska in situ iw laboratorium.

Zastosowania mikrobiologii środowiskowej

Wśród wielu zastosowań tej rozległej nauki możemy przytoczyć:

• Odkrycie nowych szlaków metabolicznych drobnoustrojów z potencjalnymi zastosowaniami w procesach o wartości komercyjnej.
• Rekonstrukcja mikrobiologicznych powiązań filogenetycznych.
• Analiza warstw wodonośnych i publicznych zasobów wody pitnej.
• Rozpuszczanie lub ługowanie (bioługowanie) metali w pożywce w celu ich odzyskania.
• Biohydrometalurgia czyli biomining metali ciężkich w procesach bioremediacji terenów skażonych.
• Biokontrola mikroorganizmów biorących udział w biokorozji pojemników na odpady promieniotwórcze rozpuszczonych w podziemnych warstwach wodonośnych.
• Rekonstrukcja pierwotnej historii ziemskiej, paleośrodowiska i pierwotnych form życia.
• Budowa użytecznych modeli w poszukiwaniu skamieniałego życia na innych planetach, takich jak Mars.
• Sanitacja terenów skażonych substancjami ksenobiotycznymi lub nieorganicznymi, np. Metalami ciężkimi.

Bibliografia

1. Ehrlich, H. L. and Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologia. Piąta edycja, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediacja metali poprzez rosnące komórki. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczeń środowiska. M. Dekker. pp 453.
4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologia. Piąta edycja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 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. Zanieczyszczenie środowiska, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.