Environmentálna mikrobiológia je predmetom štúdia a aplikácií



environmentálna mikrobiológia je veda, ktorá študuje rozmanitosť a funkciu mikroorganizmov v ich prirodzenom prostredí a aplikácie ich metabolických kapacít v bioremediačných procesoch kontaminovanej pôdy a vody. Zvyčajne sa delí na disciplíny: mikrobiálna ekológia, geomikrobiológia a bioremediácia.

Mikrobiológia (Mikros: malé, bios: život, loga: štúdia), interdisciplinárnej štúdie o tom, aká veľká a rôznorodá skupina mikroskopických jednobunkových organizmov (1 až 30 mikrónov), môže vidieť iba cez optickým mikroskopom (neviditeľné pre ľudské oko).

Organizmy zoskupené v oblasti mikrobiológie sú v mnohých dôležitých aspektoch odlišné a patria do veľmi odlišných taxonomických kategórií. Existujú ako izolované alebo asociované bunky a môžu byť:

  • Hlavné prokaryoty (jednobunkové organizmy bez definovaného jadra), ako sú eubaktérie a archaebaktérie.
  • Jednoduché eukaryoty (jednobunkové organizmy s definovaným jadrom), ako sú kvasinky, vláknité huby, mikroriasy a prvoky.
  • Vírusy (ktoré nie sú bunkové, ale mikroskopické).

Mikroorganizmy sú schopné vykonávať všetky svoje životne dôležité procesy (rast, metabolizmus, generovanie energie a reprodukciu) nezávisle od iných buniek tej istej triedy alebo od iných.

index

  • 1 Relevantné mikrobiálne charakteristiky
    • 1.1 Interakcia s vonkajším prostredím
    • 1.2 Metabolizmus
    • 1.3 Prispôsobenie sa veľmi rôznorodému prostrediu
    • 1.4 Extrémne prostredie
    • 1.5 Extremofilné mikroorganizmy
  • 2 Molekulárna biológia aplikovaná na environmentálnu mikrobiológiu
    • 2.1 Izolácia a mikrobiálna kultúra
    • 2.2 Nástroje molekulárnej biológie
  • 3 Oblasti štúdia environmentálnej mikrobiológie
    • 3.1 - Mikrobiálna ekológia
    • 3.2-Geomicrobiology
    • 3.3 -Biorremediation
  • 4 Aplikácie environmentálnej mikrobiológie
  • 5 Referencie

Relevantné mikrobiálne charakteristiky

Interakcia s vonkajším prostredím

Obzvlášť vystavené vonkajšiemu prostrediu sú jednobunkové organizmy voľného života. Okrem toho majú veľmi malú veľkosť buniek (čo ovplyvňuje ich morfológiu a metabolickú pružnosť) a vysoký pomer povrch / objem, ktorý vytvára rozsiahle interakcie s ich prostredím..

Vďaka tomu závisí ako prežitie, tak aj pre mikrobiálnu ekologickú distribúciu na ich schopnosti prispôsobiť sa fyziologicky častým environmentálnym zmenám.

metabolizmus

Vysoký pomer povrch / objem vytvára vysoké rýchlosti mikrobiálneho metabolizmu. To súvisí s jeho rýchlym tempom rastu a bunkovým delením. Okrem toho je v prírode široká mikrobiálna metabolická diverzita.

Mikroorganizmy môžu byť považované za chemické stroje, ktoré premieňajú rôzne látky vo vnútri aj zvonku. Je to spôsobené jeho enzymatickou aktivitou, ktorá urýchľuje rýchlosť špecifických chemických reakcií.

Prispôsobenie sa veľmi rôznorodému prostrediu

Mikrobiálny mikrobiálny biotop je vo všeobecnosti dynamický a heterogénny, čo sa týka typu a množstva prítomných živín, ako aj jeho fyzikálno-chemických podmienok..

Existujú mikrobiálne ekosystémy:

  • Suchozemské (v skalách a pôde).
  • Vodné (v oceánoch, rybníkoch, jazerách, riekach, horúcich prameňoch, vodonosných vrstvách).
  • Súvisiace s vyššími organizmami (rastliny a zvieratá).

Extrémne prostredie

Mikroorganizmy sa nachádzajú prakticky vo všetkých prostrediach na planéte Zem, známych alebo nie vyšších foriem života.

Prostredia s extrémnymi podmienkami, pokiaľ ide o teplotu, slanosť, pH a dostupnosť vody (okrem iných zdrojov), predstavujú „extrémofilné“ mikroorganizmy. Ide väčšinou o archaea (alebo archaebaktérie), ktoré tvoria primárnu biologickú doménu diferencovanú od baktérií a Eukarya, nazývanú Archaea..

Extremofilné mikroorganizmy

Medzi širokú škálu extrémofilných mikroorganizmov patria:

  • Termofily: predstavujú optimálny rast pri teplotách nad 40 ° C (obyvatelia termálnych prameňov).
  • Psychofilné: optimálny rast pri teplotách pod 20 ° C (obyvatelia miest s ľadom).
  • Acidófilos: optimálny rast v podmienkach nízkeho pH, blízko 2 (kyselina). Prítomný v kyslých termálnych vodách a pod vodou sopečných trhlín.
  • Halogény: ktoré vyžadujú vysoké koncentrácie soli (NaCl) na rast (ako v soľankách).
  • Xerofily: schopné odolať suchu, tj nízkej vodnej aktivite (obyvatelia púšte, ako je Atacama v Čile).

Molekulárna biológia aplikovaná na environmentálnu mikrobiológiu

Izolácia a mikrobiálna kultúra

Na štúdium všeobecných vlastností a metabolických kapacít mikroorganizmu musí byť: izolovaný z prírodného prostredia a uchovávaný v čistej kultúre (bez iných mikroorganizmov) v laboratóriu.

V laboratóriu sa izolovalo a kultivovalo iba 1% existujúcich mikroorganizmov. Je to spôsobené neznalosťou ich špecifických požiadaviek na výživu a obtiažnosťou simulácie širokej škály existujúcich environmentálnych podmienok.

Nástroje molekulárnej biológie

Aplikácia metód molekulárnej biológie v oblasti mikrobiálnej ekológie nám umožnila preskúmať existujúcu mikrobiálnu biodiverzitu bez potreby jej izolácie a kultúry v laboratóriu. To dokonca umožnilo identifikovať mikroorganizmy v ich prirodzených mikrohabitatoch, to znamená, in situ.

To je dôležité najmä pri štúdiu extrémofilných mikroorganizmov, ktorých optimálne rastové podmienky sú zložité na simuláciu v laboratóriu.

Na druhej strane technológia rekombinantnej DNA s použitím geneticky modifikovaných mikroorganizmov umožnila elimináciu znečisťujúcich látok z prostredia v bioremediačných procesoch..

Oblasti štúdia environmentálnej mikrobiológie

Ako už bolo uvedené, rôzne oblasti štúdia environmentálnej mikrobiológie zahŕňajú disciplíny mikrobiálnej ekológie, geomikrobiológie a bioremediácie..

-Mikrobiálna ekológia

Mikrobiálna ekológia spája mikrobiológiu s ekologickou teóriou prostredníctvom štúdia rozmanitosti mikrobiálnych funkčných rolí v ich prirodzenom prostredí.

Mikroorganizmy predstavujú najväčšiu biomasu na planéte Zem, takže nie je prekvapujúce, že ich úlohy alebo ekologické úlohy ovplyvňujú ekologickú históriu ekosystémov..

Príkladom tohto vplyvu je výskyt aeróbnych foriem života vďaka akumulácii kyslíka (OR)2) v primitívnej atmosfére vytvorenej fotosyntetickou aktivitou cyanobaktérií.

Výskumné oblasti mikrobiálnej ekológie

Mikrobiálna ekológia je prierezová ku všetkým ostatným disciplínam mikrobiológie a štúdia:

  • Mikrobiálna diverzita a jej evolučná história.
  • Interakcie medzi mikroorganizmami populácie a medzi populáciami v komunite.
  • Interakcie medzi mikroorganizmami a rastlinami.
  • Fytopatogény (bakteriálne, plesňové a vírusové).
  • Interakcie medzi mikroorganizmami a zvieratami.
  • Mikrobiálne spoločenstvá, ich zloženie a procesy následníctva.
  • Mikrobiálne adaptácie na podmienky prostredia.
  • Druhy mikrobiálnych biotopov (atmo-ekosféra, hydro-ekosféra, lito-ekosféra a extrémne biotopy).

-geomikrobiologie

Geomicrobiológia študuje mikrobiálne aktivity, ktoré ovplyvňujú geologické a geochemické (terestriálne biogeochemické cykly) procesy.

Tie sa vyskytujú v atmosfére, hydrosféry a geosféra, najmä v prostrediach, ako je nedávne sedimentov, útvary podzemných vôd, ktoré sú v kontakte s sedimentárnych a vyvretých hornín a zvetrané kôru.

Špecializuje sa na mikroorganizmy, ktoré interagujú s minerálmi v ich prostredí, rozpúšťajú ich, transformujú a vyzrážajú..

Oblasti výskumu geomikrobiológie

Štúdie geomikrobiológie:

  • Mikrobiálne interakcie s geologickými procesmi (tvorba pôdy, rozbitie hornín, syntéza a degradácia minerálov a fosílnych palív).
  • Tvorba minerálov mikrobiálneho pôvodu, a to buď zrážaním alebo rozpúšťaním v ekosystéme (napr. Vo vodonosných vrstvách)..
  • Mikrobiálny zásah v biogeochemických cykloch geosféry.
  • Mikrobiálne interakcie, ktoré vytvárajú nežiaduce zhluky mikroorganizmov na povrchu (biologické znečistenie). Tieto biologické znečistenia môžu spôsobiť zhoršenie povrchov, ktoré obývajú. Môžu napríklad korodovať kovové povrchy (biokorózia).
  • Fosílne dôkazy interakcií medzi mikroorganizmami a minerálmi v ich primitívnom prostredí.

Napríklad stromatolity sú stratifikované fosílne minerálne štruktúry plytkej vody. Sú tvorené karbonátmi, pochádzajúcimi zo stien primitívnych cyanobaktérií.

-biodegradačné

Bioremediácie študuje použitie biologických agensov (mikroorganizmy a / alebo enzýmy a rastlín), v procesoch obnovy kontaminovanej zeminy a nebezpečné pre ľudské zdravie a životné prostredie látok vody.

Mnohé z existujúcich environmentálnych problémov možno vyriešiť použitím mikrobiálnej zložky globálneho ekosystému.

Výskumné oblasti bioremediácie

Bioremediačné štúdie:

  • Mikrobiálne metabolické kapacity použiteľné v procesoch sanitácie životného prostredia.
  • Mikrobiálne interakcie s anorganickými a xenobiotík (toxických syntetických produktov, ktoré nie sú generované prírodnými biosyntetických procesov) nečistôt. Medzi najviac študovaných cudzorodých látok sú halogénované uhľovodíky, nitroaromátů, polychlórované bifenyly, dioxíny, alquilbencílicos sulfonáty ropných uhľovodíkov a pesticídov. Medzi najviac študovaných anorganických prvkov, sú ťažké kovy.
  • Biodegradabilita znečisťujúcich látok v životnom prostredí in situ av laboratóriu.

Aplikácie environmentálnej mikrobiológie

Medzi viacerými aplikáciami tejto rozsiahlej vedy môžeme spomenúť:

  • Objav nových mikrobiálnych metabolických ciest s potenciálnymi aplikáciami v procesoch komerčnej hodnoty.
  • Rekonštrukcia mikrobiálnych fylogenetických vzťahov.
  • Analýza vodonosných vrstiev a verejných zásob pitnej vody.
  • Rozpustenie alebo lúhovanie (biolúhovanie) kovov v médiu na regeneráciu.
  • Biohydrometalurgia alebo biomechanika ťažkých kovov, v bioremediačných procesoch kontaminovaných oblastí.
  • Biokontroly mikroorganizmov, ktoré sa podieľajú na biokoróze kontajnerov s rádioaktívnym odpadom rozpustených v podzemných vodonosných vrstvách.
  • Rekonštrukcia primitívnych pozemských dejín, paleoenvironment a primitívne formy života.
  • Konštrukcia užitočných modelov pri hľadaní skamenelého života na iných planétach, ako je napríklad Mars.
  • Sanácia oblastí kontaminovaných xenobiotickými alebo anorganickými látkami, ako sú ťažké kovy.

referencie

  1. Ehrlich, H. L. a Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologie. Piate vydanie, CRC Press. pp 630.
  2. Malik, A. (2004). Kovové bioremediácie prostredníctvom rastúcich buniek. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R.E. (2004). Mikrobiológia kontroly znečisťovania životného prostredia. M. Dekker pp 453.
  4. Prescott, L.M. (2002). Mikrobiológie. Piate vydanie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Extremofily ako zdroj nových enzýmov. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S.C., a Jones, K.C. (1993). Bioremediácia pôdy kontaminovanej polynukleárnymi aromatickými uhľovodíkmi (PAH): Prehľad. Znečistenie životného prostredia, 81 (3), 229-249. doi: 10,1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.