Ympäristön mikrobiologian tutkimusobjekti ja sovellukset



mikrobiologia on tiede, joka tutkii mikro-organismien monimuotoisuutta ja toimintaa luonnollisessa ympäristössään ja niiden metabolisen kapasiteetin soveltamista pilaantuneen maaperän ja veden bioremediaatioprosesseissa. Se on yleensä jaettu seuraaviin aloihin: mikrobien ekologia, geomikrobiologia ja bioremediaatio.

Mikrobiologia (Mikros: pieni, BIOS: elämä, logot: tutkimus), tutkimukset monitieteisellä tavalla laaja ja monipuolinen yksisoluisten mikroskooppisten organismien ryhmä (1 - 30 μm), jotka näkyvät vain optisen mikroskoopin kautta (näkymätön ihmiselle).

Mikrobiologian alalla ryhmiteltyjä organismeja ovat erilaiset monissa tärkeissä näkökohdissa ja kuuluvat hyvin erilaisiin taksonomisiin luokkiin. Ne ovat eristettyinä tai niihin liittyvinä soluina ja ne voivat olla:

  • Tärkeimmät prokaryootit (yksisoluiset organismit, joilla ei ole määriteltyä ydintä), kuten eubakteerit ja arkkibakteerit.
  • Yksinkertaiset eukaryootit (yksisoluiset organismit, joilla on määritelty ydin), kuten hiivat, rihmasienet, mikroalat ja alkueläimet.
  • Virukset (jotka eivät ole soluisia, vaan mikroskooppisia).

Mikro-organismit pystyvät suorittamaan kaikki elintärkeät prosessit (kasvu, aineenvaihdunta, energiantuotanto ja lisääntyminen) riippumatta muista saman luokan soluista tai erilaisista soluista..

indeksi

  • 1 Merkitykselliset mikrobien ominaisuudet
    • 1.1 Vuorovaikutus ulkoisen ympäristön kanssa
    • 1.2 Metabolia
    • 1.3 Sopeutuminen hyvin erilaisiin ympäristöihin
    • 1.4 Äärimmäisissä ympäristöissä
    • 1.5 Ekstremofiiliset mikro-organismit
  • 2 Ympäristön mikrobiologiaan sovellettava molekyylibiologia
    • 2.1 Eristäminen ja mikrobikulttuuri
    • 2.2 Molekyylibiologiset työkalut
  • 3 Ympäristön mikrobiologian tutkimusalueet
    • 3.1 - Mikrobiologia
    • 3.2 -Geomikrobiologia
    • 3.3 -Biorremediointi
  • 4 Ympäristön mikrobiologian sovellukset
  • 5 Viitteet

Merkitykselliset mikrobien ominaisuudet

Vuorovaikutus ulkoisen ympäristön kanssa

Vapaan elämän yksisoluiset organismit ovat erityisen alttiita ulkoiselle ympäristölle. Lisäksi niillä on sekä hyvin pieni solukoko (mikä vaikuttaa niiden morfologiaan ja metaboliseen joustavuuteen) että korkea pinta- / tilavuussuhde, joka luo laajaa vuorovaikutusta niiden ympäristön kanssa..

Tästä johtuen sekä eloonjääminen että mikrobien ekologinen jakauma riippuvat niiden kyvystä mukautua fysiologisesti usein esiintyviin ympäristömuutoksiin.

aineenvaihdunta

Korkea pinta- / tilavuussuhde tuottaa korkeat mikrobien metaboliset nopeudet. Tämä liittyy sen nopeaan kasvunopeuteen ja solujen jakautumiseen. Lisäksi luonteeltaan on laaja mikrobien metabolinen monimuotoisuus.

Mikro-organismeja voidaan pitää kemiallisina koneina, jotka muuttavat erilaisia ​​aineita sekä sisä- että ulkopuolelta. Tämä johtuu sen entsymaattisesta aktiivisuudesta, joka nopeuttaa spesifisten kemiallisten reaktioiden nopeutta.

Sopeutuminen hyvin erilaisiin ympäristöihin

Yleensä mikrobien mikrobien elinympäristö on dynaaminen ja heterogeeninen läsnä olevien ravintoaineiden tyypin ja määrän sekä sen fysikaalis-kemiallisten olosuhteiden suhteen.

On mikrobien ekosysteemejä:

  • Maaperä (kivissä ja maaperässä).
  • Vesieliö (valtamerissä, lammissa, järvissä, jokien, kuumien lähteiden, pohjavesien).
  • Liittyy korkeampiin organismeihin (kasvit ja eläimet).

Äärimmäisissä ympäristöissä

Mikro-organismeja esiintyy käytännössä kaikissa maapallon ympäristöissä, jotka ovat tuttuja tai eivät suurempiin elämänmuotoihin.

Ympäristöt, joissa on äärimmäiset olosuhteet lämpötilan, suolapitoisuuden, pH: n ja veden saatavuuden suhteen (muun muassa resurssien joukossa), esittävät "ekstremofiilisiä" mikro-organismeja. Nämä ovat enimmäkseen arkkitehtuureja (tai arkkibakteereita), jotka muodostavat primaarisen biologisen domeenin, joka on erotettu bakteerista ja Eukaryasta, nimeltään Archaea..

Ekstremofiiliset mikro-organismit

Erilaisia ​​ekstremofiilisiä mikro-organismeja ovat:

  • Termofiilit: jotka tuottavat optimaalisen kasvun yli 40 ° C: n lämpötiloissa (lämpöjousien asukkaat).
  • Psykofiilinen: optimaalinen kasvu alle 20 ° C: n lämpötiloissa (jääpaikkojen asukkaat).
  • Acidófilos: optimaalinen kasvu alhaisen pH: n olosuhteissa, lähellä 2: ta (happo). Läsnä happamisissa lämpövesissä ja vedenalaisissa vulkaanisissa halkeamissa.
  • Halofiilit: jotka vaativat suuren suolapitoisuuden (NaCl) kasvavan (kuten suolavedessä).
  • Kerofiilit: kestävät kuivuutta, eli alhainen vesiaktiivisuus (tuollaisten aavikkojen asukkaat, kuten Atacama Chilessä).

Ympäristön mikrobiologiaan sovellettava molekyylibiologia

Eristäminen ja mikrobikulttuuri

Mikro-organismin yleisten ominaisuuksien ja aineenvaihduntaominaisuuksien tutkimiseksi sen on oltava: eristetty sen luonnollisesta ympäristöstä ja säilytettävä puhtaassa viljelmässä (vapaa muista mikro-organismeista) laboratoriossa.

Vain 1% luonnossa olevista mikro-organismeista on eristetty ja viljelty laboratoriossa. Tämä johtuu tietämättömyydestä niiden erityisistä ravitsemustarpeista ja siitä, että on vaikea simuloida olemassa olevia ympäristöolosuhteita.

Molekyylibiologiset työkalut

Molekyylibiologian tekniikoiden soveltaminen mikrobien ekologian alalla on antanut meille mahdollisuuden tutkia olemassa olevaa mikrobiologista monimuotoisuutta ilman, että tarvitsemme sen eristämistä ja kulttuuria laboratoriossa. Se on jopa antanut mahdollisuuden tunnistaa mikro-organismeja luonnollisissa mikro-elinympäristöissään, in situ.

Tämä on erityisen tärkeää ekstremofiilisten mikro-organismien tutkimuksessa, joiden optimaaliset kasvuolosuhteet ovat monimutkaisia ​​simuloida laboratoriossa.

Toisaalta geneettisesti muunnettujen mikro-organismien avulla rekombinantti-DNA: n tekniikka on mahdollistanut epäpuhtauksien poistamisen ympäristöstä bioremediaatioprosesseissa..

Ympäristön mikrobiologian tutkimusalueet

Kuten alun perin on todettu, ympäristön mikrobiologian eri osa-alueita ovat mikrobiologian, geomikrobiologian ja bioremediaation tieteenalat.

-Mikrobiologia

Mikrobiologia yhdistää mikrobiologian ekologiseen teoriaan tutkimalla mikrobien funktionaalisten roolien monimuotoisuutta niiden luonnollisessa ympäristössä.

Mikro-organismit edustavat maapallon suurinta biomassaa, joten ei ole yllättävää, että niiden roolit tai ekologiset roolit vaikuttavat ekosysteemien ekologiseen historiaan.

Esimerkki tästä vaikutuksesta on aerobisen elämänmuodon ilmaantuminen hapen kertymisen ansiosta (OR2) syanobakteerien fotosynteettisen aktiivisuuden synnyttämässä primitiivisessä ilmakehässä.

Mikrobien ekologian tutkimusalat

Mikrobiologia on poikittainen kaikkiin muihin mikrobiologian aloihin ja tutkimuksiin:

  • Mikrobien monimuotoisuus ja sen kehityshistoria.
  • Väestön mikro-organismien ja yhteisön väestöjen välinen vuorovaikutus.
  • Mikro-organismien ja kasvien välinen vuorovaikutus.
  • Fytopatogeenit (bakteerit, sienet ja virus).
  • Mikro-organismien ja eläinten välinen vuorovaikutus.
  • Mikrobien yhteisöt, niiden koostumus ja peräkkäiset prosessit.
  • Mikrobien sopeutuminen ympäristöolosuhteisiin.
  • Mikrobien elinympäristön tyypit (atmo-ekosfääri, vesiekosfääri, litosekosfääri ja äärimmäiset elinympäristöt).

-geomicrobiology

Geomikrobiologia tutkii geologisia ja geokemiallisia (maanpäällisiä biogeokemiallisia syklejä) vaikuttavia mikrobitoimia.

Näitä esiintyy ilmakehässä, hydrosfäärissä ja geosfäärissä, erityisesti sellaisissa ympäristöissä, kuten viimeisissä sedimenteissä, pohjavesimuodostumissa, jotka ovat kosketuksissa sedimentti- ja nisäkivien kanssa, ja rapautuneessa maankuoressa.

Se on erikoistunut mikro-organismeihin, jotka ovat vuorovaikutuksessa mineraalien kanssa ympäristöönsä, liuottamalla ne ja muuttamalla niitä, saostamalla niitä muun muassa..

Geomikrobiologian tutkimusalat

Geomikrobiologian tutkimukset:

  • Mikrobiologiset vuorovaikutukset geologisten prosessien kanssa (maaperän muodostuminen, kalliomurtuma, mineraalien ja fossiilisten polttoaineiden synteesi ja hajoaminen).
  • Mikrobien alkuperän omaavien mineraalien muodostuminen joko saostamalla tai hajoamalla ekosysteemiin (esimerkiksi vesikerroksissa).
  • Mikrobien interventio geosfäärin biogeokemiallisiin sykleihin.
  • Mikrobien väliset vuorovaikutukset, jotka muodostavat ei-toivottuja mikro-organismien kasaumia pinnalle (biofouling). Nämä biopoltto voivat aiheuttaa niiden pintojen heikkenemistä, joita ne asuvat. Ne voivat esimerkiksi korjata metallipintoja (biokorroosiota).
  • Fossiiliset todisteet mikro-organismien ja mineraalien välisestä vuorovaikutuksesta niiden primitiivisessä ympäristössä.

Esimerkiksi stromatoliitit ovat matalan veden kerrostuneita fossiilisia mineraalirakenteita. Ne muodostuvat karbonaateista, jotka tulevat primitiivisten syanobakteerien seinistä.

-bioremediation

Bioremediointi tutkii biologisten tekijöiden (mikro-organismien ja / tai niiden entsyymien ja kasvien) käyttöä maaperän ja veden talteenotossa, joka on saastunut ihmisten terveydelle ja ympäristölle vaarallisilla aineilla..

Monet nykyisistä ympäristöongelmista voidaan ratkaista käyttämällä globaalin ekosysteemin mikrobikomponenttia.

Bioremediaation tutkimusalat

Bioremediaatiotutkimukset:

  • Ympäristön puhtaanapidon prosesseissa sovellettavat mikrobien aineenvaihdunnan kapasiteetit.
  • Mikrobiologiset vuorovaikutukset epäorgaanisten ja ksenobioottisten epäpuhtauksien kanssa (myrkylliset synteettiset tuotteet, joita ei synny luonnollisista biosynteettisistä prosesseista). Tutkituimpia ksenobioottisia yhdisteitä ovat halogeenihiilivedyt, nitroaromatit, polyklooratut bifenylit, dioksiinit, alkyylibentsyylisulfonaatit, maaöljyn hiilivedyt ja torjunta-aineet. Tutkituimmista epäorgaanisista elementeistä löytyy raskasmetalleja.
  • Ympäristön pilaavien aineiden biohajoavuus in situ ja laboratoriossa.

Ympäristön mikrobiologian sovellukset

Tämän suuren tieteen useiden sovellusten joukossa voimme mainita:

  • Uusien mikrobien metabolisten reittien löytäminen, joilla on mahdollisia sovelluksia kaupallisessa arvossa.
  • Mikrobien fylogeneettisten suhteiden rekonstruktio.
  • Pohjavesien ja julkisten juomaveden analysointi.
  • Metallien liukeneminen tai liuottaminen (biohajoaminen) väliaineessa talteenottoa varten.
  • Biohydrometallurgia tai raskasmetallien biomekaniikka saastuneiden alueiden bioremediaatioprosesseissa.
  • Maanalaisiin pohjakerroksiin liuotettujen radioaktiivisten jätesäiliöiden biokorroosiin osallistuvien mikro-organismien biologinen valvonta.
  • Primitiivisen maanpäällisen historian, paleohelpon ja primitiivisten elämänmuotojen uudelleenrakentaminen.
  • Rakentaa hyödyllisiä malleja etsimään fossiilista elämää muilla planeeteilla, kuten Marsilla.
  • Ksenobioottisten tai epäorgaanisten aineiden, kuten raskasmetallien, saastuttamien alueiden puhdistaminen.

viittaukset

  1. Ehrlich, H. L. ja Newman, D. K. (2009). Geomicrobiology. Viides painos, CRC Press. s. 630.
  2. Malik, A. (2004). Metalli bioremediaatio kasvavien solujen kautta. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Ympäristön pilaantumisen torjunnan mikrobiologia. M. Dekker s. 453.
  4. Prescott, L.M. (2002). Mikrobiologia. Viides painos, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. s. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiilit uutena entsyyminä. 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). Polynukleaaristen aromaattisten hiilivetyjen (PAH-yhdisteiden) saastuttaman maaperän bioremediointi: Katsaus. Ympäristön pilaantuminen, 81 (3), 229-249. doi: 10,016 / 0269-7491 (93) 90206-4.