Екологічна мікробіологія - об'єкт дослідження та застосування



The екологічна мікробіологія це наука, що вивчає різноманітність і функцію мікроорганізмів у їх природному середовищі та застосування їх метаболічних потужностей в процесах біоремедіації забрудненого ґрунту і води. Зазвичай вона поділяється на дисципліни: мікробна екологія, геомікробіологія та біоремедіація.

Мікробіологія (мікрос: малий, bios: життя, логотипи: дослідження), вивчає міждисциплінарним чином широку і різноманітну групу одноклітинних мікроскопічних організмів (від 1 до 30 мкм), видимих ​​тільки через оптичний мікроскоп (невидимий для людського ока)..

Організми, згруповані в області мікробіології, відрізняються в багатьох важливих аспектах і відносяться до дуже різних таксономічних категорій. Вони існують як ізольовані або пов'язані клітини і можуть бути:

  • Основні прокаріоти (одноклітинні організми без певного ядра), такі як еубактерії та архебактерії.
  • Прості еукаріоти (одноклітинні організми з певним ядром), такі як дріжджі, міцеліальні гриби, мікроводорості і найпростіші.
  • Віруси (які не є клітинними, а мікроскопічними).

Мікроорганізми здатні виконувати всі свої життєві процеси (ріст, метаболізм, генерування енергії та відтворення), незалежно від інших клітин одного класу або різних.

Індекс

  • 1 Відповідні мікробні характеристики
    • 1.1 Взаємодія із зовнішнім середовищем
    • 1.2 Метаболізм
    • 1.3 Адаптація до дуже різноманітних середовищ
    • 1.4 Екстремальні умови
    • 1.5 Екстремофільні мікроорганізми
  • 2 Молекулярна біологія застосовується до мікробіології навколишнього середовища
    • 2.1 Ізоляція та мікробна культура
    • 2.2 Інструменти молекулярної біології
  • 3 Напрями вивчення мікробіології навколишнього середовища
    • 3.1 - Мікробна екологія
    • 3.2 -Геомікробіологія
    • 3.3 -Біоремедіація
  • 4 Застосування екологічної мікробіології
  • 5 Посилання

Відповідні мікробні характеристики

Взаємодія із зовнішнім середовищем

Одноклітинні організми вільного життя особливо піддаються впливу зовнішнього середовища. Крім того, вони мають як дуже малий розмір клітин (що впливає на їх морфологію і метаболічну гнучкість), так і високе співвідношення поверхня / об'єм, що генерує великі взаємодії з їх оточенням..

Завдяки цьому і виживання, і мікробне екологічне розповсюдження залежать від їхньої здатності фізіологічно адаптуватися до частих змін навколишнього середовища.

Метаболізм

Високе співвідношення поверхня / об'єм генерує високі мікробні метаболічні показники. Це пов'язано з його швидкою швидкістю росту і діленням клітин. Крім того, існує широке мікробне метаболічне різноманіття в природі.

Мікроорганізмами можна вважати хімічні машини, які перетворюють різні речовини як всередині, так і зовні. Це обумовлено його ферментативною активністю, яка прискорює швидкості конкретних хімічних реакцій.

Адаптація до дуже різноманітних середовищ

Взагалі, мікробне мікробне середовище існування є динамічним і гетерогенним по відношенню до типу і кількості поживних речовин, а також його фізико-хімічних умов.

Є мікробні екосистеми:

  • Земна (в скелях і грунті).
  • Водні (в океанах, ставках, озерах, річках, гарячих джерелах, водоносних горизонтах).
  • Пов'язані з вищими організмами (рослинами та тваринами).

Екстремальні середовища

Мікроорганізми знаходяться практично в усіх середовищах на планеті Земля, звичні або не до вищих форм життя.

Середовища з екстремальними умовами, що стосуються температури, солоності, рН та доступності води (серед інших ресурсів), є «екстремофільними» мікроорганізмами. Це в основному археї (або архебактерії), які утворюють первинний біологічний домен, диференційований від бактерій і еукарії, званих археями..

Екстремофільні мікроорганізми

Серед найрізноманітніших екстремофільних мікроорганізмів є:

  • Термофіли: що представляють оптимальний ріст при температурах вище 40 ° C (мешканці термальних джерел).
  • Психофільні: оптимальне зростання при температурах нижче 20 ° С (мешканці місць зі льодом).
  • Кислоти: оптимального росту в умовах низького рН, близького до 2 (кислоти). Присутні в кислотних термальних водах і підводних вулканічних тріщинах.
  • Галофіли: які потребують високих концентрацій солі (NaCl) для вирощування (як у розсолах).
  • Ксерофіли: здатні витримувати посуху, тобто низьку водну активність (жителі пустель, таких як Атакама в Чилі).

Молекулярна біологія застосовується до мікробіології навколишнього середовища

Ізоляція та мікробна культура

Для вивчення загальних характеристик і метаболічних здібностей мікроорганізму, він повинен бути: виділений з його природного середовища і утримуватися в чистій культурі (вільний від інших мікроорганізмів) в лабораторії.

Лише 1% наявних у природі мікроорганізмів були виділені і культивовані в лабораторії. Це пояснюється незнанням їхніх специфічних потреб у харчуванні та труднощами моделювання великої кількості існуючих умов навколишнього середовища.

Інструменти молекулярної біології

Застосування методів молекулярної біології в області мікробної екології дозволило дослідити існуючі мікробні біорізноманіття без необхідності його ізоляції та культури в лабораторії. Це дозволило навіть ідентифікувати мікроорганізми в їхніх природних мікрорайонах, тобто, in situ.

Це особливо важливо при дослідженні екстремофільних мікроорганізмів, чиї оптимальні умови росту є складними для імітації в лабораторії.

З іншого боку, технологія рекомбінантної ДНК з використанням генетично модифікованих мікроорганізмів дозволила усунути забруднюючі речовини з навколишнього середовища в процесах біоремедіації.

Напрями вивчення мікробіології навколишнього середовища

Як зазначено спочатку, різні галузі вивчення мікробіології навколишнього середовища включають дисципліни мікробної екології, геомікробіології та біоремедіації.

-Мікробна екологія

Мікробна екологія зливає мікробіологію з екологічною теорією, вивчаючи різноманітність мікробних функціональних ролей в їх природному середовищі.

Мікроорганізми являють собою найбільшу біомасу на планеті Земля, тому не дивно, що їх роль або екологічна роль впливають на екологічну історію екосистем.

Прикладом такого впливу є поява аеробних форм життя завдяки накопиченню кисню (OR2) в примітивній атмосфері, породженої фотосинтетичною активністю ціанобактерій.

Наукові напрямки мікробної екології

Мікробна екологія є трансверсальною для всіх інших дисциплін мікробіології та досліджень:

  • Мікробне різноманіття та його еволюційна історія.
  • Взаємодія між мікроорганізмами населення і між популяціями в громаді.
  • Взаємодія між мікроорганізмами та рослинами.
  • Фітопатогени (бактеріальні, грибкові та вірусні).
  • Взаємодія між мікроорганізмами і тваринами.
  • Мікробні спільноти, їх склад і сукцесійні процеси.
  • Мікробні адаптації до умов навколишнього середовища.
  • Типи мікробних середовищ існування (атмосферна, гідро-екосфера, літо-екосфера та екстремальні місця проживання) \ t.

-Геомікробіологія

Геомікробіологія вивчає мікробну діяльність, що впливає на геологічні та геохімічні (земні біогеохімічні цикли) процеси.

Вони відбуваються в атмосфері, гідросфері та геосфері, зокрема в таких середовищах, як недавні відкладення, тіла підземних вод, що контактують з осадовими і магматичними породами, а також у вивітрюваній земній корі.

Вона спеціалізується на мікроорганізмах, які взаємодіють з мінералами в їхньому середовищі, розчиняючи їх, перетворюючи їх, провокуючи їх серед інших..

Області досліджень геомікробіології

Геомікробіологічні дослідження:

  • Мікробні взаємодії з геологічними процесами (утворення ґрунту, обрив порід, синтез та деградація мінералів та викопних палив).
  • Утворення мінералів мікробного походження шляхом осадження або розчинення в екосистемі (наприклад, у водоносних горизонтах).
  • Мікробне втручання в біогеохімічні цикли геосфери.
  • Мікробні взаємодії, що утворюють небажані згустки мікроорганізмів на поверхні (біообростання). Ці обростання можуть викликати погіршення поверхні, яку вони населяють. Наприклад, вони можуть роз'їдати металеві поверхні (біокорозія).
  • Копалини свідчать про взаємодію між мікроорганізмами і мінералами в їх примітивному середовищі.

Наприклад, строматоліти є стратифікованими викопними мінеральними структурами мілководдя. Вони складаються з карбонатів, що надходять від стінок примітивних ціанобактерій.

-Біоремедіація

Біоремедіація вивчає застосування біологічних агентів (мікроорганізмів та / або їх ферментів та рослин) в процесах регенерації ґрунту та води, забруднених речовинами, небезпечними для здоров'я людини та навколишнього середовища.

Багато з існуючих екологічних проблем можна вирішити за допомогою мікробної складової глобальної екосистеми.

Наукові напрямки біоремедіації

Біоремедіаційні дослідження:

  • Мікробні обмінні здібності застосовні в процесах екологічної санітарії.
  • Мікробні взаємодії з неорганічними і ксенобіотичними забруднювачами (токсичні синтетичні продукти, що не утворюються природними біосинтетичними процесами). Серед найбільш вивчених ксенобіотичних сполук - галогенуглеводороди, нітроароматики, поліхлоровані біфеніли, діоксини, алкилбензилсульфонати, нафтові вуглеводні та пестициди. Серед найбільш вивчених неорганічних елементів виявлено важкі метали.
  • Біодеградація забруднювачів навколишнього середовища in situ і в лабораторії.

Застосування екологічної мікробіології

Серед численних застосувань цієї великої науки можна згадати:

  • Відкриття нових мікробних метаболічних шляхів з потенційними застосуваннями в процесах комерційної цінності.
  • Реконструкція мікробних філогенетичних зв'язків.
  • Аналіз водоносних горизонтів та водопостачання населення.
  • Розчинення або вилуговування (вилучення) металів у середовищі, для відновлення.
  • Біогідрометалургія або біомеханіка важких металів, в процесах біоремедіації забруднених територій.
  • Біоконтроль мікроорганізмів, що беруть участь у біокорозії контейнерів з радіоактивними відходами, розчинених у підземних водоносних горизонтах.
  • Реконструкція примітивної земної історії, палеооточення і первісних форм життя.
  • Побудова корисних моделей у пошуках скам'янілого життя на інших планетах, таких як Марс.
  • Санація територій, забруднених ксенобіотичними або неорганічними речовинами, такими як важкі метали.

Список літератури

  1. Ерліх, Х. Л. і Ньюман, Д. К. (2009). Геомікробіологія. П'яте видання, CRC Press. pp. 630.
  2. Malik, A. (2004). Біоремедіація металу через зростаючі клітини. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Мікробіологія контролю забруднення навколишнього середовища. М. Деккер 453.
  4. Прескотт, Л. М. (2002). Мікробіологія П'яте видання, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Екстремофіли як джерело для нових ферментів. Поточна думка в мікробіології, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S.C., і Jones, K.C. (1993). Біоремедіація грунтів, забруднених поліядерними ароматичними вуглеводнями (ПАУ): Огляд. Забруднення навколишнього середовища, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.