Okoljska mikrobiologija predmet študije in aplikacije



The okoljska mikrobiologija je znanost, ki preučuje raznolikost in funkcijo mikroorganizmov v njihovem naravnem okolju in uporabo njihovih metabolnih zmogljivosti v procesih bioremediacije onesnažene zemlje in vode. Običajno se deli na discipline: mikrobna ekologija, geomikrobiologija in bioremediacija.

Mikrobiologija (mikros: small, bios: življenje, logotipi: študijo), interdisciplinarno proučuje široko in raznoliko skupino enoceličnih mikroskopskih organizmov (od 1 do 30 μm), ki so vidni le skozi optični mikroskop (neviden človeškemu očesu)..

Organizmi, združeni na področju mikrobiologije, so v mnogih pomembnih vidikih različni in spadajo v zelo različne taksonomske kategorije. Obstajajo kot izolirane ali povezane celice in so lahko:

  • Glavni prokarionti (enocelični organizmi brez opredeljenega jedra), kot so eubakterije in arhebakterije.
  • Preprosti evkarionti (enocelični organizmi z opredeljenim jedrom), kot so kvasovke, nitaste glive, mikroalge in protozoe..
  • Virusi (ki niso celični, ampak mikroskopski).

Mikroorganizmi so sposobni izvajati vse svoje vitalne procese (rast, metabolizem, generiranje energije in razmnoževanje), neodvisno od drugih celic istega razreda ali različnih..

Indeks

  • 1 Ustrezne mikrobne lastnosti
    • 1.1 Interakcija z zunanjim okoljem
    • 1.2 Presnova
    • 1.3 Prilagajanje zelo raznolikim okoljem
    • 1.4 Ekstremna okolja
    • 1.5 Ekstremofilni mikroorganizmi
  • 2 Molekularna biologija, uporabljena v mikrobiologiji okolja
    • 2.1 Izolacija in mikrobna kultura
    • 2.2 Orodja za molekularno biologijo
  • 3 Področja študija okoljske mikrobiologije
    • 3.1 - Mikrobna ekologija
    • 3.2 -Geomikrobiologija
    • 3.3 - Biorremediation
  • 4 Uporaba mikrobiologije okolja
  • 5 Reference

Ustrezne mikrobne značilnosti

Interakcija z zunanjim okoljem

Enocelični organizmi prostega življenja so še posebej izpostavljeni zunanjemu okolju. Poleg tega imajo zelo majhno velikost celic (kar vpliva na njihovo morfologijo in presnovno fleksibilnost) in visoko razmerje med površino in prostornino, kar ustvarja obsežne interakcije z okoljem..

Zaradi tega sta preživetje in mikrobna ekološka porazdelitev odvisna od njihove sposobnosti, da se fiziološko prilagodijo pogostim spremembam okolja..

Presnova

Visoko razmerje med površino in prostornino ustvarja visoko stopnjo presnove mikrobov. To je povezano z njegovo hitro hitrostjo rasti in delitvijo celic. Poleg tega je v naravi široka presnovna raznolikost mikrobov.

Mikroorganizmi se lahko štejejo za kemične stroje, ki preoblikujejo različne snovi znotraj in zunaj. Razlog za to je njegova encimska aktivnost, ki pospeši hitrosti določenih kemičnih reakcij.

Prilagajanje zelo raznolikim okoljem

Na splošno je mikrobni mikrobiološki habitat dinamičen in heterogen glede na vrsto in količino hranilnih snovi, ki so prisotne, ter njene fizikalno-kemijske pogoje..

Obstajajo mikrobni ekosistemi:

  • Kopensko (v kamninah in tleh).
  • Vodno (v oceanih, ribnikih, jezerih, rekah, vročih vrelcih, vodonosnikih).
  • Povezano z višjimi organizmi (rastlinami in živalmi) \ t.

Ekstremna okolja

Mikroorganizmi najdemo v skoraj vseh okoljih na planeti, znanih ali ne v višjih oblikah življenja.

Okolja z ekstremnimi pogoji glede temperature, slanosti, pH in razpoložljivosti vode (med drugimi viri) so »ekstremofilni« mikroorganizmi. To so večinoma arheje (ali arhebakterije), ki tvorijo primarno biološko področje, ki se razlikuje od bakterij in evkarije, imenovane arheje..

Ekstremofilni mikroorganizmi

Med najrazličnejšimi ekstremofilnimi mikroorganizmi so:

  • Termofili: ki predstavljajo optimalno rast pri temperaturah nad 40 ° C (prebivalci termalnih vrelcev).
  • Psihofilna: optimalna rast pri temperaturah pod 20 ° C (prebivalci mest z ledom).
  • Acidófilos: optimalne rasti v pogojih nizkega pH, blizu 2 (kisline). Prisotna v kislih termalnih vodah in podvodnih vulkanskih razpokah.
  • Halofili: ki zahtevajo visoke koncentracije soli (NaCl) za rast (kot v slanici).
  • Kserofili: sposobni vzdržati sušo, to je nizko vodno aktivnost (prebivalci puščav, kot je Atacama v Čilu).

Molekularna biologija se uporablja za okoljsko mikrobiologijo

Izolacija in mikrobna kultura

Za preučevanje splošnih značilnosti in presnovnih zmogljivosti mikroorganizma mora biti: izoliran iz svojega naravnega okolja in hranjen v čisti kulturi (brez drugih mikroorganizmov) v laboratoriju..

Samo 1% obstoječih mikroorganizmov v naravi je bilo izoliranih in gojenih v laboratoriju. To je posledica nepoznavanja njihovih posebnih prehranskih potreb in težav pri simuliranju velike raznolikosti obstoječih okoljskih razmer.

Orodja za molekularno biologijo

Uporaba tehnik molekularne biologije na področju mikrobne ekologije nam je omogočila raziskovanje obstoječe mikrobne biotske raznovrstnosti brez potrebe po njeni izolaciji in kulturi v laboratoriju. Dovolila je celo identifikacijo mikroorganizmov v njihovih naravnih mikrohabitatih, kar pomeni, in situ.

To je še posebej pomembno pri preučevanju ekstremofilnih mikroorganizmov, katerih optimalne rastne razmere so kompleksne za simulacijo v laboratoriju.

Po drugi strani pa je tehnologija rekombinantne DNA z uporabo gensko spremenjenih mikroorganizmov omogočila izločanje onesnaževal iz okolja v procese bioremediacije..

Področja študija okoljske mikrobiologije

Kot je bilo na začetku navedeno, različna področja študija okoljske mikrobiologije vključujejo discipline mikrobne ekologije, geomikrobiologije in bioremediacije..

-Mikrobna ekologija

Mikrobna ekologija varova mikrobiologijo z ekološko teorijo, s preučevanjem raznolikosti mikrobioloških funkcij v njihovem naravnem okolju..

Mikroorganizmi predstavljajo največjo biomaso na planetu Zemlja, zato ni presenetljivo, da njihove vloge ali ekološke vloge vplivajo na ekološko zgodovino ekosistemov..

Primer tega vpliva je pojav aerobnih življenjskih oblik zaradi kopičenja kisika (OR2) v primitivnem ozračju, ki ga povzroča fotosintetična aktivnost cianobakterij.

Raziskovalna področja mikrobne ekologije

Mikrobna ekologija je transverzalna do vseh drugih disciplin mikrobiologije in študije:

  • Mikrobna raznolikost in njena evolucijska zgodovina.
  • Interakcije med mikroorganizmi populacije in med populacijami v skupnosti.
  • Interakcije med mikroorganizmi in rastlinami.
  • Fitopatogeni (bakterijski, glivični in virusni).
  • Interakcije med mikroorganizmi in živalmi.
  • Mikrobne skupnosti, njihova sestava in procesi sukcesije.
  • Mikrobne prilagoditve okoljskim razmeram.
  • Vrste mikrobnih habitatov (atoma-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera in ekstremni habitati) \ t.

-Geomikrobiologija

Geomikrobiološke študije mikrobnih dejavnosti, ki vplivajo na geološke in geokemične (zemeljske biogeokemične cikle) procese.

Te se pojavljajo v atmosferi, hidrosferi in geosferi, zlasti v okoljih, kot so nedavni sedimenti, podzemne vode, ki so v stiku s sedimentnimi in magmatskimi kamninami ter v prepereli zemeljski skorji..

Specializirana je za mikroorganizme, ki medsebojno delujejo z minerali v njihovem okolju, jih raztapljajo, preoblikujejo, med drugim jih pospešujejo..

Področja raziskav Geomikrobiologije

Geomikrobiološke študije:

  • Mikrobne interakcije z geološkimi procesi (tvorba tal, lom kamnin, sinteza in razgradnja mineralov in fosilnih goriv).
  • Nastajanje mineralov mikrobnega izvora, bodisi z obarjanjem bodisi z raztapljanjem v ekosistemu (na primer v vodonosnikih).
  • Mikrobna intervencija v biogeokemičnih ciklih geosfere.
  • Mikrobne interakcije, ki na površini tvorijo neželene kepe mikroorganizmov (biološko obraščanje). Ta obraščenost lahko povzroči poslabšanje površin, v katerih živijo. Na primer, lahko korodirajo kovinske površine (biokorizija).
  • Fosilni dokazi o interakcijah med mikroorganizmi in minerali v primitivnem okolju.

Stromatoliti so na primer stratificirane fosilne mineralne strukture plitve vode. Sestavljajo jih karbonati, ki prihajajo iz sten primitivnih cianobakterij.

-Bioremediacija

Bioremediacija študije o uporabi bioloških dejavnikov (mikroorganizmov in / ali njihovih encimov in rastlin), v procesih predelave tal in vode, kontaminiranih s snovmi, nevarnimi za zdravje ljudi in okolje \ t.

Veliko obstoječih okoljskih problemov je mogoče rešiti z uporabo mikrobne komponente globalnega ekosistema.

Raziskovalna področja bioremediacije

Študije bioremediacije:

  • Mikrobne metabolične zmogljivosti, ki se uporabljajo v procesih sanacije okolja.
  • Mikrobne interakcije z anorganskimi in ksenobiotskimi onesnaževalci (toksični sintetični proizvodi, ki jih ne ustvarjajo naravni biosintetični procesi). Med najbolj raziskanimi ksenobiotskimi spojinami so halokarboni, nitroaromati, poliklorirani bifenili, dioksini, alkilbenzil sulfonati, naftni ogljikovodiki in pesticidi. Med najbolj raziskanimi anorganskimi elementi najdemo težke kovine.
  • Biorazgradljivost onesnaževal okolja in situ in v laboratoriju.

Uporaba mikrobiologije okolja

Med številnimi aplikacijami te obsežne znanosti lahko omenimo:

  • Odkritje novih presnovnih poti mikrobov s potencialnimi aplikacijami v procesih tržne vrednosti.
  • Obnova mikrobnih filogenetskih odnosov.
  • Analiza vodonosnikov in javne oskrbe s pitno vodo.
  • Raztapljanje ali izpiranje kovin v mediju za pridobivanje.
  • Biohidrometalurgija ali biomehanika težkih kovin v procesih bioremediacije onesnaženih območij.
  • Biokontrola mikroorganizmov, ki sodelujejo pri biokoriziranju vsebnikov radioaktivnih odpadkov, raztopljenih v podzemnih vodonosnikih.
  • Obnova primitivne zemeljske zgodovine, paleo-okolja in primitivnih oblik življenja.
  • Gradnja uporabnih modelov pri iskanju fosilnega življenja na drugih planetih, kot je Mars.
  • Sanitacija območij, onesnaženih s ksenobiotskimi ali anorganskimi snovmi, kot so težke kovine.

Reference

  1. Ehrlich, H. L. in Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologija. Peta izdaja, CRC Press. str. 630.
  2. Malik, A. (2004). Bioremediacija kovin s pomočjo rastočih celic. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologija nadzora onesnaževanja okolja. M. Dekker str. 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologija Peta izdaja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofili kot vir novih encimov. Aktualno mnenje v Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S.C., in Jones, K.C. (1993). Bioremediacija tal, onesnaženih s polinuklearnimi aromatičnimi ogljikovodiki (PAH): pregled. Onesnaževanje okolja, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.