YMPÄRISTÖMIKROBIOLOGIA: TUTKIMUKSEN KOHDE JA SOVELLUKSET - BIOLOGIA - 2026

Environmental Microbiology on ala, jolla tutkitaan monimuotoisuus ja toiminta mikro-organismien luonnonympäristöjen ja sovelluksia niiden aineenvaihduntatuotteiden valmiuksia bioremediaatiossa saastuneen maaperän ja veden. Se on yleensä jaettu seuraaviin tieteenaloihin: mikrobiologia, geomikrobiologia ja bioremediaatio.

Mikrobiologia (mikros: pieni, bios: elämä, logot: tutkimus), tutkii monitieteellisesti laajaa ja monimuotoista mikroskooppisten yksisoluisten organismien ryhmää (1 - 30 µm), joka on näkyvissä vain optisen mikroskoopin kautta (ihmissilmälle näkymätön).).

Kuva 1. Vasemmalla: optinen mikroskooppi, instrumentti, joka antaa mahdollisuuden tarkastella mikro-organismeja suurennettuna (Lähde: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Oikealla: elektronimikrosarja Pseudomonas-suvun laajalti levinneistä bakteereista (kirjoittanut: CDC, kohteliaisuus: Public Health Image Library).

Mikrobiologian alalla ryhmitellyt organismit eroavat toisistaan ​​monessa tärkeässä suhteessa ja kuuluvat hyvin erilaisiin taksonomisiin luokkiin. Ne ovat eristettyinä tai assosioituneina soluina ja voivat olla:

• Tärkeimmät prokaryootit (yksisoluiset organismit, joilla ei ole määriteltyä ydintä), kuten eubakteerit ja arkebakteerit.
• Yksinkertaiset eukaryootit (yksisoluiset organismit, joilla on määritelty ydin), kuten hiivat, rihmasienet, mikrolevät ja alkueläimet.
• Virukset (jotka eivät ole soluisia, mutta ovat mikroskooppisia).

Mikro-organismit kykenevät suorittamaan kaikki elintärkeät prosessinsa (kasvu, aineenvaihdunta, energiantuotanto ja lisääntyminen) riippumatta muista saman tai eri luokan soluista.

Asiaa koskevat mikrobiominaisuudet

Vuorovaikutus ulkoisen ympäristön kanssa

Vapaaelävät yksisoluiset organismit ovat erityisen alttiina ulkoiselle ympäristölle. Lisäksi niillä on sekä erittäin pieni solukoko (mikä vaikuttaa niiden morfologiaan ja aineenvaihdunnan joustavuuteen) että suuri pinta / tilavuus -suhde, joka luo laajoja vuorovaikutuksia ympäristön kanssa.

Tästä johtuen sekä eloonjääminen että mikrobiologinen jakautuminen riippuvat niiden kyvystä fysiologisesti sopeutua toistuviin ympäristövaihteluihin.

aineenvaihdunta

Suuri pinta / tilavuus -suhde tuottaa korkeat mikrobien metaboliset nopeudet. Tämä liittyy sen nopeaan kasvuvauhtiin ja solujen jakautumiseen. Lisäksi luonnossa on laaja mikrobien metabolinen monimuotoisuus.

Mikro-organismeja voidaan pitää kemiallisina koneina, jotka muuttavat erilaisia ​​aineita sekä sisä- että ulkopuolella. Tämä johtuu sen entsymaattisesta aktiivisuudesta, joka nopeuttaa spesifisten kemiallisten reaktioiden nopeutta.

Sopeutuminen hyvin erilaisiin ympäristöihin

Yleisesti ottaen, mikrobinen mikroelinympäristö on dynaaminen ja heterogeeninen läsnä olevien ravintoaineiden tyypin ja määrän sekä niiden fysikaalis-kemiallisten olosuhteiden suhteen.

On olemassa mikrobi-ekosysteemejä:

• Maanpäällinen (kivillä ja maaperällä).
• Vesieliö (valtamereissä, lampissa, järvissä, joissa, kuumissa lähteissä, vesistöissä).
• Liittyy korkeampiin organismeihin (kasvit ja eläimet).

Äärimmäiset ympäristöt

Mikro-organismeja löytyy käytännöllisesti katsoen jokaisesta maapallon ympäristöstä, jotka ovat tuttuja korkeampiin elämänmuotoihin tai eivät.

Ympäristöissä, joissa on ääriolosuhteita lämpötilan, suolapitoisuuden, pH: n ja veden saatavuuden suhteen (muiden resurssien joukossa), esiintyy "Extremofiilisiä" mikro-organismeja. Nämä ovat yleensä enimmäkseen arhaeaa (tai arkebakteereita), jotka muodostavat primaarisen biologisen alueen, joka eroaa bakteerien ja eukaryan, nimeltään Archaea.

Kuva 2. Extremofiilisten mikro-organismien elinympäristöt. Vasen: Kuuma lähdevesi Yellowstonen kansallispuistossa, jossa on tutkittu termofiilisiä mikro-organismeja (Lähde: Jim Peaco, National Park Service, Wikimedia Commonsin kautta). Oikealla: Etelämanner, missä on tutkittu psykofiilisiä mikro-organismeja (Lähde: pxhere.com).

Extremofiiliset mikro-organismit

Ekstremofiilisten mikro-organismien joukosta ovat:

• Termofiilit: optimaalinen kasvu yli 40 ° C lämpötilassa (lämpöjousien asukkaat).
• Psykofiilit: optimaalinen kasvu alle 20 ° C: n lämpötiloissa (jäätilanteiden asukkaat).
• Happofiilinen: optimaalisen kasvun olosuhteissa, joissa on matala pH, lähellä arvoa 2 (happo). Läsnä happamissa kuumissa lähteissä ja vedenalaisissa tulivuoressa.
• Halofiilit: kasvamiseen tarvitaan korkeita pitoisuuksia suolaa (NaCl) (kuten suolavedessä).
• Kserofiilit: kykenevät kestämään kuivuutta, toisin sanoen alhaista veden aktiivisuutta (erämaiden asukkaat, kuten Atacama Chilessä).

Ympäristömikrobiologiaan sovellettu molekyylibiologia

Mikrobien eristäminen ja viljely

Mikro-organismin yleisten ominaisuuksien ja aineenvaihduntakyvyn tutkimiseksi se on eristettävä luonnollisesta ympäristöstään ja pidettävä laboratoriossa puhtaassa viljelmässä (vapaa muista mikro-organismeista).

Kuva 3. Mikrobien eristäminen laboratoriossa. Vasemmalla: rihmasienet, jotka kasvavat kiinteällä kasvualustalla (Lähde: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Oikealla: bakteerikanta eristetään ehtymiskasvustotekniikalla (Lähde: Drhx, Wikimedia Commons).

Vain 1% luonnossa esiintyvistä mikro-organismeista on eristetty ja viljelty laboratoriossa. Tämä johtuu siitä, että heidän erityisistä ravitsemustarpeistaan ​​ei ole tietoa ja vaikeudesta simuloida olemassa olevia ympäristöolosuhteita on valtava.

Molekyylibiologian työkalut

Molekyylibiologian tekniikoiden soveltaminen mikrobiökologian alalla on mahdollistanut nykyisen mikrobi-biologisen monimuotoisuuden tutkimisen ilman, että sitä olisi tarpeen eristää ja viljellä laboratoriossa. Se on jopa mahdollistanut mikro-organismien tunnistamisen niiden luonnollisissa mikrobiotoopeissa, ts. In situ.

Tämä on erityisen tärkeää tutkittaessa ekstremofiilisiä mikro-organismeja, joiden optimaaliset kasvuolosuhteet ovat monimutkaisia ​​laboratoriossa simuloitaessa.

Toisaalta rekombinantti-DNA-tekniikka, jossa käytetään geneettisesti muunnettuja mikro-organismeja, on mahdollistanut ympäristön saastuttavien aineiden poistamisen bioremedikaatioprosesseissa.

Ympäristömikrobiologian tutkimusalueet

Kuten alun perin osoitettiin, ympäristömikrobiologian eri tutkimusalueisiin kuuluvat mikrobiökologian, geomikrobiologian ja biologisen terveydenhoidon tieteet.

-Mikrobinen ekologia

Mikrobiökologia yhdistää mikrobiologian ekologisen teorian kanssa tutkimalla mikrobien funktionaalisten roolien monimuotoisuutta niiden luonnollisessa ympäristössä.

Mikro-organismit edustavat suurinta biomassaa maapallolla, joten ei ole yllättävää, että niiden ekologiset toiminnot tai roolit vaikuttavat ekosysteemien ekologiseen historiaan.

Esimerkki tästä vaikutuksesta on aerobisten elämänmuotojen esiintyminen, mikä johtuu syanobakteerien fotosynteettisen aktiivisuuden tuottamasta happea (O ₂) kertyneestä alkeellisessa ilmakehässä.

Mikrobiologian tutkimusalat

Mikrobiökologia on poikittain kaikille muille mikrobiologian aloille ja tutkimuksille:

• Mikrobien monimuotoisuus ja sen evoluutiohistoria.
• Yhteisön väestön mikro-organismien ja populaatioiden väliset vuorovaikutukset.
• Mikro-organismien ja kasvien vuorovaikutukset.
• Fytopatogeenit (bakteeri-, sieni- ja virusperäiset).
• Mikro-organismien ja eläinten vuorovaikutukset.
• Mikrobiyhteisöt, niiden koostumus ja peräkkäiset prosessit.
• Mikrobien mukautukset ympäristöolosuhteisiin.
• Mikrobisten elinympäristöjen tyypit (ilmakehän ekosfääri, hydroekosfääri, litoekosfääri ja äärimmäiset elinympäristöt).

-Geomicrobiology

Geomikrobiologia tutkii mikrobisia aktiivisuuksia, jotka vaikuttavat maan geologisiin ja geokemiallisiin prosesseihin (biogeokemialliset syklit).

Niitä esiintyy ilmakehässä, hydrosfäärissä ja geosfäärissä, erityisesti ympäristöissä, kuten viimeaikaiset sedimentit, pohjavesimuodostumat, jotka ovat kosketuksissa sedimentti- ja muinaiskivien kanssa, ja haalistuvassa maankuoressa.

Se on erikoistunut mikro-organismeihin, jotka ovat vuorovaikutuksessa ympäristössään olevien mineraalien kanssa, liuottamalla, muuttamalla ja saostamalla niitä muun muassa.

Geomikrobiologian tutkimusalueet

Geomikrobiologiset tutkimukset:

• Mikrobivaikutukset geologisten prosessien kanssa (maaperän muodostuminen, kivien hajoaminen, mineraalien ja fossiilisten polttoaineiden synteesi ja hajoaminen).
• Mikrobiperäisten mineraalien muodostuminen joko saostamalla tai liuottamalla ekosysteemiin (esimerkiksi pohjavesistöihin).
• Mikrobi-interventio geosfäärin biogeokemiallisissa sykleissä.
• Mikrobien vuorovaikutukset, jotka muodostavat ei-toivottuja mikro-organismien kohoumia pinnalle (biokestävyys). Nämä biokerrokset voivat aiheuttaa niiden pintojen huonontumista. Ne voivat esimerkiksi syövyttää metallipintoja (biokorroosio).
• Fossiiliset todisteet mikro-organismien ja mineraalien välisestä vuorovaikutuksesta niiden primitiivisestä ympäristöstä.

Esimerkiksi stromatoliitit ovat matalien vesien stratifioituja fossiilisten mineraalien rakenteita. Ne koostuvat primitiivisten sinilevien bakteereista peräisin olevista karbonaateista.

Kuva 4. Vasemmalla: fossiiliset stromatoliitit matalassa vedessä (Vasen valokuvalähde: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Oikea: yksityiskohta stromatoliiteista (Oikean kuvan lähde:

-Bioremediation

Biovalmistuksella tutkitaan biologisten aineiden (mikro-organismit ja / tai niiden entsyymit ja kasvit) käyttöä maaperän ja veden talteenottoprosesseissa, jotka ovat saastuneet ihmisten terveydelle ja ympäristölle vaarallisilla aineilla.

Kuva 5. Öljyn saastuminen Ecuadorin Amazonin sademetsissä. Lähde: Ecuadorin ulkoministeriö, Wikimedia Commonsin kautta

Monet nykyisistä ympäristöongelmista voidaan ratkaista käyttämällä globaalin ekosysteemin mikrobikomponenttia.

Bioremediaation tutkimusalat

Bioremediaatiotutkimukset:

• Ympäristön puhtaanapitoprosesseissa sovellettavat mikrobien metaboliset kyvyt.
• Mikrobivaikutukset epäorgaanisten ja ksenobioottisten epäpuhtauksien kanssa (myrkylliset synteettiset tuotteet, joita ei synny luonnollisissa biosynteesiprosesseissa). Ksenobiottisimpia yhdisteitä ovat halogeenihiilivedyt, nitroaromaatit, polyklooratut bifenyylit, dioksiinit, alkyylibentsyylisulfonaatit, maaöljyhiilivedyt ja torjunta-aineet. Eniten tutkittuja epäorgaanisia alkuaineita ovat raskasmetallit.
• Ympäristösaasteiden biologinen hajoavuus in situ ja laboratoriossa.

Ympäristömikrobiologian sovellukset

Tämän laajan tieteen monien sovellusten joukosta voimme mainita:

• Uusien mikrobiperäisten aineenvaihduntareittien löytäminen mahdollisilla sovelluksilla kaupallisen arvon prosesseissa.
• Mikrobisten fylogeneettisten suhteiden jälleenrakentaminen.
• Vesikerrosten ja julkisen juomaveden saatavuuden analyysi.
• Metallien liukeneminen tai uuttuminen (biologinen liuotus) väliaineessa niiden talteenottoa varten.
• Raskaiden metallien biohydrometallurgia tai biominologia saastuneiden alueiden bioremedikaatioprosesseissa.
• Maanalaisissa pohjavesikerroksissa liuenneiden radioaktiivisten jätteiden säiliöiden biokorroosioon osallistuvien mikro-organismien biokontrolli.
• Maan primitiivisen historian, paleoympäristön ja primitiivisten elämämuotojen jälleenrakentaminen
• Hyödyllisten mallien rakentaminen fossiilisoituneen elämän etsimiseksi muilla planeetoilla, kuten Mars.
• Ksenobiottisilla tai epäorgaanisilla aineilla, kuten raskasmetalleilla, saastuneiden alueiden puhdistaminen.

Viitteet

1. Ehrlich, HL ja Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Viides painos, CRC Press. s. 630.
2. Malik, A. (2004). Metallin biologinen parantaminen kasvavien solujen kautta. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Ympäristön pilaantumisen valvonnan mikrobiologia. M. Dekker. s. 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologia. Viides painos, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. sivut 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremofiilit uusien entsyymien lähteenä. Nykyinen lausunto mikrobiologiassa, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, ja Jones, KC (1993). Polynukleaarisilla aromaattisilla hiilivedyillä (PAH) saastuneen maaperän bioremedikaatio: Katsaus. Ympäristön pilaantuminen, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.