MIKROBIOLOGIA ŚRODOWISKOWA: PRZEDMIOT BADAŃ I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2024

Environmental Microbiology to nauka zajmująca się badaniem różnorodności i działanie mikroorganizmów w ich naturalnym środowisku i zastosowania ich możliwości metabolicznych w bioremediacji zanieczyszczonej gleby i wody. Zwykle dzieli się na dyscypliny: ekologia drobnoustrojów, geomikrobiologia i bioremediacja.

Mikrobiologia (mikros: small, bios: life, logos: study), bada w sposób interdyscyplinarny szeroką i różnorodną grupę mikroskopijnych organizmów jednokomórkowych (od 1 do 30 µm), widocznych tylko przez mikroskop optyczny (niewidoczne dla ludzkiego oka) ).

Rysunek 1. Po lewej: mikroskop optyczny, przyrząd umożliwiający oglądanie mikroorganizmów w powiększeniu (źródło: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Po prawej: mikrografia elektronowa szeroko rozpowszechnionych bakterii z rodzaju Pseudomonas (autor: CDC, dzięki uprzejmości: Public Health Image Library).

Organizmy zgrupowane razem w dziedzinie mikrobiologii są odmienne pod wieloma ważnymi względami i należą do bardzo różnych kategorii taksonomicznych. Istnieją jako izolowane lub powiązane komórki i mogą być:

• Główne prokarioty (organizmy jednokomórkowe bez określonego jądra), takie jak eubakterie i archebakterie.
• Proste eukarionty (organizmy jednokomórkowe o określonym jądrze), takie jak drożdże, grzyby strzępkowe, mikroalgi i pierwotniaki.
• Wirusy (które nie są komórkowe, ale są mikroskopijne).

Mikroorganizmy są zdolne do przeprowadzania wszystkich swoich procesów życiowych (wzrostu, metabolizmu, wytwarzania energii i rozmnażania), niezależnie od innych komórek tej samej lub innej klasy.

Odpowiednie cechy mikrobiologiczne

Interakcja ze środowiskiem zewnętrznym

Wolno żyjące organizmy jednokomórkowe są szczególnie narażone na działanie środowiska zewnętrznego. Ponadto mają zarówno bardzo mały rozmiar komórek (co wpływa na ich morfologię i elastyczność metaboliczną), jak i wysoki stosunek powierzchni do objętości, co powoduje szerokie interakcje z ich środowiskiem.

Z tego powodu zarówno przetrwanie, jak i ekologiczne rozmieszczenie drobnoustrojów zależą od jego zdolności do fizjologicznej adaptacji do częstych zmian środowiskowych.

Metabolizm

Wysoki stosunek powierzchni do objętości powoduje wysokie tempo metabolizmu drobnoustrojów. Jest to związane z szybkim tempem wzrostu i podziału komórek. Ponadto w przyrodzie występuje szerokie zróżnicowanie metaboliczne drobnoustrojów.

Mikroorganizmy można uznać za maszyny chemiczne, które przekształcają różne substancje zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. Wynika to z jego aktywności enzymatycznej, która przyspiesza tempo określonych reakcji chemicznych.

Adaptacja do bardzo zróżnicowanych środowisk

Ogólnie rzecz biorąc, mikrosiedlisko drobnoustrojów jest dynamiczne i niejednorodne pod względem rodzaju i ilości obecnych składników odżywczych, a także ich warunków fizykochemicznych.

Istnieją ekosystemy mikrobiologiczne:

• Ziemia (na skałach i glebie).
• Wodne (w oceanach, stawach, jeziorach, rzekach, gorących źródłach, warstwach wodonośnych).
• Związany z organizmami wyższymi (roślinami i zwierzętami).

Ekstremalne warunki

Mikroorganizmy występują praktycznie w każdym środowisku na Ziemi, znanym lub nie wyższym formom życia.

W środowiskach o ekstremalnych warunkach pod względem temperatury, zasolenia, pH i dostępności wody (między innymi) występują mikroorganizmy „ekstremofilne”. Zwykle są to głównie archeony (lub archebakterie), które tworzą pierwotną domenę biologiczną różniącą się od domeny Bacteria i Eukarya, zwanej Archaea.

Rysunek 2. Siedliska mikroorganizmów ekstremofilnych. Po lewej: Woda z gorących źródeł w Parku Narodowym Yellowstone, gdzie badano mikroorganizmy ciepłolubne (źródło: Jim Peaco, National Park Service, za pośrednictwem Wikimedia Commons). Po prawej: Antarktyda, miejsce, w którym badano mikroorganizmy psychrofilne (źródło: pxhere.com).

Mikroorganizmy ekstremofilne

Wśród szerokiej gamy mikroorganizmów ekstremofilnych są:

• Termofile: wykazujące optymalny wzrost w temperaturach powyżej 40 ° C (mieszkańcy źródeł termalnych).
• Psychrofile: o optymalnym wzroście w temperaturach poniżej 20 ° C (mieszkańcy miejsc z lodem).
• Acidophilic: z optymalnym wzrostem w warunkach niskiego pH, bliskiego 2 (kwas). Występuje w kwaśnych gorących źródłach i podwodnych szczelinach wulkanicznych.
• Halofile: do wzrostu wymagają wysokich stężeń soli (NaCl) (jak w solankach).
• Kserofile: zdolne do wytrzymania suszy, czyli niskiej aktywności wody (mieszkańcy pustyń, takich jak Atacama w Chile).

Biologia molekularna stosowana w mikrobiologii środowiskowej

Izolacja i hodowla drobnoustrojów

Aby zbadać ogólną charakterystykę i zdolności metaboliczne mikroorganizmu, należy go: odizolować od jego naturalnego środowiska i przechowywać w czystej kulturze (wolnej od innych mikroorganizmów) w laboratorium.

Rysunek 3. Izolacja drobnoustrojów w laboratorium. Po lewej: grzyby strzępkowe rosnące na stałym podłożu hodowlanym (Źródło: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Po prawej: izolacja szczepu bakteryjnego techniką wysiewu zubożonego (źródło: Drhx, z Wikimedia Commons).

Tylko 1% mikroorganizmów występujących w przyrodzie zostało wyizolowanych i wyhodowanych w laboratorium. Wynika to z braku wiedzy na temat ich specyficznych wymagań żywieniowych i trudności w symulowaniu ogromnej różnorodności istniejących warunków środowiskowych.

Narzędzia biologii molekularnej

Zastosowanie technik biologii molekularnej w dziedzinie ekologii drobnoustrojów umożliwiło badanie istniejącej różnorodności biologicznej drobnoustrojów, bez konieczności ich izolacji i hodowli w laboratorium. Umożliwił nawet identyfikację mikroorganizmów w ich naturalnych mikrosiedlach, czyli in situ.

Jest to szczególnie ważne w badaniach mikroorganizmów ekstremofilnych, których optymalne warunki wzrostu są trudne do symulacji w laboratorium.

Z drugiej strony technologia rekombinacji DNA z wykorzystaniem mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie pozwoliła na eliminację substancji zanieczyszczających ze środowiska w procesach bioremediacji.

Studiować obszary mikrobiologii środowiskowej

Jak początkowo wskazano, różne obszary badań mikrobiologii środowiskowej obejmują dyscypliny ekologii drobnoustrojów, geomikrobiologii i bioremediacji.

-Ekologia mikrobiologiczna

Ekologia drobnoustrojów łączy mikrobiologię z teorią ekologiczną poprzez badanie różnorodności ról funkcjonalnych mikroorganizmów w ich środowisku naturalnym.

Mikroorganizmy reprezentują największą biomasę na Ziemi, więc nie jest zaskakujące, że ich funkcje lub role ekologiczne wpływają na ekologiczną historię ekosystemów.

Przykładem tego wpływu jest pojawienie się tlenowych form życia dzięki gromadzeniu się tlenu (O ₂ ) w prymitywnej atmosferze, generowanej przez fotosyntetyczną aktywność sinic.

Dziedziny badań ekologii drobnoustrojów

Ekologia drobnoustrojów jest przekrojowa w stosunku do wszystkich innych dyscyplin mikrobiologii i badań:

• Różnorodność drobnoustrojów i jej historia ewolucyjna.
• Interakcje między mikroorganizmami w populacji i między populacjami w społeczności.
• Interakcje między mikroorganizmami a roślinami.
• Fitopatogeny (bakteryjne, grzybicze i wirusowe).
• Interakcje między mikroorganizmami a zwierzętami.
• Zbiorowiska drobnoustrojów, ich skład i procesy sukcesji.
• Adaptacje drobnoustrojów do warunków środowiskowych.
• Rodzaje siedlisk mikroorganizmów (atmosfera-ekosfera, hydroekosfera, lito-ekosfera i siedliska ekstremalne).

-Geomicrobiology

Geomikrobiologia bada aktywność mikroorganizmów, która wpływa na ziemskie procesy geologiczne i geochemiczne (cykle biogeochemiczne).

Występują one w atmosferze, hydrosferze i geosferze, szczególnie w środowiskach, takich jak niedawne osady, zbiorniki wód gruntowych w kontakcie ze skałami osadowymi i magmowymi oraz w zwietrzałej skorupie ziemskiej.

Specjalizuje się w mikroorganizmach, które wchodzą w interakcje z minerałami w swoim środowisku, m.in. rozpuszczając je, przekształcając, wytrącając.

Dziedziny badań geomikrobiologicznych

Badania geomikrobiologiczne:

• Oddziaływania drobnoustrojów z procesami geologicznymi (tworzenie się gleby, rozpad skał, synteza i degradacja minerałów i paliw kopalnych).
• Tworzenie się minerałów pochodzenia drobnoustrojowego przez wytrącanie lub rozpuszczanie w ekosystemie (na przykład w warstwach wodonośnych).
• Mikrobiologiczna interwencja w biogeochemiczne cykle geosfery.
• Interakcje drobnoustrojów, które tworzą niepożądane skupiska mikroorganizmów na powierzchni (biofouling). Te biofoulingi mogą powodować zniszczenie powierzchni, na których zamieszkują. Na przykład mogą powodować korozję powierzchni metalowych (biokorozja).
• Skamieniałe dowody interakcji między mikroorganizmami a minerałami z ich prymitywnego środowiska.

Na przykład stromatolity to uwarstwione kopalne struktury mineralne z płytkich wód. Składają się z węglanów ze ścian pierwotnych cyjanobakterii.

Rysunek 4. Po lewej: kopalne stromatolity w płytkiej wodzie (źródło zdjęcia po lewej: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Po prawej: szczegóły stromatolitów (po prawej źródło zdjęcia: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediacja

Bioremediacja zajmuje się zastosowaniem czynników biologicznych (mikroorganizmów i / lub ich enzymów oraz roślin) w procesach odzyskiwania gleb i wód zanieczyszczonych substancjami niebezpiecznymi dla zdrowia człowieka i środowiska.

Rysunek 5. Zanieczyszczenie ropą w ekwadorskim lesie deszczowym Amazonii. Źródło: Ministerstwo Spraw Zagranicznych Ekwadoru, źródło Wikimedia Commons

Wiele z istniejących obecnie problemów środowiskowych można rozwiązać za pomocą mikrobiologicznego składnika globalnego ekosystemu.

Dziedziny badań bioremediacji

Badania bioremediacyjne:

• Możliwości metaboliczne drobnoustrojów mające zastosowanie w procesach sanityzacji środowiska.
• Oddziaływania drobnoustrojów z zanieczyszczeniami nieorganicznymi i ksenobiotycznymi (toksyczne produkty syntetyczne, nie wytwarzane w naturalnych procesach biosyntezy). Wśród najlepiej zbadanych związków ksenobiotyków znajdują się halowęglowodory, nitroaromaty, polichlorowane bifenyle, dioksyny, sulfoniany alkilobenzylu, węglowodory ropopochodne i pestycydy. Do najczęściej badanych pierwiastków nieorganicznych należą metale ciężkie.
• Biodegradowalność zanieczyszczeń środowiska in situ i w laboratorium.

Zastosowania mikrobiologii środowiskowej

Wśród wielu zastosowań tej rozległej nauki możemy przytoczyć:

• Odkrycie nowych mikrobiologicznych szlaków metabolicznych z potencjalnymi zastosowaniami w procesach o wartości handlowej.
• Rekonstrukcja mikrobiologicznych powiązań filogenetycznych.
• Analiza warstw wodonośnych i publicznych zasobów wody pitnej.
• Rozpuszczanie lub ługowanie (bioługowanie) metali w pożywce w celu ich odzyskania.
• Biohydrometalurgia czyli biomining metali ciężkich w procesach bioremediacji terenów skażonych.
• Biokontrola mikroorganizmów biorących udział w biokorozji pojemników na odpady promieniotwórcze rozpuszczonych w podziemnych warstwach wodonośnych.
• Rekonstrukcja pierwotnej historii ziemskiej, paleośrodowiska i pierwotnych form życia.
• Budowa użytecznych modeli w poszukiwaniu skamieniałego życia na innych planetach, takich jak Mars.
• Sanitacja terenów skażonych substancjami ksenobiotycznymi lub nieorganicznymi, np. Metalami ciężkimi.

Bibliografia

1. Ehrlich, HL i Newman, DK (2009). Geomikrobiologia. Piąta edycja, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediacja metali poprzez rosnące komórki. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczeń środowiska. M. Dekker. pp 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologia. Piąta edycja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofile jako źródło nowych enzymów. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC i Jones, KC (1993). Bioremediacja gleby skażonej wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA): przegląd. Zanieczyszczenie środowiska, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.