MILJØMIKROBIOLOGI: GENSTAND FOR UNDERSØGELSE OG ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Den Environmental Microbiology er videnskaben, at undersøgelser mangfoldigheden og funktion af mikroorganismer i deres naturlige miljøer og anvendelser af deres metaboliske evner i bioremediering af forurenet jord og vand. Det er normalt opdelt i disciplinerne: mikrobiel økologi, geomikrobiologi og bioremediation.

Mikrobiologi (mikros: små, bios: liv, logoer: undersøgelse), studier på tværfaglig måde en bred og forskelligartet gruppe af mikroskopiske encellede organismer (fra 1 til 30 um), der kun er synlige gennem det optiske mikroskop (usynligt for det menneskelige øje).

Figur 1. Til venstre: optisk mikroskop, et instrument, der giver os mulighed for at se mikroorganismer under forstørrelse (Kilde: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Højre: elektronmikrograf af vidt udbredte bakterier i slægten Pseudomonas (Af: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Organismer, der er samlet inden for mikrobiologi, er forskellige i mange vigtige henseender og hører til meget forskellige taksonomiske kategorier. De findes som isolerede eller associerede celler og kan være:

• Største prokaryoter (encellede organismer uden en defineret kerne), såsom eubakterier og archaebacteria.
• Enkle eukaryoter (encellede organismer med en defineret kerne), såsom gær, trådformede svampe, mikroalger og protosoer.
• Vira (som ikke er cellulær, men er mikroskopisk).

Mikroorganismer er i stand til at udføre alle deres vitale processer (vækst, stofskifte, energiproduktion og reproduktion), uafhængigt af andre celler i samme eller anden klasse.

Relevante mikrobielle egenskaber

Interaktion med det ydre miljø

Fritlevende encellede organismer udsættes især for det ydre miljø. Derudover har de både en meget lille cellestørrelse (hvilket påvirker deres morfologi og metabolske fleksibilitet) og et stort forhold mellem overflade og volumen, hvilket genererer omfattende interaktioner med deres miljø.

På grund af dette afhænger både overlevelsen og den mikrobielle økologiske distribution af dens evne til fysiologisk tilpasning til hyppige miljøvariationer.

Metabolisme

Det høje forhold mellem overflade og volumen genererer høje mikrobielle metaboliske hastigheder. Dette hænger sammen med dets hurtige væksthastighed og celledeling. Derudover er der i naturen en bred mikrobiel metabolisk mangfoldighed.

Mikroorganismer kan betragtes som kemiske maskiner, der transformerer forskellige stoffer både inde og ude. Dette skyldes dets enzymatiske aktivitet, der accelererer hastigheden for specifikke kemiske reaktioner.

Tilpasning til meget forskellige miljøer

Generelt er den mikrobielle mikrohabitat dynamisk og heterogen med hensyn til typen og mængden af ​​næringsstoffer, der er til stede, såvel som deres fysisk-kemiske tilstande.

Der er mikrobielle økosystemer:

• Terrestrisk (på klipper og jord).
• Akvatisk (i oceaner, damme, søer, floder, varme kilder, akviferer).
• Forbundet med højere organismer (planter og dyr).

Ekstreme miljøer

Mikroorganismer findes i praktisk talt ethvert miljø på planeten Jorden, velkendt eller ikke til højere livsformer.

Miljøer med ekstreme forhold med hensyn til temperatur, saltholdighed, pH og vandtilgængelighed (blandt andre ressourcer) præsenterer "ekstremofile" mikroorganismer. Disse har tendens til at være mest archaea (eller archaebacteria), som danner et primært biologisk domæne, der adskiller sig fra det for Bakterier og Eukarya, kaldet Archaea.

Figur 2. Habitater for de ekstremofile mikroorganismer. Til venstre: Varmt kildevand i Yellowstone National Park, hvor termofile mikroorganismer er blevet undersøgt (Kilde: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). Til højre: Antarktis, et sted, hvor psykrofile mikroorganismer er blevet undersøgt (Kilde: pxhere.com).

Ekstremofile mikroorganismer

Blandt de mange forskellige ekstremofile mikroorganismer er:

• Termofile: der giver optimal vækst ved temperaturer over 40 ° C (indbyggere i termiske kilder).
• Psykrofile: med optimal vækst ved temperaturer under 20 ° C (indbyggere på steder med is).
• Acidofil: med optimal vækst under forhold med lav pH-værdi, tæt på 2 (syre). Til stede i sure varme kilder og vulkanske sprekker i vandet.
• Halofile: kræver høje koncentrationer af salt (NaCl) for at vokse (som i saltlage).
• Xerophiles: i stand til at modstå tørke, det vil sige lav vandaktivitet (indbyggere i ørkener som Atacama i Chile).

Molekylærbiologi anvendt på miljømikrobiologi

Mikrobiel isolering og kultur

For at undersøge de generelle karakteristika og metabolske kapaciteter ved en mikroorganisme, skal den være: isoleret fra dens naturlige miljø og opbevaret i ren kultur (fri for andre mikroorganismer) i laboratoriet.

Figur 3. Mikrobiel isolering i laboratoriet. Venstre: trådformede svampe, der vokser på fast kulturmedium (Kilde: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Højre: isolering af en bakteriestamme ved udtømning af podningsteknik (Kilde: Drhx, fra Wikimedia Commons).

Kun 1% af mikroorganismerne i naturen er blevet isoleret og dyrket i laboratoriet. Dette skyldes den manglende viden om deres specifikke ernæringskrav og vanskeligheden med at simulere den store række af eksisterende miljøforhold.

Molecular Biology Tools

Anvendelsen af ​​molekylærbiologiteknikker til området mikrobiel økologi har gjort det muligt at udforske den eksisterende mikrobielle biologiske mangfoldighed uden behov for isolering og dyrkning i laboratoriet. Det har endda gjort det muligt at identificere mikroorganismer i deres naturlige mikrohabitats, det vil sige in situ.

Dette er især vigtigt i undersøgelsen af ​​ekstremofile mikroorganismer, hvis optimale vækstbetingelser er komplekse at simulere i laboratoriet.

På den anden side har rekombinant DNA-teknologi ved anvendelse af genetisk modificerede mikroorganismer muliggjort eliminering af forurenende stoffer fra miljøet i bioremedieringsprocesser.

Undersøg områder af miljømikrobiologi

Som oprindeligt angivet inkluderer de forskellige studier til miljømikrobiologi disciplinerne for mikrobiel økologi, geomikrobiologi og bioremediation.

-Mikrobiel økologi

Mikrobiel økologi smelter sammen mikrobiologi med økologisk teori gennem studiet af mangfoldigheden af ​​mikrobielle funktionelle roller i deres naturlige miljø.

Mikroorganismer repræsenterer den største biomasse på planeten Jorden, så det er ikke overraskende, at deres økologiske funktioner eller roller påvirker økosystemernes økologiske historie.

Et eksempel på denne indflydelse er udseendet af aerobe livsformer takket være akkumulering af ilt (O ₂) i den primitive atmosfære, genereret af den fotosyntetiske aktivitet af cyanobakterier.

Forskningsområder inden for mikrobiel økologi

Mikrobiel økologi er tværgående til alle de andre discipliner inden for mikrobiologi og studier:

• Mikrobiel mangfoldighed og dens evolutionære historie.
• Interaktion mellem mikroorganismer i en befolkning og mellem populationer i et samfund.
• Interaktion mellem mikroorganismer og planter.
• Phytopatogener (bakterie, svampe og viral).
• Interaktion mellem mikroorganismer og dyr.
• De mikrobielle samfund, deres sammensætning og successionsprocesserne.
• Mikrobielle tilpasninger til miljøforhold.
• Typerne af mikrobielle levesteder (atmosfære-økosfære, hydro-økosfære, litho-økosfære og ekstreme levesteder).

-Geomicrobiology

Geomikrobiologi studerer de mikrobielle aktiviteter, der påvirker terrestriske geologiske og geokemiske processer (biogeokemiske cyklusser).

Disse forekommer i atmosfæren, hydrosfæren og geosfæren, specifikt i miljøer som nylige sedimenter, grundvandskrop i kontakt med sedimentære og stødende klipper og i den forvitrede jordskorpe.

Det er specialiseret i mikroorganismer, der interagerer med mineraler i deres miljø, opløser dem, transformerer dem, udfælder dem blandt andre.

Geomikrobiologiske forskningsområder

Geomikrobiologiske undersøgelser:

• Mikrobielle interaktioner med geologiske processer (jorddannelse, klippeopdeling, syntese og nedbrydning af mineraler og fossile brændstoffer).
• Dannelse af mineraler af mikrobiel oprindelse, enten ved nedbør eller ved opløsning i økosystemet (for eksempel i akviferer).
• Mikrobiel intervention i biogeokemiske cykler i geosfæren.
• Mikrobielle interaktioner, der danner uønskede klumper af mikroorganismer på en overflade (biofouling). Denne biofouling kan forårsage forringelse af de overflader, de bor. For eksempel kan de korrodere metaloverflader (biokorrosion).
• Fossilt bevis for interaktion mellem mikroorganismer og mineraler fra deres primitive miljø.

F.eks. Er stromatolitter lagdelte fossile mineralstrukturer fra lavt vand. De består af carbonater fra væggene i primitive cyanobakterier.

Figur 4. Til venstre: fossile stromatolitter i lavt vand (venstre fotokilde: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Højre: detaljer om stromatolitterne (Højre fotokilde:

-Bioremediation

Bioremediation undersøger anvendelsen af ​​biologiske stoffer (mikroorganismer og / eller deres enzymer og planter) i processer til genvinding af jord og vand, der er forurenet med stoffer, der er farlige for menneskers sundhed og miljøet.

Figur 5. Olieforurening i den ecuadoriske Amazonas regnskov. Kilde: Ecuadors udenrigsministerium, via Wikimedia Commons

Mange af de miljøproblemer, der i øjeblikket findes, kan løses ved hjælp af den mikrobielle komponent i det globale økosystem.

Forskningsområder inden for bioremediation

Bioremediation studier:

• De mikrobielle metaboliske kapaciteter, der gælder i miljømæssige sanitetsprocesser.
• Mikrobielle interaktioner med uorganiske og xenobiotiske forurenende stoffer (giftige syntetiske produkter, ikke genereret af naturlige biosyntetiske processer). Blandt de mest studerede xenobiotiske forbindelser er halocarboner, nitroaromatiske stoffer, polychlorerede biphenyler, dioxiner, alkylbenzylsulfonater, petroleumskulbrinter og pesticider. Blandt de mest studerede uorganiske elementer er tungmetaller.
• Biologisk nedbrydelighed af miljøforurenende stoffer in situ og i laboratoriet.

Anvendelser af miljømikrobiologi

Blandt de mange anvendelser af denne enorme videnskab kan vi nævne:

• Opdagelsen af ​​nye mikrobielle metaboliske veje med potentielle anvendelser i processer med kommerciel værdi.
• Rekonstruktion af mikrobielle fylogenetiske forhold.
• Analyse af akviferer og offentlige drikkevandforsyninger.
• Opløsning eller udvaskning (bioudvaskning) af metaller i mediet til genvinding.
• Biohydrometallurgi eller biomining af tungmetaller i bioremedieringsprocesser i forurenede områder.
• Biokontrol af mikroorganismer involveret i biokorrosion af beholder med radioaktivt affald opløst i underjordiske akviferer.
• Genopbygning af den primitive terrestriske historie, palæomiljøet og de primitive livsformer.
• Konstruktion af nyttige modeller i søgen efter fossiliseret liv på andre planeter, såsom Mars.
• Sanitet af områder, der er forurenet med xenobiotiske eller uorganiske stoffer, såsom tungmetaller.

Referencer

1. Ehrlich, HL og Newman, DK (2009). Geomikrobiologi. Femte udgave, CRC Press. s. 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediering af metal gennem voksende celler. Miljø International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Miljøforureningskontrolmikrobiologi. M. Dekker. s. 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Femte udgave, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. s. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiler som kilde til nye enzymer. Aktuel udtalelse i mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC og Jones, KC (1993). Bioremediering af jord forurenet med polynukleare aromatiske kulbrinter (PAH'er): En gennemgang. Miljøforurening, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.