Miljømikrobiologisk objekt for studier og applikasjoner

4755
David Holt

De miljømikrobiologi er vitenskapen som studerer mangfoldet og funksjonen til mikroorganismer i deres naturlige omgivelser og anvendelsen av deres metabolske kapasitet i bioremedieringsprosesser av forurenset jord og vann. Det er vanligvis delt inn i fagene: mikrobiell økologi, geomikrobiologi og bioremediering.

Mikrobiologi (mikros: liten, bios: livstid, logoer: studie), studerer på en tverrfaglig måte en bred og mangfoldig gruppe mikroskopiske encellede organismer (fra 1 til 30 µm), kun synlig gjennom det optiske mikroskopet (usynlig for det menneskelige øye).

Figur 1. Til venstre: optisk mikroskop, et instrument som lar oss se mikroorganismer under forstørrelse (Kilde: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Til høyre: elektronmikrografi av vidt distribuerte naturlig forekommende bakterier av slekten Pseudomonas (Av: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Organismer gruppert sammen innen mikrobiologi er forskjellige i mange viktige henseender og tilhører veldig forskjellige taksonomiske kategorier. De eksisterer som isolerte eller assosierte celler og kan være:

  • Viktige prokaryoter (encellede organismer uten definert kjerne), som eubakterier og arkebakterier.
  • Enkle eukaryoter (encellede organismer med definerte kjerner), som gjær, filamentøs sopp, mikroalger og protozoer.
  • Virus (som ikke er cellulære, men er mikroskopiske).

Mikroorganismer er i stand til å utføre alle viktige prosesser (vekst, metabolisme, energiproduksjon og reproduksjon), uavhengig av andre celler i samme eller annen klasse.

Artikkelindeks

  • 1 Relevante mikrobielle egenskaper
    • 1.1 Samhandling med det ytre miljøet
    • 1.2 Metabolisme
    • 1.3 Tilpasning til svært forskjellige miljøer
    • 1.4 Ekstreme miljøer
    • 1.5 Ekstremofile mikroorganismer
  • 2 Molekylærbiologi anvendt på miljømikrobiologi
    • 2.1 Isolasjon og mikrobiell kultur
    • 2.2 Molekylærbiologiske verktøy
  • 3 Studieområder for miljømikrobiologi
    • 3.1 -Mikrobiell økologi
    • 3.2 -Geomikrobiologi
    • 3.3 -Bioremediering
  • 4 Anvendelser av miljømikrobiologi
  • 5 Referanser

Relevante mikrobielle egenskaper

Interaksjon med det ytre miljøet

Frilevende encellede organismer er spesielt utsatt for det ytre miljøet. I tillegg har de både en veldig liten cellestørrelse (som påvirker deres morfologi og metabolske fleksibilitet), og et høyt overflate / volumforhold, som genererer omfattende interaksjoner med omgivelsene..

På grunn av dette er både overlevelse og den mikrobielle økologiske fordelingen avhengig av deres kapasitet for fysiologisk tilpasning til hyppige miljøvariasjoner..

Metabolisme

Det høye overflate / volumforholdet genererer høye mikrobielle metabolske hastigheter. Dette er relatert til den raske veksten og celledeling. I tillegg er det et bredt mikrobielt metabolsk mangfold i naturen..

Mikroorganismer kan betraktes som kjemiske maskiner, som transformerer forskjellige stoffer både inne og ute. Dette skyldes dets enzymatiske aktivitet, som akselererer hastigheten på spesifikke kjemiske reaksjoner..

Tilpasning til svært forskjellige miljøer

Generelt er det mikrobielle mikrohabitatet dynamisk og heterogent med hensyn til typen og mengden næringsstoffer som er til stede, så vel som deres fysisk-kjemiske forhold..

Det er mikrobielle økosystemer:

  • Terrestrisk (på berg og jord).
  • Akvatiske (i hav, dammer, innsjøer, elver, varme kilder, akviferer).
  • Assosiert med høyere organismer (planter og dyr).

Ekstreme miljøer

Mikroorganismer finnes i praktisk talt alle miljøer på planeten Jorden, kjent eller ikke kjent for høyere livsformer.

Miljøer med ekstreme forhold med hensyn til temperatur, saltinnhold, pH og vanntilgjengelighet (blant andre ressurser), presenterer "ekstremofile" mikroorganismer. Disse er vanligvis hovedsakelig archaea (eller archaebacteria), som danner et primært biologisk domene som er differensiert fra det til bakterier og eukarya, kalt Archaea..

Figur 2. Habitater for ekstremofile mikroorganismer. Til venstre: Varm vår i Yellowstone nasjonalpark, hvor termofile mikroorganismer har blitt studert (Kilde: Jim Peaco, National Park Service [Public domain], via Wikimedia Commons). Til høyre: Antarktis, et sted der psykrofile mikroorganismer har blitt studert (Kilde: pxhere.com).

Ekstremofile mikroorganismer

Blant det store utvalget av ekstremofile mikroorganismer er det:

  • Termofiler: viser optimal vekst ved temperaturer over 40 ° C (innbyggere i varme kilder).
  • Psykrofiler: optimal vekst ved temperaturer under 20 ° C (innbyggere på steder med is).
  • Acidophilic: av optimal vekst under forhold med lav pH, nær 2 (sur). Til stede i sure varme kilder og vulkanske sprekker under vann.
  • Halofiler: krever høye konsentrasjoner av salt (NaCl) for å vokse (som i saltlake).
  • Xerofiler: tåler tørke, det vil si lav vannaktivitet (innbyggere i ørkener som Atacama i Chile).

Molekylærbiologi anvendt på miljømikrobiologi

Mikrobiell isolasjon og kultur

For å studere de generelle egenskapene og metabolske kapasiteten til en mikroorganisme, må den være: isolert fra sitt naturlige miljø og holdes i ren kultur (fri for andre mikroorganismer) i laboratoriet.

Figur 3. Mikrobiell isolasjon i laboratoriet. Til venstre: filamentøse sopp som vokser på fast kulturmedium (Kilde: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Til høyre: isolering av en bakteriestamme ved uttømningsteknikk (Kilde: Drhx [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], fra Wikimedia Commons).

Bare 1% av mikroorganismer som finnes i naturen har blitt isolert og dyrket i laboratoriet. Dette skyldes mangel på kunnskap om deres spesifikke ernæringsbehov og vanskeligheten med å simulere det store utvalget av eksisterende miljøforhold..

Molekylærbiologiske verktøy

Anvendelsen av molekylærbiologiske teknikker innen mikrobiell økologi har gjort det mulig å utforske den eksisterende mikrobielle biologiske mangfoldet, uten behov for isolasjon og dyrking i laboratoriet. Det har til og med gjort det mulig å identifisere mikroorganismer i deres naturlige mikrohabitater, det vil si, in situ.

Dette er spesielt viktig i studien av ekstremofile mikroorganismer, hvis optimale vekstbetingelser er kompliserte å simulere i laboratoriet..

På den annen side har rekombinant DNA-teknologi med bruk av genetisk modifiserte mikroorganismer tillatt eliminering av forurensende stoffer fra miljøet i bioremedieringsprosesser..

Studier områder av miljømikrobiologi

Som opprinnelig antydet, inkluderer de forskjellige studieområdene for miljømikrobiologi fagene mikrobiell økologi, geomikrobiologi og bioremediering..

-Mikrobiell økologi

Mikrobiell økologi smelter mikrobiologi med økologisk teori, gjennom studiet av mangfoldet av mikrobielle funksjonelle roller i deres naturlige miljø.

Mikroorganismer representerer den største biomassen på planeten Jorden, så det er ikke overraskende at deres økologiske funksjoner eller roller påvirker økosystemenes økologiske historie..

Et eksempel på denne innflytelsen er utseendet til aerobe livsformer takket være oksygenopphopning (Oto) i den primitive atmosfæren, generert av den fotosyntetiske aktiviteten til cyanobakterier.

Forskningsfelt innen mikrobiell økologi

Mikrobiell økologi er tverrgående til alle andre fagområder innen mikrobiologi og studier:

  • Mikrobielt mangfold og dens evolusjonære historie.
  • Interaksjoner mellom mikroorganismer i en befolkning og mellom populasjoner i et samfunn.
  • Interaksjoner mellom mikroorganismer og planter.
  • Fytopatogener (bakterielle, sopp- og virale).
  • Interaksjoner mellom mikroorganismer og dyr.
  • Mikrobielle samfunn, deres sammensetning og arvprosesser.
  • Mikrobielle tilpasninger til miljøforholdene.
  • Typer mikrobielle habitater (atmosfære-økosfære, hydro-økosfære, lito-økosfære og ekstreme habitater).

-Geomikrobiologi

Geomikrobiologi studerer mikrobielle aktiviteter som påvirker terrestriske geologiske og geokjemiske prosesser (biogeokjemiske sykluser).

Disse forekommer i atmosfæren, hydrosfæren og geosfæren, spesielt i miljøer som ferske sedimenter, grunnvannsforekomster i kontakt med sedimentære og magmatiske bergarter og i den forvitrede jordskorpen..

Den spesialiserer seg på mikroorganismer som samhandler med mineraler i sitt miljø, oppløser, transformerer, utfeller dem blant andre..

Geomikrobiologiske forskningsfelt

Geomikrobiologistudier:

  • Mikrobielle interaksjoner med geologiske prosesser (jorddannelse, bergnedbrytning, syntese og nedbrytning av mineraler og fossile brensler).
  • Dannelsen av mineraler av mikrobiell opprinnelse, enten ved nedbør eller ved oppløsning i økosystemet (for eksempel i akviferer).
  • Mikrobiell intervensjon i biogeokjemiske sykluser i geosfæren.
  • Mikrobielle interaksjoner som danner uønskede klumper av mikroorganismer på en overflate (biofouling). Denne biofouling kan føre til forringelse av overflatene de bor i. For eksempel kan de korrodere metalloverflater (biokorrosjon).
  • Fossilt bevis på interaksjoner mellom mikroorganismer og mineraler fra deres primitive miljø.

For eksempel er stromatolitter stratifiserte fossile mineralstrukturer fra grunt vann. De består av karbonater som kommer fra veggene til primitive cyanobakterier.

Figur 4. Til venstre: fossile stromatolitter på grunt farvann (Venstre fotokilde: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Høyre: detalj av stromatolittene (høyre fotokilde: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Biomedisinering

Bioremediering studerer anvendelsen av biologiske midler (mikroorganismer og / eller enzymer og planter derav), i prosesser for utvinning av jord og vann som er forurenset med stoffer som er farlige for menneskers helse og miljøet..

Figur 5. Oljeforurensning i den ecuadorianske Amazonas regnskogen. Kilde: Ecuadorian Chancellery [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], via Wikimedia Commons

Mange av miljøproblemene som for øyeblikket eksisterer, kan løses ved bruk av den mikrobielle komponenten i det globale økosystemet..

Forskningsfelt for biomedisinering

Biomedisineringsstudier:

  • De mikrobielle metabolske kapasitetene som gjelder i miljømessige sanitetsprosesser.
  • Mikrobielle interaksjoner med uorganiske og xenobiotiske forurensninger (giftige syntetiske produkter, ikke generert av naturlige biosyntetiske prosesser). Blant de mest studerte xenobiotiske forbindelsene er halokarboner, nitroaromater, polyklorerte bifenyler, dioksiner, alkylbenzylsulfonater, petroleumhydrokarboner og plantevernmidler. Blant de mest studerte uorganiske elementene er tungmetaller.
  • Den biologiske nedbrytbarheten til miljøforurensende stoffer in situ og i laboratorium.

Anvendelser av miljømikrobiologi

Blant de mange anvendelsene av denne enorme vitenskapen kan vi sitere:

  • Oppdagelsen av nye mikrobielle metabolske veier med potensielle applikasjoner i kommersielle verdiprosesser.
  • Rekonstruksjon av mikrobielle fylogenetiske forhold.
  • Analyse av akviferer og offentlige drikkevannsforsyninger.
  • Oppløsning eller utvasking (bioutlekking) av metaller i mediet for gjenvinning.
  • Biohydrometallurgi eller biomining av tungmetaller, i bioremedieringsprosesser i forurensede områder.
  • Biokontroll av mikroorganismer involvert i biokorrosjon av beholdere med radioaktivt avfall oppløst i underjordiske akviferer.
  • Rekonstruksjon av primitiv terrestrisk historie, paleomiljø og primære livsformer.
  • Konstruksjon av nyttige modeller i jakten på forstenet liv på andre planeter, for eksempel Mars.
  • Sanering av områder forurenset med fremmedfryske eller uorganiske stoffer, for eksempel tungmetaller.

Referanser

  1. Ehrlich, H. L. og Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologi. Femte utgave, CRC Press. s. 630.
  2. Malik, A. (2004). Metallbioremediering gjennom voksende celler. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Miljøforurensningskontroll mikrobiologi. M. Dekker. s 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologi. Femte utgave, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. s. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiler som kilde for nye enzymer. Nåværende mening i mikrobiologi, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S. C. og Jones, K. C. (1993). Bioremediering av jord forurenset med polynukleære aromatiske hydrokarboner (PAHer): En gjennomgang. Miljøforurensning, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.