Микробиология на околната среда обект на изследване и приложения



на микробиология на околната среда е наука, която изследва разнообразието и функцията на микроорганизмите в тяхната естествена среда и приложенията на техните метаболитни способности в процесите на биоремедиация на замърсената почва и вода. Обикновено се разделя на дисциплините: микробна екология, геомикробиология и биоремедиация.

Микробиология (Mikros: малък, BIOS: живот, лого: интердисциплинарно проучва широка и разнообразна група от едноклетъчни микроскопични организми (от 1 до 30 μm), видими само чрез оптичния микроскоп (невидим за човешкото око)..

Организмите, групирани в областта на микробиологията, са различни по много важни аспекти и принадлежат към много различни таксономични категории. Те съществуват като изолирани или свързани клетки и могат да бъдат:

  • Основни прокариоти (едноклетъчни организми без определено ядро), като еубактерии и архебактерии.
  • Прости еукариоти (едноклетъчни организми с определено ядро), като дрожди, влакнести гъби, микроводорасли и протозои.
  • Вируси (които не са клетъчни, но микроскопични).

Микроорганизмите са способни да изпълняват всичките си жизнени процеси (растеж, метаболизъм, генериране на енергия и възпроизвеждане), независимо от други клетки от същия клас или различни.

индекс

  • 1 Съответни микробни характеристики
    • 1.1 Взаимодействие с външната среда
    • 1.2 Метаболизъм
    • 1.3 Адаптиране към много разнообразна среда
    • 1.4 Екстремни среди
    • 1.5 Екстремофилни микроорганизми
  • 2 Молекулярна биология, приложена към микробиологията на околната среда
    • 2.1 Изолация и микробна култура
    • 2.2 Средства за молекулярна биология
  • 3 Области на изучаване на микробиологията на околната среда
    • 3.1 - Микробна екология
    • 3.2 -Геомикробиология
    • 3.3 -Биоремедиация
  • 4 Приложения на микробиологията на околната среда
  • 5 Препратки

Съответни микробни характеристики

Взаимодействие с външната среда

Едноклетъчните организми на свободен живот са особено изложени на външната среда. В допълнение, те имат както много малък размер на клетката (което засяга тяхната морфология и метаболична гъвкавост), така и високо съотношение повърхност / обем, което генерира обширни взаимодействия с околната среда.

Поради това, както оцеляването, така и микробното екологично разпределение зависят от тяхната способност да се адаптират физиологично към честите промени в околната среда..

метаболизъм

Високото съотношение повърхност / обем генерира високи микробни метаболитни скорости. Това е свързано с бързия темп на растеж и клетъчното делене. Освен това, в природата има голямо разнообразие на метаболизма на микробните организми.

Микроорганизмите могат да се считат за химически машини, които преобразуват различни вещества както вътре, така и отвън. Това се дължи на неговата ензимна активност, която ускорява скоростите на специфични химични реакции.

Адаптиране към много разнообразна среда

Като цяло микробната микробна среда е динамична и хетерогенна по отношение на вида и количеството на присъстващите хранителни вещества, както и физикохимичните условия..

Има микробни екосистеми:

  • Земни (в скали и почва).
  • Водни (в океани, езера, езера, реки, горещи извори, водоносни хоризонти).
  • Свързани с висши организми (растения и животни).

Екстремни среди

Микроорганизмите се намират в почти всички среди на планетата Земя, познати или не на по-високи форми на живот.

Среди с екстремни условия, свързани с температурата, солеността, рН и наличието на вода (наред с други ресурси), присъстват "екстремофилни" микроорганизми. Това са предимно археи (или архебактерии), които образуват първичен биологичен домен, диференциран от бактерии и еукария, наречени археи..

Екстремофилни микроорганизми

Сред голямото разнообразие от екстремофилни микроорганизми са:

  • Термофили: които осигуряват оптимален растеж при температури над 40 ° C (жители на термални извори).
  • Психофилен: оптимален растеж при температури под 20 ° C (жители на места с лед).
  • Кислород: оптимален растеж в условия на ниско рН, близък до 2 (киселина). Присъства в кисели термални води и подводни вулканични пукнатини.
  • Халофили: които изискват високи концентрации на сол (NaCl) да растат (както в саламурите).
  • Ксерофили: способни да издържат на суша, т.е. ниска водна активност (жители на пустини като Атакама в Чили).

Молекулярна биология, приложена към микробиологията на околната среда

Изолация и микробна култура

За да се изследват общите характеристики и метаболичните способности на даден микроорганизъм, той трябва да бъде: изолиран от естествената му среда и съхраняван в чиста култура (без други микроорганизми) в лабораторията..

Само 1% от съществуващите в природата микроорганизми са изолирани и култивирани в лабораторията. Това се дължи на незнанието на техните специфични хранителни изисквания и трудността да се симулира голямото разнообразие на съществуващите условия на околната среда.

Средства за молекулярна биология

Прилагането на техники на молекулярната биология в областта на микробната екология ни позволи да проучим съществуващото микробно биоразнообразие, без да имаме нужда от неговата изолация и култура в лабораторията. Дори е позволено да се идентифицират микроорганизмите в техните естествени микро хабитати, т.е., in situ.

Това е особено важно при изследването на екстремофилни микроорганизми, чиито оптимални условия за растеж са сложни за симулиране в лабораторията.

От друга страна, технологията на рекомбинантна ДНК с използването на генетично модифицирани микроорганизми позволи елиминирането на замърсители от околната среда в процесите на биоремедиация..

Области на изучаване на микробиологията на околната среда

Както бе посочено първоначално, различните области на изучаване на микробиологията на околната среда включват дисциплините микробна екология, геомикробиология и биоремедиация.

-Микробна екология

Микробиологичната екология предпазва микробиологията с екологичната теория, чрез изучаване на разнообразието от функционални микробни роли в тяхната естествена среда.

Микроорганизмите представляват най-голямата биомаса на планетата Земя, така че не е изненадващо, че техните роли или екологични роли влияят върху екологичната история на екосистемите..

Пример за това влияние е появата на аеробни форми на живот благодарение на натрупването на кислород (OR2) в примитивната атмосфера, генерирана от фотосинтетичната активност на цианобактериите.

Научни области на микробната екология

Микробната екология е трансверсална спрямо всички други дисциплини по микробиология и изследвания:

  • Микробно разнообразие и неговата еволюционна история.
  • Взаимодействията между микроорганизми на населението и между популациите в общността.
  • Взаимодействията между микроорганизми и растения.
  • Фитопатогени (бактериални, гъбични и вирусни).
  • Взаимодействията между микроорганизми и животни.
  • Микробни общности, техния състав и последователни процеси.
  • Микробни адаптации към условията на околната среда.
  • Видовете микробни местообитания (атмосферна, хидро-екосфера, лито-екосфера и екстремни местообитания).

-geomicrobiology

Геомикробиологията изследва микробните дейности, които влияят на геоложки и геохимични (земни биогеохимични цикли) процеси.

Те се срещат в атмосферата, хидросферата и геосферата, по-специално в околни среди, като напоследък утайки, подземни води в контакт със седиментни и магмени скали и в изветрената земна кора..

Тя е специализирана в микроорганизми, които взаимодействат с минерали в тяхната среда, разтварят ги, трансформират ги, ускоряват ги, между другото..

Области на изследване на Geomicrobiology

Геомикробиологични изследвания:

  • Микробни взаимодействия с геоложки процеси (образуване на почви, счупване на скали, синтез и разграждане на минерали и изкопаеми горива).
  • Образуването на минерали с микробен произход или чрез утаяване, или чрез разтваряне в екосистемата (например в водоносни хоризонти).
  • Микробна намеса в биогеохимичните цикли на геосферата.
  • Микробни взаимодействия, които образуват нежелани струпвания на микроорганизми на повърхността (биологично замърсяване). Тези биологични обраствания могат да доведат до влошаване на повърхностите, които обитават. Например, те могат да корозират металните повърхности (биокорозия).
  • Изкопаеми доказателства за взаимодействия между микроорганизми и минерали в тяхната примитивна среда.

Например, stromatolites са стратифицирани изкопаеми минерални структури на плитки води. Те са съставени от карбонати, идващи от стените на примитивни цианобактерии.

-биоремедиацията

Биоремедиацията проучва приложението на биологични агенти (микроорганизми и / или техните ензими и растения) в процесите на възстановяване на почвата и водата, замърсени с вещества, опасни за човешкото здраве и околната среда.

Много от съществуващите екологични проблеми могат да бъдат решени с използването на микробния компонент на глобалната екосистема.

Научни области на биоремедиацията

Проучвания за биоремедиация:

  • Микробният метаболитен капацитет, приложим в процесите на екологична санитария.
  • Микробни взаимодействия с неорганични и ксенобиотични замърсители (токсични синтетични продукти, които не се генерират от естествени биосинтетични процеси). Сред най-изучените ксенобиотични съединения са халокарбони, нитроароматични, полихлорирани бифенили, диоксини, алкилбензилсулфонати, петролни въглеводороди и пестициди. Сред най-изучените неорганични елементи са тежките метали.
  • Биоразградимост на замърсителите на околната среда in situ и в лабораторията.

Приложения на микробиологията на околната среда

Сред многобройните приложения на тази огромна наука можем да споменем:

  • Откриването на нови микробни метаболитни пътища с потенциални приложения в процеси с търговска стойност.
  • Реконструкция на микробни филогенетични взаимоотношения.
  • Анализ на водоносни хоризонти и обществени водоснабдителни системи за питейна вода.
  • Разтваряне или извличане (биоизвличане) на метали в средата, за възстановяване.
  • Биохидрометалургия или биомеханика на тежки метали, в процеси на биоремедиация на замърсени зони.
  • Биоконтрол на микроорганизми, участващи в биокорозията на контейнери за радиоактивни отпадъци, разтворени в подземни водоносни хоризонти.
  • Реконструкция на примитивна наземна история, палеосредата и примитивните форми на живот.
  • Изграждане на полезни модели в търсенето на фосилизиран живот на други планети, като Марс.
  • Саниране на зони, замърсени с ксенобиотични или неорганични вещества, като тежки метали.

препратки

  1. Ehrlich, H.L. and Newman, D.K. (2009). Geomicrobiology. Пето издание, CRC Press. pp. 630.
  2. Malik, A. (2004). Биоремедиация на метали чрез растежни клетки. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Микробиология на контрола на замърсяването на околната среда. M. Dekker 453.
  4. Прескот, Л. М. (2002). Микробиология. Пето издание, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Екстремофили като източник на нови ензими. Текущо становище в Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S.C., и Jones, K.C. (1993). Биоремедиация на почвата, замърсена с полиядрени ароматни въглеводороди (ПАВ): Преглед. Замърсяване на околната среда, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.