Περιβαλλοντική μικροβιολογία αντικείμενο μελέτης και εφαρμογές



Το περιβαλλοντική μικροβιολογία είναι η επιστήμη που μελετά την ποικιλομορφία και τη λειτουργία των μικροοργανισμών στο φυσικό τους περιβάλλον και τις εφαρμογές των μεταβολικών τους δυνατοτήτων σε διαδικασίες βιοαποκατάστασης μολυσμένου εδάφους και νερού. Συνήθως χωρίζονται σε κλάδους: μικροβιακή οικολογία, geomicrobiology και βιολογική αποκατάσταση.

Μικροβιολογία (mikros: μικρό, bios: ζωή, λογότυπα: μελέτη) με διεπιστημονικό τρόπο μια ευρεία και ποικίλη ομάδα μονοκύτταρων μικροσκοπικών οργανισμών (από 1 έως 30 μm), ορατή μόνο μέσω του οπτικού μικροσκοπίου (αόρατο στο ανθρώπινο μάτι).

Οι οργανισμοί που ομαδοποιούνται στον τομέα της μικροβιολογίας είναι διαφορετικοί σε πολλές σημαντικές πτυχές και ανήκουν σε πολύ διαφορετικές ταξονομικές κατηγορίες. Υπάρχουν ως απομονωμένα ή συνδεδεμένα κύτταρα και μπορεί να είναι:

  • Κύριοι προκαρυώτες (μονοκύτταροι οργανισμοί χωρίς καθορισμένο πυρήνα), όπως τα ευβακτήρια και τα αρχαϊκά βακτήρια.
  • Απλοί ευκαρυώτες (μονοκύτταροι οργανισμοί με καθορισμένο πυρήνα), όπως ζυμομύκητες, νηματώδεις μύκητες, μικροφύκη και πρωτόζωα.
  • Οι ιοί (οι οποίοι δεν είναι κυτταρικοί, αλλά μικροσκοπικοί).

Οι μικροοργανισμοί είναι ικανοί να εκτελούν όλες τις ζωτικές τους διαδικασίες (ανάπτυξη, μεταβολισμό, παραγωγή ενέργειας και αναπαραγωγή), ανεξάρτητα από άλλα κύτταρα της ίδιας τάξης ή διαφορετικά.

Ευρετήριο

  • 1 Σχετικά μικροβιακά χαρακτηριστικά
    • 1.1 Αλληλεπίδραση με το εξωτερικό περιβάλλον
    • 1.2 Μεταβολισμός
    • 1.3 Προσαρμογή σε πολύ διαφορετικά περιβάλλοντα
    • 1.4 Ακραία περιβάλλοντα
    • 1.5 Εξωμόφιλοι μικροοργανισμοί
  • 2 Μοριακή βιολογία που εφαρμόζεται στην περιβαλλοντική μικροβιολογία
    • 2.1 Απομόνωση και μικροβιακή καλλιέργεια
    • 2.2 Εργαλεία μοριακής βιολογίας
  • 3 Περιοχές μελέτης περιβαλλοντικής μικροβιολογίας
    • 3.1 - Μικροβιακή οικολογία
    • 3.2 -Γεομικροβιολογία
    • 3.3-Διόρθωση
  • 4 Εφαρμογές περιβαλλοντικής μικροβιολογίας
  • 5 Αναφορές

Σχετικά μικροβιακά χαρακτηριστικά

Αλληλεπίδραση με το εξωτερικό περιβάλλον

Οι μονοκύτταροι οργανισμοί της ελεύθερης ζωής είναι ιδιαίτερα εκτεθειμένοι στο εξωτερικό περιβάλλον. Επιπλέον, έχουν τόσο ένα πολύ μικρό μέγεθος κυττάρου (το οποίο επηρεάζει τη μορφολογία τους και την μεταβολική τους ευελιξία), όσο και μια μεγάλη αναλογία επιφάνειας / όγκου, η οποία δημιουργεί εκτεταμένες αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους.

Λόγω αυτού, τόσο η επιβίωση όσο και η μικροβιακή οικολογική κατανομή εξαρτώνται από την ικανότητά τους να προσαρμόζονται φυσιολογικά σε συχνές περιβαλλοντικές παραλλαγές.

Μεταβολισμός

Η μεγάλη αναλογία επιφάνειας / όγκου δημιουργεί υψηλά ποσοστά μεταβολισμού μικροβίων. Αυτό σχετίζεται με τον ταχύ ρυθμό ανάπτυξής του και την κυτταρική διαίρεση. Επιπλέον, υπάρχει μια ευρεία μικροβιακή μεταβολική ποικιλομορφία στη φύση.

Οι μικροοργανισμοί μπορούν να θεωρηθούν χημικές μηχανές, οι οποίες μετασχηματίζουν διάφορες ουσίες εντός και εκτός. Αυτό οφείλεται στην ενζυματική δράση του, η οποία επιταχύνει τις ταχύτητες των συγκεκριμένων χημικών αντιδράσεων.

Προσαρμογή σε πολύ διαφορετικά περιβάλλοντα

Γενικά, ο μικροβιακός μικροβιακός ενδιαιτητής είναι δυναμικός και ετερογενής σε σχέση με τον τύπο και την ποσότητα των θρεπτικών συστατικών που υπάρχουν, καθώς και τις φυσικοχημικές συνθήκες.

Υπάρχουν μικροβιακά οικοσυστήματα:

  • Επίγεια (σε βράχους και έδαφος).
  • Υδάτινα (σε ωκεανούς, λίμνες, λίμνες, ποτάμια, θερμές πηγές, υδροφορείς).
  • Συνδέεται με υψηλότερους οργανισμούς (φυτά και ζώα).

Εξαιρετικά περιβάλλοντα

Οι μικροοργανισμοί βρίσκονται σε σχεδόν όλα τα περιβάλλοντα του πλανήτη Γη, γνωστά ή όχι σε υψηλότερες μορφές ζωής.

Τα περιβάλλοντα με ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας, αλατότητας, pH και διαθεσιμότητας νερού (μεταξύ άλλων πόρων), παρουσιάζουν "ακραίοφιλα" μικροοργανισμούς. Αυτά είναι ως επί το πλείστον αρχάδια (ή αρχαεβακτήρια), τα οποία σχηματίζουν έναν κύριο βιολογικό τομέα διαφοροποιημένο από τα βακτήρια και την Ευκαρυά, που ονομάζεται Αρχαία..

Εξωμόφιλοι μικροοργανισμοί

Μεταξύ της ευρείας ποικιλίας των ακτινοφιλικών μικροοργανισμών, είναι:

  • Θερμόφιλα: που παρουσιάζουν βέλτιστη ανάπτυξη σε θερμοκρασίες άνω των 40 ° C (κάτοικοι ιαματικών πηγών).
  • Ψυχοφιλική: βέλτιστη ανάπτυξη σε θερμοκρασίες κάτω των 20 ° C (κάτοικοι χώρων με πάγο).
  • Acidófilos: βέλτιστης ανάπτυξης σε συνθήκες χαμηλού pH, κοντά στο 2 (οξύ). Παρέχεται σε όξινα ιαματικά νερά και υποβρύχιες ηφαιστειακές ρωγμές.
  • Αλόφιλα: τα οποία απαιτούν μεγάλες συγκεντρώσεις αλατιού (NaCl) να αναπτυχθούν (όπως σε άλμη).
  • Ξηρόφιλοι: μπορούν να αντέξουν την ξηρασία, δηλαδή τη χαμηλή δραστηριότητα των υδάτων (κάτοικοι ερήμων, όπως το Atacama στη Χιλή).

Η μοριακή βιολογία εφαρμόζεται στην περιβαλλοντική μικροβιολογία

Απομόνωση και μικροβιακή καλλιέργεια

Για να μελετήσει τα γενικά χαρακτηριστικά και τις μεταβολικές ικανότητες ενός μικροοργανισμού, πρέπει: να απομονωθεί από το φυσικό του περιβάλλον και να διατηρηθεί σε καθαρή καλλιέργεια (χωρίς άλλους μικροοργανισμούς) στο εργαστήριο.

Μόνο 1% των μικροοργανισμών που υπάρχουν στη φύση έχουν απομονωθεί και καλλιεργηθεί στο εργαστήριο. Αυτό οφείλεται στην άγνοια των ειδικών διατροφικών τους αναγκών και στη δυσκολία προσομοίωσης της τεράστιας ποικιλίας των υπαρχουσών περιβαλλοντικών συνθηκών.

Εργαλεία μοριακής βιολογίας

Η εφαρμογή τεχνικών μοριακής βιολογίας στο πεδίο της μικροβιακής οικολογίας μας επέτρεψε να διερευνήσουμε την υπάρχουσα μικροβιακή βιοποικιλότητα, χωρίς την ανάγκη για απομόνωση και καλλιέργεια στο εργαστήριο. Έχει ακόμη επιτρέψει την ταυτοποίηση μικροοργανισμών στα φυσικά μικρο-οικοσυστήματα τους, δηλαδή, επί τόπου.

Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη μελέτη των ακτινοφιλικών μικροοργανισμών, των οποίων οι βέλτιστες συνθήκες ανάπτυξης είναι περίπλοκες για την προσομοίωση στο εργαστήριο.

Από την άλλη πλευρά, η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA με τη χρήση γενετικά τροποποιημένων μικροοργανισμών επέτρεψε την εξάλειψη των ρύπων από το περιβάλλον σε διαδικασίες βιοαποκατάστασης.

Τομείς μελέτης περιβαλλοντικής μικροβιολογίας

Όπως αναφέρθηκε αρχικά, οι διαφορετικοί τομείς μελέτης της περιβαλλοντικής μικροβιολογίας περιλαμβάνουν τις επιστήμες της μικροβιακής οικολογίας, της γεωμικροβιολογίας και της βιοαποικοδόμησης.

-Μικροβιακή οικολογία

Η μικροβιακή οικολογία συνενώνει τη μικροβιολογία με την οικολογική θεωρία, μέσα από τη μελέτη της ποικιλομορφίας των μικροβιακών λειτουργικών ρόλων στο φυσικό τους περιβάλλον.

Οι μικροοργανισμοί αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη βιομάζα στον πλανήτη Γη, οπότε δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι οι ρόλοι τους ή οι οικολογικοί ρόλοι τους επηρεάζουν την οικολογική ιστορία των οικοσυστημάτων.

Ένα παράδειγμα αυτής της επιρροής είναι η εμφάνιση αερόβιων μορφών ζωής χάρη στη συσσώρευση οξυγόνου (OR2) στην πρωτόγονη ατμόσφαιρα, που δημιουργείται από τη φωτοσυνθετική δραστηριότητα των κυανοβακτηρίων.

Ερευνητικά πεδία μικροβιακής οικολογίας

Η μικροβιακή οικολογία είναι εγκάρσια σε όλους τους άλλους κλάδους της μικροβιολογίας και μελέτες:

  • Η μικροβιακή ποικιλομορφία και η εξελικτική της ιστορία.
  • Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροοργανισμών ενός πληθυσμού και μεταξύ των πληθυσμών μιας κοινότητας.
  • Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μικροοργανισμών και φυτών.
  • Τα φυτοπαθογόνα (βακτηριακά, μυκητιακά και ιικά).
  • Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ μικροοργανισμών και ζώων.
  • Οι μικροβιακές κοινότητες, η σύνθεσή τους και οι διαδικασίες διαδοχής τους.
  • Μικροβιακές προσαρμογές στις περιβαλλοντικές συνθήκες.
  • Τα είδη των μικροβιακών ενδιαιτημάτων (ατμο-οικοσφαίρια, υδρο-οικοσφαίρια, λιθο-οικοσφαίρια και ακραίες οικοτόποι).

-Γεωμικροβιολογία

Η γεωμικροβιολογία μελετά τις μικροβιακές δραστηριότητες που επηρεάζουν τις γεωλογικές και γεωχημικές (χερσαίες βιογεωχημικές διαδικασίες).

Αυτά συμβαίνουν στην ατμόσφαιρα, την υδροσφαιρία και τη γεωσφαίρια, ειδικά σε περιβάλλοντα όπως τα πρόσφατα ιζήματα, τα υπόγεια ύδατα που έρχονται σε επαφή με ιζηματογενή και πυριγενή πετρώματα και στο φλοιό της Γης.

Ειδικεύεται σε μικροοργανισμούς που αλληλεπιδρούν με μεταλλικά στοιχεία στο περιβάλλον τους, διαλύοντας τους, μετασχηματίζοντάς τους, κατακρημνίζοντας τους, μεταξύ άλλων..

Τομείς έρευνας της Γεωμικροβιολογίας

Μελέτες γεωμικροβιολογίας:

  • Μικροβιακές αλληλεπιδράσεις με γεωλογικές διεργασίες (σχηματισμός εδαφών, θραύση βράχου, σύνθεση και υποβάθμιση ορυκτών και ορυκτών καυσίμων).
  • Ο σχηματισμός ορυκτών μικροβιακής προέλευσης, είτε με καθίζηση είτε με διάλυση στο οικοσύστημα (για παράδειγμα, στους υδροφορείς).
  • Μικροβιακή παρέμβαση σε βιογεωχημικούς κύκλους της γεωσφαίρας.
  • Μικροβιακές αλληλεπιδράσεις που σχηματίζουν ανεπιθύμητες συστάδες μικροοργανισμών σε μια επιφάνεια (βιοσυσσώρευση). Αυτά τα βιοσυγκολλήματα μπορούν να προκαλέσουν επιδείνωση των επιφανειών που κατοικούν. Για παράδειγμα, μπορούν να διαβρώσουν μεταλλικές επιφάνειες (βιο-διάβρωση).
  • Απολιθωμένα στοιχεία αλληλεπιδράσεων μεταξύ μικροοργανισμών και ορυκτών στο πρωτόγονο περιβάλλον τους.

Για παράδειγμα, οι στρωματολίτες είναι στρωματοποιημένες ορυκτές δομές ορυκτών υδάτων. Αποτελούνται από ανθρακικά άλατα, που προέρχονται από τα τοιχώματα των πρωτόγονων κυανοβακτηρίων.

-Βιορευστοποίηση

Η βιοαποικοδόμηση μελετά την εφαρμογή βιολογικών παραγόντων (μικροοργανισμών και / ή ενζύμων και φυτών), στις διαδικασίες ανάκτησης εδάφους και νερού που έχουν μολυνθεί με ουσίες επικίνδυνες για την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον.

Πολλά από τα υφιστάμενα περιβαλλοντικά προβλήματα μπορούν να επιλυθούν με τη χρήση της μικροβιακής συνιστώσας του παγκόσμιου οικοσυστήματος.

Ερευνητικά πεδία βιοαποκατάστασης

Μελέτες βιοανάδρασης:

  • Οι μικροβιακές μεταβολικές ικανότητες που εφαρμόζονται σε διαδικασίες περιβαλλοντικής αποχέτευσης.
  • Μικροβιακές αλληλεπιδράσεις με ανόργανες και ξενοβιοτικές μολυσματικές ουσίες (τοξικά συνθετικά προϊόντα που δεν παράγονται από φυσικές βιοσυνθετικές διεργασίες). Μεταξύ των πλέον μελετώντων ξενοβιοτικών ενώσεων είναι οι αλογονοάνθρακες, τα νιτροαρωματικά, τα πολυχλωριωμένα διφαινύλια, οι διοξίνες, τα σουλφονικά αλκυλοβενζύλια, οι υδρογονάνθρακες πετρελαίου και τα παρασιτοκτόνα. Μεταξύ των πιο μελετώντων ανόργανων στοιχείων εντοπίζονται βαρέα μέταλλα.
  • Η βιοαποδομησιμότητα των περιβαλλοντικών ρύπων επί τόπου και στο εργαστήριο.

Εφαρμογές περιβαλλοντικής μικροβιολογίας

Μεταξύ των πολλαπλών εφαρμογών αυτής της τεράστιας επιστήμης, μπορούμε να αναφέρουμε:

  • Η ανακάλυψη νέων μικροβιακών μεταβολικών οδών με πιθανές εφαρμογές σε διαδικασίες εμπορικής αξίας.
  • Η ανακατασκευή των μικροβιακών φυλογενετικών σχέσεων.
  • Ανάλυση των υδροφορέων και των δημόσιων πηγών πόσιμου νερού.
  • Διαλυτοποίηση ή έκπλυση μετάλλων στο μέσο, ​​για ανάκτηση.
  • Βιοϋδρομεταλλουργία ή βιομηχανική βαρέων μετάλλων, σε διαδικασίες βιοανάδρασης μολυσμένων περιοχών.
  • Βιολογικός έλεγχος των μικροοργανισμών που εμπλέκονται στη βιοδιάβρωση των δοχείων ραδιενεργών αποβλήτων που διαλύονται σε υπόγειους υδροφορείς.
  • Ανασυγκρότηση της πρωτόγονης χερσαίας ιστορίας, του παλαιοπεριβάλλοντος και των πρωτόγονων μορφών ζωής.
  • Κατασκευή χρήσιμων μοντέλων στην αναζήτηση απολιθωμένης ζωής σε άλλους πλανήτες, όπως ο Άρης.
  • Αποχέτευση περιοχών μολυσμένων με ξενοβιοτικές ή ανόργανες ουσίες, όπως βαρέα μέταλλα.

Αναφορές

  1. Ehrlich, Η. L. and Newman, D. Κ. (2009). Γεωμικροβιολογία. Πέμπτη έκδοση, CRC Press. σ. 630.
  2. Malik, Α. (2004). Βιορευστοποίηση μεταλλικών στοιχείων μέσω αναπτυσσόμενων κυττάρων. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. Ε. (2004). Μικροβιολογία ελέγχου της ρύπανσης του περιβάλλοντος. M. Dekker σ. 453.
  4. Prescott, L. Μ. (2002). Μικροβιολογία Πέμπτη έκδοση, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. σ. 1147.
  5. Van den Burg, Β. (2003). Οι εξωμόφιλοι ως πηγή νέων ενζύμων. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060 - 2.
  6. Wilson, S.C., and Jones, Κ.Ο. (1993). Βιοαποικοδόμηση εδάφους που έχει μολυνθεί από πολυνυρηνικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAH): Ανασκόπηση. Περιβαλλοντική Ρύπανση, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.