MILJÖMIKROBIOLOGI: STUDIEOBJEKT OCH TILLÄMPNINGAR - BIOLOGI

Den Environmental Microbiology är vetenskapen att studier mångfalden och funktion av mikroorganismer i sina naturliga miljöer och tillämpningar av deras metaboliska kapacitet i bioremediering av förorenad jord och vatten. Det är vanligtvis indelat i disciplinerna: mikrobiell ekologi, geomikrobiologi och bioremediering.

Mikrobiologi (mikros: liten, bio: liv, logotyper: studie), studier på ett tvärvetenskapligt sätt en bred och mångfaldig grupp mikroskopiska encelliga organismer (från 1 till 30 um), synliga endast genom det optiska mikroskopet (osynligt för det mänskliga ögat ).

Bild 1. Till vänster: optiskt mikroskop, ett instrument som gör att mikroorganismer kan ses under förstoring (Källa: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Höger: elektronmikrografi av allmänt distribuerade bakterier i släktet Pseudomonas (Av: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Organismer grupperade tillsammans inom mikrobiologi är olika i många viktiga avseenden och tillhör mycket olika taxonomiska kategorier. De finns som isolerade eller associerade celler och kan vara:

Stora prokaryoter (enhjuliga organismer utan en definierad kärna), såsom eubakterier och archaebacteria.
Enkla eukaryoter (encelliga organismer med en definierad kärna), såsom jäst, trådformade svampar, mikroalger och protoso.
Virus (som inte är cellulära, men är mikroskopiska).

Mikroorganismer kan utföra alla sina vitala processer (tillväxt, ämnesomsättning, energiproduktion och reproduktion) oberoende av andra celler i samma eller olika klass.

Relevanta mikrobiella egenskaper

Interaktion med den yttre miljön

Frilivande enhjuliga organismer utsätts särskilt för den yttre miljön. Dessutom har de både en mycket liten cellstorlek (vilket påverkar deras morfologi och metabolismflexibilitet) och ett högt yt / volymförhållande, vilket genererar omfattande interaktioner med deras miljö.

På grund av detta beror både överlevnaden och den mikrobiella ekologiska fördelningen på dess kapacitet för fysiologisk anpassning till frekventa miljövariationer.

Ämnesomsättning

Det höga yt / volymförhållandet genererar höga mikrobiella metaboliska hastigheter. Detta är relaterat till dess snabba tillväxt och celldelning. Dessutom finns det i naturen en stor mikrobiell metabolisk mångfald.

Mikroorganismer kan betraktas som kemiska maskiner som transformerar olika ämnen både inom och utanför. Detta beror på dess enzymatiska aktivitet, som påskyndar hastigheterna för specifika kemiska reaktioner.

Anpassning till mycket olika miljöer

I allmänhet är den mikrobiella mikrobitaten dynamisk och heterogen med avseende på typen och mängden näringsämnen närvarande, liksom deras fysikalisk-kemiska tillstånd.

Det finns mikrobiella ekosystem:

Terrestriska (på stenar och mark).
Vatten (i hav, dammar, sjöar, floder, varma källor, akvifärer).
Förknippas med högre organismer (växter och djur).

Extrema miljöer

Mikroorganismer finns i praktiskt taget alla miljöer på jorden, kända eller inte för högre livsformer.

Miljöer med extrema förhållanden med avseende på temperatur, salthalt, pH och vattentillgänglighet (bland andra resurser) utgör "extrememofila" mikroorganismer. Dessa tenderar att vara mestadels archaea (eller archaebacteria), som utgör en primär biologisk domän som skiljer sig från den för bakterier och Eukarya, kallad Archaea.

Figur 2. Livsmiljöer för de extremofila mikroorganismerna. Vänster: Varmt källvatten i Yellowstone National Park, där termofila mikroorganismer har studerats (Källa: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). Höger: Antarktis, en plats där psykrofila mikroorganismer har studerats (Källa: pxhere.com).

Extremofila mikroorganismer

Bland de många extremofila mikroorganismerna är:

Termofiler: som ger optimal tillväxt vid temperaturer över 40 ° C (invånare i värmefjädrar).
Psykrofiler: optimal tillväxt vid temperaturer under 20 ° C (invånare på platser med is).
Acidophilic: med optimal tillväxt under förhållanden med lågt pH, nära 2 (syra). Finns i sura varma källor och vulkaniska sprickor under vattnet.
Halofiler: kräver höga koncentrationer av salt (NaCl) för att växa (som i saltlösningar).
Xerophiles: kan stå emot torka, det vill säga låg vattenaktivitet (invånare i öknar som Atacama i Chile).

Molekylärbiologi tillämpad på miljömikrobiologi

Mikrobiell isolering och kultur

För att studera de allmänna egenskaperna och en metabolismförmåga hos en mikroorganism måste den vara: isolerad från dess naturliga miljö och förvaras i ren kultur (fri från andra mikroorganismer) i laboratoriet.

Bild 3. Mikrobiell isolering i laboratoriet. Vänster: trådformade svampar som växer på fast odlingsmedium (Källa: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Höger: isolering av en bakteriestam genom uttömning av såddteknik (Källa: Drhx, från Wikimedia Commons).

Endast 1% av mikroorganismerna i naturen har isolerats och odlats i laboratoriet. Detta beror på bristen på kunskap om deras specifika näringsbehov och svårigheten att simulera den stora mängden befintliga miljöförhållanden.

Molekylärbiologiverktyg

Tillämpningen av molekylärbiologitekniker på området mikrobiell ekologi har gjort det möjligt att utforska den befintliga mikrobiella biologiska mångfalden utan att det behövs isolering och odling i laboratoriet. Det har till och med gjort det möjligt att identifiera mikroorganismer i deras naturliga mikrohabitater, det vill säga in situ.

Detta är särskilt viktigt i studien av extremofila mikroorganismer, vars optimala tillväxtförhållanden är komplexa att simulera i laboratoriet.

Å andra sidan har rekombinant DNA-teknik med användning av genetiskt modifierade mikroorganismer möjliggjort eliminering av förorenande ämnen från miljön i bioremedieringsprocesser.

Studera områden inom miljömikrobiologi

Som inledningsvis indikerats inkluderar de olika områdena för studier av miljömikrobiologi disciplinerna för mikrobiell ekologi, geomikrobiologi och bioremediering.

-Mikrobiell ekologi

Mikrobiell ekologi smälter mikrobiologi med ekologisk teori genom att studera mångfalden av mikrobiella funktionella roller i deras naturliga miljö.

Mikroorganismer representerar den största biomassan på jorden, så det är inte förvånande att deras ekologiska funktioner eller roller påverkar ekosystemens ekologiska historia.

Ett exempel på detta inflytande är utseendet på aeroba livsformer tack vare ackumuleringen av syre (O ₂ ) i den primitiva atmosfären, genererad av den fotosyntetiska aktiviteten i cyanobakterier.

Forskningsområden inom mikrobiell ekologi

Mikrobiell ekologi är tvärgående till alla andra ämnen inom mikrobiologi och studier:

Mikrobiell mångfald och dess evolutionära historia.
Interaktioner mellan mikroorganismer i en population och mellan populationer i ett samhälle.
Interaktioner mellan mikroorganismer och växter.
Fytopatogener (bakteriell, svamp och viral).
Interaktioner mellan mikroorganismer och djur.
De mikrobiella samhällena, deras sammansättning och processerna för succession.
Mikrobiella anpassningar till miljöförhållanden.
Typerna av mikrobiella livsmiljöer (atmosfär-ekosfär, hydro-ekosfär, lito-ekosfär och extrema livsmiljöer).

-Geomicrobiology

Geomikrobiologi studerar de mikrobiella aktiviteter som påverkar terrestriska geologiska och geokemiska processer (biogeokemiska cykler).

Dessa förekommer i atmosfären, hydrosfären och geosfären, speciellt i miljöer som nyligen sediment, grundvattenkroppar i kontakt med sedimentära och stolliga bergarter och i den väderbitna jordskorpan.

Den är specialiserad på mikroorganismer som interagerar med mineraler i deras miljö, löser upp, transformerar, fäller ut dem, bland andra.

Geomikrobiologiska forskningsområden

Geomikrobiologiska studier:

Mikrobiella interaktioner med geologiska processer (markbildning, bergnedbrytning, syntes och nedbrytning av mineraler och fossila bränslen).
Bildandet av mineraler av mikrobiellt ursprung, antingen genom nederbörd eller genom upplösning i ekosystemet (till exempel i vattenmassor).
Mikrobiell intervention i biogeokemiska cykler i geosfären.
Mikrobiella interaktioner som bildar oönskade klumpar av mikroorganismer på en yta (biofouling). Denna biofouling kan orsaka försämring av ytorna de bor. Till exempel kan de korrodera metallytor (biokorrosion).
Fossila bevis på interaktioner mellan mikroorganismer och mineraler från deras primitiva miljö.

Till exempel är stromatoliter skiktade fossila mineralstrukturer från grunt vatten. De består av karbonater från väggarna i primitiva cyanobakterier.

Bild 4. Till vänster: fossila stromatoliter i grunt vatten (Vänster fotokälla: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Höger: detaljer om stromatoliterna (höger fotokälla: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediation

Bioremediering studerar tillämpningen av biologiska medel (mikroorganismer och / eller deras enzymer och växter) i processer för återvinning av jord och vatten förorenat med ämnen som är farliga för människors hälsa och miljön.

Bild 5. Oljekontaminering i den ecuadorianska Amazonas regnskogen. Källa: Ecuadors utrikesministerium, via Wikimedia Commons

Många av de miljöproblem som finns för närvarande kan lösas med användning av den mikrobiella komponenten i det globala ekosystemet.

Forskningsområden för biomediering

Bioremedieringsstudier:

De mikrobiella metaboliska kapaciteterna som är tillämpliga i miljön sanitetsprocesser.
Mikrobiella interaktioner med oorganiska och xenobiotiska föroreningar (toxiska syntetiska produkter, inte genererade av naturliga biosyntetiska processer). Bland de mest studerade xenobiotiska föreningarna är halokolväten, nitroaromatiska ämnen, polyklorerade bifenyler, dioxiner, alkylbensylsulfonater, petroleumkolväten och bekämpningsmedel. Bland de mest studerade oorganiska elementen är tungmetaller.
Biologisk nedbrytbarhet av miljöföroreningar på plats och i laboratoriet.

Tillämpningar av miljömikrobiologi

Bland de många tillämpningarna av denna enorma vetenskap kan vi citera:

Upptäckten av nya mikrobiella metaboliska vägar med potentiella tillämpningar i processer av kommersiellt värde.
Rekonstruktion av mikrobiella fylogenetiska förhållanden.
Analysen av akviferer och offentliga dricksvattenförsörjningar.
Upplösning eller urlakning (biolakning) av metaller i mediet för återhämtning.
Biohydrometallurgi eller biobearbetning av tungmetaller i bioremedieringsprocesser av förorenade områden.
Biokontroll av mikroorganismer som är involverade i biokorrosion av behållare med radioaktivt avfall löst i underjordiska akviferer.
Återuppbyggnad av den primitiva markhistorien, paletmiljön och de primitiva livsformerna
Konstruktion av användbara modeller i jakten på fossiliserad liv på andra planeter, till exempel Mars.
Sanitet av områden förorenade med xenobiotiska eller oorganiska ämnen, såsom tungmetaller.

referenser

Ehrlich, HL och Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Femte upplagan, CRC Press. sid 630.
Malik, A. (2004). Bioremediering av metall genom växande celler. Miljö International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
McKinney, RE (2004). Miljöföroreningskontrollmikrobiologi. M. Dekker. sid 453.
Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Femte upplagan, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. sid 1147.
Van den Burg, B. (2003). Extremofiler som källa för nya enzymer. Aktuellt yttrande i mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
Wilson, SC och Jones, KC (1993). Bioremediering av mark förorenad med polynukleära aromatiska kolväten (PAH: er): En översyn. Miljöföroreningar, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

MILJÖMIKROBIOLOGI: STUDIEOBJEKT OCH TILLÄMPNINGAR - BIOLOGI - 2026