Environmentální mikrobiologie, předmět studia a aplikace



environmentální mikrobiologie je věda, která studuje rozmanitost a funkci mikroorganismů v jejich přirozeném prostředí a aplikace jejich metabolických schopností v bioremediačních procesech kontaminované půdy a vody. Obvykle se dělí na disciplíny: mikrobiální ekologie, geomicrobiologie a bioremediace.

Mikrobiologie (mikros: malý, bios: život, loga: studie), interdisciplinárně studuje širokou a různorodou skupinu jednobuněčných mikroskopických organismů (od 1 do 30 μm) viditelných pouze optickým mikroskopem (neviditelným lidským okem).

Organismy seskupené v oblasti mikrobiologie jsou v mnoha důležitých aspektech odlišné a patří do velmi odlišných taxonomických kategorií. Existují jako izolované nebo asociované buňky a mohou být:

  • Hlavní prokaryoty (jednobuněčné organismy bez definovaného jádra), jako jsou eubacteria a archaebacteria.
  • Jednoduché eukaryoty (jednobuněčné organismy s definovaným jádrem), jako jsou kvasinky, vláknité houby, mikrořasy a prvoky.
  • Viry (které nejsou buněčné, ale mikroskopické).

Mikroorganismy jsou schopny provádět všechny své životně důležité procesy (růst, metabolismus, generování energie a reprodukce), nezávisle na jiných buňkách stejné třídy nebo různých.

Index

  • 1 Relevantní mikrobiální charakteristiky
    • 1.1 Interakce s vnějším prostředím
    • 1.2 Metabolismus
    • 1.3 Přizpůsobení velmi různorodým prostředím
    • 1.4 Extrémní prostředí
    • 1.5 Extremofilní mikroorganismy
  • 2 Molekulární biologie aplikovaná na environmentální mikrobiologii
    • 2.1 Izolace a mikrobiální kultura
    • 2.2 Nástroje molekulární biologie
  • 3 Oblasti studia environmentální mikrobiologie
    • 3.1 - Mikrobiální ekologie
    • 3.2 -Geomicrobiologie
    • 3.3 -Biorremediation
  • 4 Aplikace environmentální mikrobiologie
  • 5 Odkazy

Příslušné mikrobiální charakteristiky

Interakce s vnějším prostředím

Obzvláště vystaveny vnějšímu prostředí jsou jednobuněčné organismy volného života. Kromě toho mají velmi malou velikost buněk (což ovlivňuje jejich morfologii a metabolickou flexibilitu) a vysoký poměr povrch / objem, který vytváří rozsáhlé interakce s jejich prostředím..

Díky tomu závisí přežití i mikrobiální ekologická distribuce na jejich schopnosti přizpůsobit se fyziologicky častým změnám prostředí.

Metabolismus

Vysoký poměr povrch / objem vytváří vysoké rychlosti mikrobiálního metabolismu. To souvisí s rychlou rychlostí růstu a buněčným dělením. Kromě toho existuje v přírodě široká mikrobiální metabolická diverzita.

Mikroorganismy mohou být považovány za chemické stroje, které transformují různé látky uvnitř i vně. To je způsobeno jeho enzymatickou aktivitou, která urychluje rychlost specifických chemických reakcí.

Přizpůsobení velmi různorodým prostředím

Obecně je mikrobiální mikrobiální stanoviště dynamické a heterogenní s ohledem na typ a množství přítomných živin, jakož i na jeho fyzikálně-chemické podmínky..

Existují mikrobiální ekosystémy:

  • Suchozemské (ve skalách a půdě).
  • Vodní (v oceánech, rybnících, jezerech, řekách, horkých pramenech, vodonosných vrstvách).
  • Spojeno s vyššími organismy (rostliny a zvířata).

Extrémní prostředí

Mikroorganismy se vyskytují prakticky ve všech prostředích na planetě Zemi, které jsou známé nebo nemají vyšší formy života.

Prostředí s extrémními podmínkami týkajícími se teploty, slanosti, pH a dostupnosti vody (mimo jiné zdroje) představují „extremofilní“ mikroorganismy. Jedná se většinou o archaea (nebo archaebacteria), které tvoří primární biologickou doménu diferencovanou od Bacteria a Eukarya, zvanou Archaea..

Extremofilní mikroorganismy

Mezi širokou škálu extremofilních mikroorganismů patří:

  • Termofily: představují optimální růst při teplotách nad 40 ° C (obyvatelé termálních pramenů).
  • Psychofilní: optimální růst při teplotách pod 20 ° C (obyvatelé míst s ledem).
  • Acidófilos: optimálního růstu v podmínkách nízkého pH, blízko 2 (kyselina). V kyselých termálních vodách a podmořských sopečných prasklinách.
  • Halophiles: který vyžadovat vysoké koncentrace soli (NaCl) růst (jak v brines) \ t.
  • Xerofily: schopné odolat suchu, tj. Nízké vodní aktivitě (obyvatelé pouští, jako je Atacama v Chile).

Molekulární biologie aplikovaná na mikrobiologii životního prostředí

Izolace a mikrobiální kultura

Pro studium obecných vlastností a metabolických schopností mikroorganismu musí být: izolován z přirozeného prostředí a uchováván v čisté kultuře (bez dalších mikroorganismů) v laboratoři.

V laboratoři bylo izolováno a kultivováno pouze 1% existujících mikroorganismů. To je dáno neznalostí jejich specifických nutričních požadavků a obtížností simulace široké škály stávajících podmínek prostředí.

Nástroje molekulární biologie

Aplikace metod molekulární biologie na oblast mikrobiální ekologie nám umožnila prozkoumat existující mikrobiální biologickou rozmanitost, aniž by byla nutná její izolace a kultivace v laboratoři. To dokonce dovolilo identifikovat mikroorganismy v jejich přirozených microhabitats, to je, in situ.

To je důležité zejména při studiu extremofilních mikroorganismů, jejichž optimální růstové podmínky jsou v laboratoři složité.

Na druhé straně technologie rekombinantní DNA s využitím geneticky modifikovaných mikroorganismů umožnila eliminaci znečišťujících látek z prostředí v bioremediačních procesech..

Oblasti studia environmentální mikrobiologie

Jak bylo uvedeno zpočátku, různé oblasti studia environmentální mikrobiologie zahrnují disciplíny mikrobiální ekologie, geomicrobiologie a bioremediace..

-Mikrobiální ekologie

Mikrobiální ekologie spojuje mikrobiologii s ekologickou teorií, studiem rozmanitosti mikrobiálních funkčních rolí v jejich přirozeném prostředí.

Mikroorganismy představují největší biomasu na planetě Zemi, takže není divu, že jejich role nebo ekologické role ovlivňují ekologickou historii ekosystémů..

Příkladem tohoto vlivu je výskyt aerobních forem života díky hromadění kyslíku (OR)2) v primitivní atmosféře vytvořené fotosyntetickou aktivitou sinic.

Výzkumné oblasti mikrobiální ekologie

Mikrobiální ekologie je průřezová ve všech ostatních disciplínách mikrobiologie a studií:

  • Mikrobiální diverzita a její evoluční historie.
  • Interakce mezi mikroorganismy populace a mezi populacemi v komunitě.
  • Interakce mezi mikroorganismy a rostlinami.
  • Fytopatogeny (bakteriální, plísňové a virové).
  • Interakce mezi mikroorganismy a zvířaty.
  • Mikrobiální komunity, jejich složení a procesy následnictví.
  • Mikrobiální adaptace na podmínky prostředí.
  • Typy mikrobiálních stanovišť (atmo-ekospéra, hydro-ekosféra, lito-ekospéra a extrémní stanoviště).

-Geomicrobiologie

Geomicrobiologie studuje mikrobiální aktivity, které ovlivňují geologické a geochemické (terestrické biogeochemické cykly) procesy.

Ty se vyskytují v atmosféře, hydrosféře a geosféře, konkrétně v prostředích, jako jsou nedávné sedimenty, útvary podzemní vody v kontaktu se sedimentárními a vyvřelými horninami a zvětralá zemská kůra.

Specializuje se na mikroorganismy, které interagují s minerály v jejich prostředí, rozpouštějí je, transformují a urychlují..

Oblasti výzkumu geomikrobiologie

Studie geomikrobiologie:

  • Mikrobiální interakce s geologickými procesy (tvorba půdy, rozbití hornin, syntéza a degradace minerálů a fosilních paliv).
  • Tvorba minerálů mikrobiálního původu, a to buď srážením nebo rozpuštěním v ekosystému (např. Ve vodonosných vrstvách).
  • Mikrobiální intervence v biogeochemických cyklech geosféry.
  • Mikrobiální interakce, které tvoří nežádoucí shluky mikroorganismů na povrchu (biofouling). Tyto biologické znečištění mohou způsobit zhoršení povrchů, které obývají. Mohou například korodovat kovové povrchy (biokoroze).
  • Fosilní důkaz interakcí mezi mikroorganismy a minerály v jejich primitivním prostředí.

Například stromatolity jsou vrstvené fosilní minerální struktury mělké vody. Jsou tvořeny uhličitany, pocházejícími ze zdí primitivních sinic.

-Bioremediace

Bioremediační studie zaměřené na aplikaci biologických činidel (mikroorganismů a / nebo jejich enzymů a rostlin) v procesech regenerace půdy a vody kontaminovaných látkami nebezpečnými pro lidské zdraví a životní prostředí.

Mnohé ze stávajících problémů životního prostředí lze řešit použitím mikrobiální složky globálního ekosystému.

Výzkumné oblasti bioremediace

Bioremediační studie:

  • Mikrobiální metabolické kapacity použitelné v procesech sanitace životního prostředí.
  • Mikrobiální interakce s anorganickými a xenobiotickými kontaminanty (toxické syntetické produkty, které nejsou generovány přirozenými biosyntetickými procesy). Mezi nejvíce studované xenobiotické sloučeniny patří halogenované uhlovodíky, nitroaromáty, polychlorované bifenyly, dioxiny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhlovodíky a pesticidy. Mezi nejvíce studovanými anorganickými elementy jsou těžké kovy.
  • Biologická rozložitelnost látek znečišťujících životní prostředí in situ a v laboratoři.

Aplikace environmentální mikrobiologie

Z mnoha aplikací této rozsáhlé vědy můžeme zmínit:

  • Objev nových mikrobiálních metabolických drah s potenciálními aplikacemi v procesech komerční hodnoty.
  • Rekonstrukce mikrobiálních fylogenetických vztahů.
  • Analýza vodonosných vrstev a veřejných vodovodů.
  • Rozpuštění nebo loužení (biologické louhování) kovů v médiu pro regeneraci.
  • Biohydrometalurgie nebo biomechanika těžkých kovů, v bioremediačních procesech kontaminovaných oblastí.
  • Biokontroly mikroorganismů zapojených do biokoroze nádob s radioaktivním odpadem rozpuštěných v podzemních vodních vrstvách.
  • Rekonstrukce primitivních pozemských dějin, paleoenvironment a primitivních forem života.
  • Konstrukce užitečných modelů při hledání zkamenělého života na jiných planetách, jako je Mars.
  • Sanace ploch kontaminovaných xenobiotiky nebo anorganickými látkami, jako jsou těžké kovy.

Odkazy

  1. Ehrlich, H. L. a Newman, D. K. (2009). Geomicrobiologie. Páté vydání, CRC Press. pp 630.
  2. Malik, A. (2004). Kovové bioremediace přes rostoucí buňky. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologie kontroly znečištění životního prostředí. M. Dekker pp 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologie Páté vydání, McGraw-Hill věda / inženýrství / matematika. str. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Extremofily jako zdroj nových enzymů. 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). Bioremediace půdy kontaminované polynukleárními aromatickými uhlovodíky (PAH): Přehled. Znečištění životního prostředí, 81 (3), 229-249. doi: 10,1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.