Keskkonna mikrobioloogia uurimisobjekt ja rakendused



The keskkonna mikrobioloogia on teadus, mis uurib mikroorganismide mitmekesisust ja funktsiooni nende looduslikus keskkonnas ning nende metaboolsete võimete rakendamist saastunud pinnase ja vee bioremediatsiooniprotsessides. Tavaliselt jaguneb see valdkondadeks: mikrobioloogiline ökoloogia, geomikrobioloogia ja bioremediatsioon.

Mikrobioloogia (mikros: väike, bios: elu, logod: uuring), interdistsiplinaarsel viisil uuritakse laia ja mitmekülgset ainulaadset mikroskoopilist organismi (1 kuni 30 μm), mis on nähtav ainult läbi optilise mikroskoobi (inimese silmale nähtamatu).

Mikrobioloogia valdkonnas rühmitatud organismid on mitmetes olulistes aspektides erinevad ja kuuluvad väga erinevatesse taksonoomilistesse kategooriatesse. Nad eksisteerivad isoleeritud või seotud rakkudena ja võivad olla:

  • Peamised prokarüootid (ühesugused organismid, millel puudub määratletud tuum), nagu eubakterid ja arheebakterid.
  • Lihtsad eukarüootid (määratletud tuumaga üheahelalised organismid), nagu pärmid, niitid, mikroalgad ja algloomad.
  • Viirused (mis ei ole rakulised, vaid mikroskoopilised).

Mikroorganismid on võimelised täitma kõiki oma olulisi protsesse (kasv, ainevahetus, energia tekitamine ja paljunemine) sõltumatult teistest samasse klassi või erinevatest rakkudest..

Indeks

  • 1 Asjakohased mikroobsed omadused
    • 1.1 Koostoime väliskeskkonnaga
    • 1.2 Metabolism
    • 1.3 Kohanemine väga erinevate keskkondadega
    • 1.4 Äärmuslik keskkond
    • 1.5 Ekstremofiilsed mikroorganismid
  • 2 Keskkonna mikrobioloogias kasutatav molekulaarbioloogia
    • 2.1 Isolatsioon ja mikroobikultuur
    • 2.2 Molekulaarbioloogia vahendid
  • 3 Keskkonna mikrobioloogia õppevaldkonnad
    • 3.1 - Mikroobide ökoloogia
    • 3.2 -Geomikrobioloogia
    • 3.3 -Biorremediatsioon
  • 4 Keskkonna mikrobioloogia rakendused
  • 5 Viited

Asjakohased mikroobsed omadused

Koostoime väliskeskkonnaga

Vaba elu üheahelalised organismid on eriti väliskeskkonnale avatud. Lisaks on neil nii väike rakkude suurus (mis mõjutab nende morfoloogiat ja metaboolset paindlikkust) kui ka kõrge pinna / mahu suhe, mis tekitab ulatusliku koostoime nende keskkonnaga..

Selle tõttu sõltub nii ellujäämine kui ka mikroobide ökoloogiline jaotumine nende võimest kohanduda füsioloogiliselt sagedaste keskkonnamuutustega.

Metabolism

Kõrge pinna / mahu suhe tekitab kõrgeid mikroobide ainevahetuse kiirusi. See on seotud selle kiire kasvu ja rakkude jagunemisega. Lisaks on looduses ulatuslik mikroobide ainevahetuse mitmekesisus.

Mikroorganisme võib pidada keemilisteks masinateks, mis muudavad erinevaid aineid nii seest kui väljast. See on tingitud tema ensümaatilisest aktiivsusest, mis kiirendab spetsiifiliste keemiliste reaktsioonide kiirust.

Kohanemine väga erinevate keskkondadega

Üldiselt on mikroobne mikroobide elupaik dünaamiline ja heterogeensed olemasolevate toitainete tüübi ja koguse ning füüsikalis-keemiliste tingimuste suhtes..

On mikroobseid ökosüsteeme:

  • Maapealne (kivimites ja pinnases).
  • Veekogud (ookeanides, tiikides, järvedes, jõgedes, kuumaveeallikates, põhjaveekihtides).
  • Seotud kõrgemate organismidega (taimed ja loomad).

Äärmuslik keskkond

Mikroorganisme leidub peaaegu kõigis Maa planeedi keskkondades, mis on tuttavad või mitte kõrgematele eluvormidele.

Äärmuslike tingimustega keskkonnad, mis puudutavad temperatuuri, soolsust, pH-d ja vee kättesaadavust (teiste ressursside hulgas), on "ekstremofiilsed" mikroorganismid. Need on enamasti arhiivid (või arheebakterid), mis moodustavad primaarse bioloogilise domeeni, mis erineb bakteritest ja Eukarjasest, mida nimetatakse Archaea..

Ekstremofiilsed mikroorganismid

Ekstremofiilsete mikroorganismide hulgast on järgmised:

  • Termofiilid: mis tagavad optimaalse kasvu temperatuuril üle 40 ° C (soojusallikate elanikud).
  • Psühofiilne: optimaalne kasv alla 20 ° C juures (jääga elanike elanikud).
  • Acidófilos: optimaalne kasv madala pH tingimustes, peaaegu 2 (happe) juures. Esineb happelistes soojusvetes ja veealustel vulkaanilistel praodel.
  • Halofiilid: mis nõuavad suure soola (NaCl) kontsentratsiooni kasvamist (nagu soolvees).
  • Xerofiilid: taluvad põuad, st madal veetegevus (kõrbete elanikud nagu Atacama Tšiilis).

Keskkonn mikrobioloogias rakendatav molekulaarbioloogia

Isoleerimine ja mikroobikultuur

Mikroorganismi üldiste omaduste ja ainevahetusvõime uurimiseks peab see olema: isoleeritud looduslikust keskkonnast ja hoitud laboris puhtas kultuuris (ilma muude mikroorganismideta)..

Laboris on isoleeritud ja kasvatatud ainult 1% looduses esinevatest mikroorganismidest. See on tingitud nende spetsiifiliste toitumisvajaduste teadmatusest ja olemasolevate keskkonnatingimuste mitmekesisuse simuleerimisest.

Molekulaarbioloogia vahendid

Molekulaarbioloogia meetodite rakendamine mikroobse ökoloogia valdkonnas on võimaldanud meil uurida olemasolevat mikroobide bioloogilist mitmekesisust, ilma et oleks vaja seda isoleerida ja kultuuri laboris. Ta on isegi lubanud tuvastada mikroorganisme oma looduslikes mikro-elupaikades, st, in situ.

See on eriti oluline ekstremofiilsete mikroorganismide uurimisel, mille optimaalsed kasvutingimused on laboris simuleerimiseks keerulised.

Teisest küljest on geneetiliselt muundatud mikroorganismide kasutamisel rekombinantse DNA tehnoloogia võimaldanud saasteainete kõrvaldamist keskkonnast bioremediatsiooniprotsessides..

Keskkonna mikrobioloogia uurimise valdkonnad

Nagu algselt öeldud, hõlmavad keskkonna mikrobioloogia uurimise erinevad valdkonnad mikroobide ökoloogia, geomikrobioloogia ja bioremediatsiooni erialasid..

-Mikroobide ökoloogia

Mikroobide ökoloogia ühendab mikrobioloogia ökoloogilise teooriaga, uurides mikroobide funktsionaalsete rollide mitmekesisust nende looduskeskkonnas.

Mikroorganismid on Maa planeedil suurim biomass, mistõttu ei ole üllatav, et nende rollid või ökoloogilised rollid mõjutavad ökosüsteemide ökoloogilist ajalugu..

Sellise mõju näide on aeroobse elu vormide ilmnemine tänu hapniku kogunemisele (OR2) primitiivses atmosfääris, mis on tekkinud tsüanobakterite fotosünteetilisest aktiivsusest.

Mikroobikoloogia teadusvaldkonnad

Mikrobioloogiline ökoloogia on kõikide teiste mikrobioloogia valdkondade ja uuringute suhtes läbiv:

  • Mikroobide mitmekesisus ja selle evolutsiooniline ajalugu.
  • Elanikkonna mikroorganismide ja kogukonna populatsioonide vahelised koostoimed.
  • Mikroorganismide ja taimede vahelised koostoimed.
  • Fütopatogeenid (bakteriaalsed, seened ja viirused).
  • Mikroorganismide ja loomade vahelised koostoimed.
  • Mikroobsed kogukonnad, nende koosseis ja pärimisprotsessid.
  • Mikroobsed kohandused keskkonnatingimustega.
  • Mikroobide elupaigatüübid (atmo-ökosfäär, hüdroökosfäär, litofosfäär ja äärmuslikud elupaigad).

-Geomikrobioloogia

Geomikrobioloogia uurib geoloogilisi ja geokeemilisi (maapealseid biogeokeemilisi tsükleid) mõjutavaid mikroobseid tegevusi.

Need esinevad atmosfääris, hüdrosfääris ja geosfääris, eriti sellistes keskkondades nagu hiljutised setted, põhjaveekogumid, mis puutuvad kokku settekivimite ja tarduvate kivimitega, ja ilmastikukoores.

Ta on spetsialiseerunud mikroorganismidele, mis interakteeruvad mineraalidega oma keskkonnas, lahustades neid, muundades neid, sadestades neid muu hulgas..

Geomikrobioloogia uurimisvaldkonnad

Geomikrobioloogia uuringud:

  • Mikroobsed koostoimed geoloogiliste protsessidega (mulla moodustumine, kivimurd, mineraalide ja fossiilkütuste süntees ja lagunemine).
  • Mikroobse päritoluga mineraalide moodustumine sadestamise või ökosüsteemi lagunemise teel (näiteks põhjaveekihtides).
  • Mikroobne sekkumine geosfääri biogeokeemilistesse tsüklitesse.
  • Mikroobsed interaktsioonid, mis moodustavad pinnal soovimatuid mikroorganismide tükke (biofouling). Need biopõletamine võivad tekitada nende elupindade halvenemise. Näiteks võivad nad metallipindu korrodeerida (biokorrosioon).
  • Fossiilsed tõendid mikroorganismide ja mineraalide vastastikuse mõju kohta nende primitiivses keskkonnas.

Näiteks on stromatoliidid madalase vee kihilised fossiilsed mineraalstruktuurid. Neid moodustavad karbonaadid, mis pärinevad primitiivsete tsüanobakterite seintest.

-Bioremediatsioon

Bioremediatsioon uurib bioloogiliste mõjurite (mikroorganismid ja / või nende ensüümid ja taimed) kasutamist inimeste tervisele ja keskkonnale ohtlike ainetega saastunud pinnases ja vees..

Paljusid olemasolevaid keskkonnaprobleeme saab lahendada globaalse ökosüsteemi mikroobikomponendi abil.

Bioremediatsiooni uurimisvaldkonnad

Bioremediatsiooniuuringud:

  • Keskkonna sanitaarprotsessides kasutatavad mikroobsed metaboolsed võimed.
  • Mikroobsed koostoimed anorgaaniliste ja ksenobiootiliste saasteainetega (toksilised sünteetilised tooted, mida ei tekita looduslikud biosünteetilised protsessid). Enim uuritud ksenobiootiliste ühendite hulka kuuluvad halogeenkarbonaadid, nitroaromaatsed ühendid, polüklooritud bifenüülid, dioksiinid, alküülbensüülsulfonaadid, nafta süsivesinikud ja pestitsiidid. Kõige uuritumate anorgaaniliste elementide hulgas on raskemetalle.
  • Keskkonna saasteainete biolagundatavus in situ ja laboris.

Keskkonna mikrobioloogia rakendused

Selle suure teaduse mitme rakenduse hulgast võime mainida:

  • Uute mikroobide ainevahetusradade avastamine, millel on potentsiaalsed rakendused kaubandusliku väärtusega protsessides.
  • Mikroobide filogeneetiliste suhete rekonstrueerimine.
  • Põhjaveekihtide ja avaliku joogiveevarude analüüs.
  • Metallide lahustumine või leostumine keskkonda taaskasutamiseks.
  • Biohüdrometallurgia või raskmetallide biomehaanika saastunud alade bioremediatsiooniprotsessides.
  • Maa-alustes põhjaveekihtides lahustunud radioaktiivsete jäätmete mahutite biokorrosiooniga seotud mikroorganismide biokontroll.
  • Primitiivse maapealse ajaloo, paleohea ja elu primitiivsete vormide rekonstrueerimine.
  • Kasulike mudelite ülesehitamine fossiilse elu otsimisel muudel planeedidel, näiteks Marsil.
  • Ksenobiootiliste või anorgaaniliste ainetega, näiteks raskmetallidega, saastunud alade puhastamine.

Viited

  1. Ehrlich, H. L. ja Newman, D. K. (2009). Geomikrobioloogia. Viies väljaanne, CRC Press. lk 630.
  2. Malik, A. (2004). Metalli bioremediatsioon kasvavate rakkude kaudu. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Keskkonna saastamise kontrolli mikrobioloogia. M. Dekker lk. 453.
  4. Prescott, L.M. (2002). Mikrobioloogia Viies väljaanne, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. lk 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiilid uudsete ensüümide allikana. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S. C. ja Jones, K. C. (1993). Polüukleaarsete aromaatsete süsivesinike (PAH) saastunud pinnase bioloogiline likvideerimine: ülevaade. Keskkonnareostus, 81 (3), 229-249. doi: 10,016 / 0269-7491 (93) 90206-4.