Mikrobiologija okoliša predmet istraživanja i primjene



mikrobiologija okoliša je znanost koja proučava raznolikost i funkciju mikroorganizama u njihovom prirodnom okruženju i primjenu njihovih metaboličkih kapaciteta u procesima bioremedijacije onečišćenog tla i vode. Obično se dijeli na discipline: mikrobna ekologija, geomikrobiologija i bioremedijacija.

Mikrobiologija (mikros: small, bios: život, logotipi: studije), interdisciplinarno proučava široku i raznoliku skupinu jednoćelijskih mikroskopskih organizama (od 1 do 30 μm), vidljive samo kroz optički mikroskop (nevidljiv ljudskom oku).

Organizmi grupirani u području mikrobiologije različiti su u mnogim važnim aspektima i pripadaju vrlo različitim taksonomskim kategorijama. One postoje kao izolirane ili povezane stanice i mogu biti:

  • Glavni prokarioti (jednoćelijski organizmi bez definirane jezgre), kao što su eubakterije i arhebakterije.
  • Jednostavni eukarioti (jednoćelijski organizmi s definiranom jezgrom), kao što su kvasci, filamentozne gljive, mikroalge i protozoe.
  • Virusi (koji nisu stanični, već mikroskopski).

Mikroorganizmi su sposobni obavljati sve svoje vitalne procese (rast, metabolizam, stvaranje energije i reprodukciju), neovisno o drugim stanicama iste klase ili različitih.

indeks

  • 1 Relevantna mikrobna svojstva
    • 1.1. Interakcija s vanjskim okruženjem
    • 1.2 Metabolizam
    • 1.3 Prilagodba na vrlo raznolika okruženja
    • 1.4 Ekstremna okruženja
    • 1.5 Ekstremofilni mikroorganizmi
  • 2 Molekularna biologija primijenjena u mikrobiologiji okoliša
    • 2.1 Izolacija i mikrobna kultura
    • 2.2 Alati za molekularnu biologiju
  • 3 Područja proučavanja mikrobiologije okoliša
    • 3.1 - Mikrobna ekologija
    • 3.2 -Geomikrobiologija
    • 3.3 - Biorremediation
  • 4 Primjena mikrobiologije okoliša
  • 5 Reference

Relevantna mikrobna svojstva

Interakcija s vanjskim okruženjem

Jednoćelijski organizmi slobodnog života posebno su izloženi vanjskom okruženju. Osim toga, imaju i vrlo malu veličinu stanica (što utječe na njihovu morfologiju i metaboličku fleksibilnost), i visok omjer površine / volumena, koji generira opsežne interakcije s okolinom..

Zbog toga, preživljavanje i mikrobna ekološka distribucija ovise o njihovoj sposobnosti da se fiziološki prilagode čestim varijacijama okoliša..

metabolizam

Visok omjer površine / volumena stvara visoke mikrobne metaboličke stope. To se odnosi na brzu stopu rasta i diobu stanica. Osim toga, u prirodi postoji široka mikrobna metabolička raznolikost.

Mikroorganizmi se mogu smatrati kemijskim strojevima koji transformiraju različite tvari unutar i izvan. To je zbog njegove enzimske aktivnosti, koja ubrzava brzine specifičnih kemijskih reakcija.

Prilagodba na vrlo raznolika okruženja

Općenito, mikrobna mikrobna staništa su dinamična i heterogena s obzirom na vrstu i količinu prisutnih hranjivih tvari, kao i njezine fizičko-kemijske uvjete..

Postoje mikrobni ekosustavi:

  • Zemaljsko (u stijenama i tlu).
  • Vodene (u oceanima, ribnjacima, jezerima, rijekama, izvorima tople vode, vodonosnicima).
  • Povezan s višim organizmima (biljke i životinje).

Ekstremna okruženja

Mikroorganizmi se nalaze u gotovo svim sredinama na planeti Zemlji, poznatim ili ne višim oblicima života.

Okruženja s ekstremnim uvjetima vezanim za temperaturu, salinitet, pH i dostupnost vode (među ostalim resursima), predstavljaju "ekstremofilne" mikroorganizme. To su uglavnom arheje (ili arhebakterije), koje tvore primarnu biološku domenu koja se razlikuje od bakterija i eukarije, zvane Archaea..

Ekstremofilni mikroorganizmi

Među širokim izborom ekstremofilnih mikroorganizama nalaze se:

  • Termofili: koji predstavljaju optimalan rast na temperaturama iznad 40 ° C (stanovnici termalnih izvora).
  • Psihofilni: optimalni rast na temperaturama ispod 20 ° C (stanovnici s ledom).
  • Acidófilos: optimalnog rasta u uvjetima niskog pH, blizu 2 (kiseline). Prisutna je u kiselim termalnim vodama i podvodnim vulkanskim pukotinama.
  • Halofili: koji zahtijevaju visoku koncentraciju soli (NaCl) za rast (kao u slanicama).
  • Kserofili: sposobni su izdržati sušu, odnosno nisku aktivnost vode (stanovnici pustinja kao što je Atacama u Čileu).

Molekularna biologija primijenjena u mikrobiologiji okoliša

Izolacija i mikrobna kultura

Za proučavanje općih svojstava i metaboličkih kapaciteta mikroorganizma, on mora biti: izoliran iz svog prirodnog okoliša i čuvan u čistoj kulturi (bez drugih mikroorganizama) u laboratoriju.

Samo 1% postojećih mikroorganizama u prirodi izolirano je i kultivirano u laboratoriju. Razlog tome je nepoznavanje njihovih specifičnih prehrambenih potreba i teškoća u simuliranju ogromne raznolikosti postojećih uvjeta okoliša.

Alati za molekularnu biologiju

Primjena tehnika molekularne biologije na području mikrobne ekologije omogućila nam je istraživanje postojeće mikrobne bioraznolikosti, bez potrebe za njezinom izolacijom i kulturom u laboratoriju. Čak je dopušteno identificirati mikroorganizme u njihovim prirodnim mikrostaništima, to jest, in situ.

To je osobito važno u istraživanju ekstremofilnih mikroorganizama, čiji su optimalni uvjeti rasta složeni za simulaciju u laboratoriju.

S druge strane, tehnologija rekombinantne DNA s uporabom genetski modificiranih mikroorganizama omogućila je eliminaciju zagađivača iz okoliša u procesima bioremedijacije..

Područja proučavanja mikrobiologije okoliša

Kao što je u početku navedeno, različita područja proučavanja mikrobiologije okoliša uključuju discipline mikrobne ekologije, geomikrobiologije i bioremedijacije.

-Mikrobna ekologija

Mikrobna ekologija osigurava mikrobiologiju s ekološkom teorijom, proučavajući raznolikost mikrobioloških funkcija u njihovom prirodnom okruženju.

Mikroorganizmi predstavljaju najveću biomasu na planeti Zemlji, stoga ne čudi da njihove uloge ili ekološke uloge utječu na ekološku povijest ekosustava..

Primjer tog utjecaja je pojava aerobnih oblika života zahvaljujući nakupljanju kisika (OR2) u primitivnoj atmosferi, generiranoj fotosintetskom aktivnošću cijanobakterija.

Područja istraživanja mikrobne ekologije

Mikrobna ekologija je transverzalna prema svim drugim disciplinama mikrobiologije i studija:

  • Mikrobna raznolikost i njezina evolucijska povijest.
  • Interakcije između mikroorganizama populacije i između populacija u zajednici.
  • Interakcije između mikroorganizama i biljaka.
  • Fitopatogeni (bakterijski, gljivični i virusni).
  • Interakcije između mikroorganizama i životinja.
  • Mikrobne zajednice, njihov sastav i procesi sukcesije.
  • Mikrobne prilagodbe uvjetima okoliša.
  • Vrste mikrobioloških staništa (atoma-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera i ekstremna staništa).

-geomicrobiology

Geomikrobiološke studije mikrobioloških aktivnosti koje utječu na geološke i geokemijske (zemaljske biogeokemijske cikluse) procese.

One se odvijaju u atmosferi, hidrosferi i geosferi, posebno u okruženjima kao što su nedavni sedimenti, podzemne vode u dodiru sa sedimentnim i magmatskim stijenama te u Zemljinoj kori..

Specijalizirana je za mikroorganizme koji su u interakciji s mineralima u njihovoj okolini, rastapaju ih, transformiraju, ubrzavaju, između ostalih..

Područja istraživanja Geomikrobiologije

Geomikrobiološke studije:

  • Mikrobne interakcije s geološkim procesima (formiranje tla, lom kamenja, sinteza i razgradnja minerala i fosilnih goriva).
  • Formiranje minerala mikrobnog podrijetla, bilo oborinom ili otapanjem u ekosustavu (na primjer, u vodonosnicima).
  • Mikrobna intervencija u biogeokemijskim ciklusima geosfere.
  • Mikrobne interakcije koje stvaraju neželjene nakupine mikroorganizama na površini (bioobrana). Ovi obraštajni procesi mogu uzrokovati pogoršanje površina na kojima žive. Na primjer, one mogu korodirati metalne površine (biokrozija).
  • Fosilni dokazi o interakcijama između mikroorganizama i minerala u njihovoj primitivnoj okolini.

Na primjer, stromatoliti su slojevite fosilne mineralne strukture plitke vode. Čine ih karbonati koji dolaze iz zidova primitivnih cijanobakterija.

-bioobnova

Bioremedijacijska ispitivanja primjene bioloških agenasa (mikroorganizama i / ili njihovih enzima i biljaka) u procesima oporabe tla i vode onečišćenih tvarima opasnim za ljudsko zdravlje i okoliš.

Mnogi od postojećih ekoloških problema mogu se riješiti uporabom mikrobne komponente globalnog ekosustava.

Područja istraživanja bioremedijacije

Bioremedijacijske studije:

  • Metabolički kapaciteti mikroorganizama primjenjivi u procesima sanitacije okoliša.
  • Mikrobne interakcije s anorganskim i ksenobiotskim zagađivačima (toksični sintetički proizvodi, koji nisu generirani prirodnim biosintetskim procesima). Među najistraženijim ksenobiotskim spojevima su halokarbonati, nitroaromati, poliklorirani bifenili, dioksini, alkilbenzil sulfonati, naftni ugljikovodici i pesticidi. Među istraživanim anorganskim elementima nalaze se teški metali.
  • Biorazgradivost zagađivača okoliša in situ iu laboratoriju.

Primjena mikrobiologije okoliša

Među brojnim primjenama ove goleme znanosti možemo spomenuti:

  • Otkriće novih mikrobnih metaboličkih putova s ​​potencijalnim primjenama u procesima komercijalne vrijednosti.
  • Rekonstrukcija mikrobnih filogenetskih odnosa.
  • Analiza vodonosnika i javnih izvora pitke vode.
  • Otapanje ili ispiranje metala u mediju za oporabu.
  • Biohidrometalurgija ili biomehanika teških metala, u procesima bioremedijacije kontaminiranih područja.
  • Biokontroliranje mikroorganizama uključenih u biokroziju spremnika radioaktivnog otpada otopljenog u podzemnim vodonosnicima.
  • Rekonstrukcija primitivne zemaljske povijesti, paleo-okoliša i primitivnih oblika života.
  • Izgradnja korisnih modela u potrazi za fosiliziranim životom na drugim planetima, kao što je Mars.
  • Sanacija područja zagađenih ksenobiotskim ili anorganskim tvarima, kao što su teški metali.

reference

  1. Ehrlich, H.L. i Newman, D.K. (2009). Geomicrobiology. Peto izdanje, CRC Press. str. 630.
  2. Malik, A. (2004). Bioremedijacija metala kroz rastuće stanice. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R.E. (2004). Mikrobiologija kontrole zagađenja okoliša. M. Dekker str. 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologija. Peto izdanje, McGraw-Hill znanost / inženjerstvo / matematika. str. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofili kao izvor novih enzima. 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). Bioremedijacija tla kontaminiranog polinuklearnim aromatskim ugljikovodicima (PAH): pregled. Zagađenje okoliša, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.