APLINKOS MIKROBIOLOGIJA: TYRIMO OBJEKTAS IR TAIKYMAS - BIOLOGIJA - 2025

Aplinkos mikrobiologija mokslas, studijos įvairovė ir funkcija mikroorganizmų jų natūralioje aplinkoje ir taikomųjų programų jų metabolinių pajėgumus bioremediation užteršto dirvožemio ir vandens. Paprastai jis skirstomas į šias disciplinas: mikrobų ekologija, geomikrobiologija ir bioremedijacija.

Mikrobiologija (mikros: mažas, bios: gyvenimas, logotipai: tyrimas), tarpdisciplininiu būdu tirianti plačią ir įvairią mikroskopinių vienaląsčių organizmų (nuo 1 iki 30 µm) grupę, matomą tik per optinį mikroskopą (nematomą žmogaus akiai). ).

1 paveikslas. Kairėje: optinis mikroskopas, prietaisas, leidžiantis pamatyti padidintus mikroorganizmus (šaltinis: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Dešinėje: plačiai paplitusių Pseudomonas genties bakterijų elektroninis mikrografas (autorius: CDC, mandagumas: visuomenės sveikatos vaizdų biblioteka).

Organizmai, sugrupuoti mikrobiologijos srityje, daugeliu svarbių aspektų skiriasi ir priklauso labai skirtingoms taksonominėms kategorijoms. Jie egzistuoja kaip atskirtos arba susijusios ląstelės ir gali būti:

• Pagrindiniai prokariotai (vienaląsčiai organizmai be apibrėžto branduolio), tokie kaip eubakterijos ir archebakterijos.
• Paprasti eukariotai (vienaląsčiai organizmai, turintys apibrėžtą branduolį), tokie kaip mielės, gijiniai grybeliai, mikrodumbliai ir pirmuonys.
• Virusai (kurie nėra ląsteliniai, bet yra mikroskopiniai).

Mikroorganizmai sugeba atlikti visus savo gyvybinius procesus (augimą, metabolizmą, energijos generavimą ir dauginimąsi), nepriklausomai nuo kitų tos pačios ar skirtingos klasės ląstelių.

Atitinkamos mikrobų savybės

Sąveika su išorine aplinka

Laisvai gyvenantys vienaląsčiai organizmai yra ypač veikiami išorinės aplinkos. Be to, jie turi labai mažą ląstelių dydį (tai daro įtaką jų morfologijai ir metaboliniam lankstumui) ir aukštą paviršiaus ir tūrio santykį, kuris sukuria plačią sąveiką su jų aplinka.

Dėl šios priežasties tiek išlikimas, tiek mikrobų ekologinis pasiskirstymas priklauso nuo jo sugebėjimo fiziologiškai prisitaikyti prie dažno aplinkos kitimo.

Metabolizmas

Didelis paviršiaus ir tūrio santykis sukelia didelius mikrobų metabolizmą. Tai susiję su greitu augimo greičiu ir ląstelių dalijimusi. Be to, gamtoje yra plati mikrobų metabolizmo įvairovė.

Mikroorganizmai gali būti laikomi cheminėmis mašinomis, kurios transformuoja įvairias medžiagas tiek viduje, tiek išorėje. Taip yra dėl fermento aktyvumo, kuris pagreitina specifinių cheminių reakcijų greitį.

Prisitaikymas prie labai įvairios aplinkos

Apskritai, mikrobų mikrobuda yra dinamiška ir nevienalytė, atsižvelgiant į esančių maistinių medžiagų rūšį ir kiekį, taip pat į jų fizikines ir chemines sąlygas.

Yra mikrobų ekosistemos:

• Antžeminė (ant uolų ir dirvožemio).
• Vandens (vandenynuose, tvenkiniuose, ežeruose, upėse, karštuose šaltiniuose, vandeninguose sluoksniuose).
• Susiję su aukštesniais organizmais (augalais ir gyvūnais).

Ekstremali aplinka

Mikroorganizmai randami praktiškai kiekvienoje Žemės planetos aplinkoje, pažįstamose ar nepažįstamose aukštesnėms gyvybės formoms.

Aplinkoje, kurioje ekstremalios sąlygos, susijusios su temperatūra, druskingumu, pH ir vandens prieinamumu (be kitų išteklių), yra „ekstremofiliniai“ mikroorganizmai. Dažniausiai tai yra archaea (arba archebacteria), sudarančios pirminę biologinę sritį, išsiskiriančią iš bakterijų ir eukarya, vadinamų archaea.

2 pav. Extremofilinių mikroorganizmų buveinės. Kairėje: Karšto šaltinio vanduo Jeloustouno nacionaliniame parke, kur buvo tiriami termofiliniai mikroorganizmai (šaltinis: Jim Peaco, Nacionalinio parko tarnyba, per „Wikimedia Commons“). Dešinė: Antarktida, vieta, kur buvo tiriami psichofiliniai mikroorganizmai (Šaltinis: pxhere.com).

Extremofiliniai mikroorganizmai

Tarp daugybės ekstremofilinių mikroorganizmų yra šie:

• Termofilai: jie geriausiai auga esant aukštesnei nei 40 ° C temperatūrai (šiluminių šaltinių gyventojai).
• Psichofilai: optimalus augimas esant žemesnei kaip 20 ° C temperatūrai (vietų, kuriose yra ledo).
• Rūgščių rūgštis: optimalus augimas žemo pH sąlygomis, artimas 2 (rūgščiai). Esamas rūgščiose karštose versmėse ir povandeniniuose vulkanų plyšiuose.
• Halofilai: norint augti reikia didelės druskos (NaCl) koncentracijos (kaip ir sūrymuose).
• Kserofilai: gali atlaikyti sausrą, tai yra žemą vandens aktyvumą (tokių dykumų gyventojai kaip Atacama Čilėje).

Aplinkos mikrobiologijoje taikoma molekulinė biologija

Mikrobų izoliacija ir kultūra

Norint ištirti bendrąsias mikroorganizmo savybes ir metabolinius gebėjimus, jis turi būti: izoliuotas nuo natūralios aplinkos ir laikomas grynoje kultūroje (be kitų mikroorganizmų) laboratorijoje.

3 pav. Mikrobų išskyrimas laboratorijoje. Kairėje: gijų grybai, augantys kietoje kultūros terpėje (Šaltinis: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-20354577). Dešinė: bakterijų kamieno išskyrimas išeikvojimo sėjimo technika (Šaltinis: Drhx, iš Wikimedia Commons).

Tik 1% gamtoje esančių mikroorganizmų buvo išskirti ir auginami laboratorijoje. Taip yra dėl to, kad trūksta žinių apie jų specifinius mitybos poreikius ir sunku modeliuoti didelę esamų aplinkos sąlygų įvairovę.

Molekulinės biologijos įrankiai

Molekulinės biologijos metodų taikymas mikrobų ekologijos srityje leido ištirti esamą mikrobų biologinę įvairovę, nereikalaujant jos išskirti ir auginti laboratorijoje. Tai netgi leido identifikuoti mikroorganizmus jų natūraliose mikroorganizmose, tai yra, in situ.

Tai ypač svarbu tiriant ekstremofilinius mikroorganizmus, kurių optimalias augimo sąlygas sudėtinga modeliuoti laboratorijoje.

Kita vertus, rekombinantinė DNR technologija, naudojant genetiškai modifikuotus mikroorganizmus, leido biologinio valymo procesuose pašalinti iš aplinkos teršiančias medžiagas.

Aplinkos mikrobiologijos studijų kryptys

Kaip iš pradžių nurodyta, skirtingos aplinkos mikrobiologijos studijų kryptys apima mikrobų ekologijos, geomikrobiologijos ir biologinio valymo disciplinas.

-Mikrobinė ekologija

Mikrobų ekologija susieja mikrobiologiją su ekologine teorija, tirdama mikrobų funkcinių vaidmenų įvairovę natūralioje aplinkoje.

Mikroorganizmai sudaro didžiausią biomasę Žemės planetoje, todėl nenuostabu, kad jų ekologinės funkcijos ar vaidmenys turi įtakos ekologinei ekosistemų istorijai.

Šios įtakos pavyzdys yra aerobinių gyvybės formų atsiradimas dėka deguonies (O ₂ ) kaupimosi primityvioje atmosferoje, kurį sukelia melsvadumblių fotosintetinis aktyvumas.

Mikrobų ekologijos tyrimų kryptys

Mikrobų ekologija yra plati visoms kitoms mikrobiologijos disciplinoms ir tyrimams:

• Mikrobų įvairovė ir jos evoliucijos istorija.
• Populiacijos mikroorganizmų ir bendruomenės populiacijų sąveika.
• Mikroorganizmų ir augalų sąveika.
• Fitopatogenai (bakteriniai, grybeliniai ir virusiniai).
• Mikroorganizmų ir gyvūnų sąveika.
• Mikrobų bendruomenės, jų sudėtis ir paveldėjimo procesai.
• Mikrobų prisitaikymas prie aplinkos sąlygų.
• Mikrobų buveinių tipai (atmosferos-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera ir ekstremaliosios buveinės).

-Geomikrobiologija

Geomikrobiologija tiria mikrobų veiklą, turinčią įtakos sausumos geologiniams ir geocheminiams procesams (biogeocheminiams ciklams).

Jie atsiranda atmosferoje, hidrosferoje ir geosferoje, ypač tokiose aplinkose kaip neseniai susidariusios nuosėdos, požeminio vandens telkiniai, liečiantys nuosėdines ir dulkingas uolienas, ir atšiaurioje žemės plutoje.

Ji specializuojasi mikroorganizmuose, kurie sąveikauja su savo aplinkos mineralais, be kita ko, tirpindami, transformuodami ir nusodindami juos.

Geomikrobiologijos tyrimų sritys

Geomikrobiologijos tyrimai:

• Mikrobų sąveika su geologiniais procesais (dirvožemio susidarymas, uolienų skaidymas, mineralų ir iškastinio kuro sintezė ir skaidymas).
• Mikrobų kilmės mineralų susidarymas krituliais arba tirpinant ekosistemoje (pavyzdžiui, vandeninguose sluoksniuose).
• Mikrobų intervencija į biogeocheminius geosferos ciklus.
• Mikrobų sąveika, formuojanti nepageidaujamus mikroorganizmų gumulėlius paviršiuje (biologinis užpildas). Dėl šių biologinių užpildų gali pablogėti jų gyvenamasis paviršius. Pavyzdžiui, jie gali korozuoti metalinius paviršius (biokorozija).
• Iškastiniai įrodymai apie mikroorganizmų ir mineralų sąveiką iš jų primityvios aplinkos.

Pavyzdžiui, stromatolitai yra stratifikuotos iškastinių mineralų struktūros iš seklių vandenų. Jie sudaryti iš primityvių melsvadumblių sienelių karbonatų.

4 paveikslas. Kairėje: iškastiniai stromatolitai negiliame vandenyje (kairės nuotraukos šaltinis: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Dešinė: stromatolitų detalė (dešinysis nuotraukų šaltinis: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremedijacija

Bioremediacija tiria biologinių veiksnių (mikroorganizmų ir (arba) jų fermentų ir augalų) naudojimą dirvožemio ir vandens, užteršto žmogaus sveikatai ir aplinkai pavojingomis medžiagomis, atkūrimo procesuose.

5 pav. Naftos tarša Ekvadoro Amazonės atogrąžų miškuose. Šaltinis: Ekvadoro užsienio reikalų ministerija, per „Wikimedia Commons“

Daugelį esamų aplinkos problemų galima išspręsti panaudojant globalios ekosistemos mikrobų komponentą.

Bioremediacijos tyrimų sritys

Bioremediacijos tyrimai:

• Mikrobų metaboliniai gebėjimai, taikomi aplinkos sanitarijos procesuose.
• Mikrobų sąveika su neorganiniais ir ksenobiotiniais teršalais (toksiški sintetiniai produktai, nesusidarę natūraliais biosintetiniais procesais). Tarp labiausiai ištirtų ksenobiotinių junginių yra halogeninti angliavandeniliai, nitroaromatai, polichlorinti bifenilai, dioksinai, alkilbenzilsulfonatai, naftos angliavandeniliai ir pesticidai. Tarp labiausiai tirtų neorganinių elementų yra sunkieji metalai.
• Aplinkos teršalų biologinis skaidumas in situ ir laboratorijoje.

Aplinkos mikrobiologijos pritaikymas

Tarp daugybės šio didžiulio mokslo pritaikymų galime paminėti:

• Naujų mikrobiologinių medžiagų apykaitos būdų, kurie gali būti naudojami komercinės vertės procesuose, atradimas.
• Mikrobų filogenetinių ryšių rekonstrukcija.
• Vandeningųjų sluoksnių ir viešojo geriamojo vandens atsargų analizė.
• Terpėje esančių metalų ištirpinimas arba išplovimas (biologinis išplovimas) jų atsigavimui.
• Sunkiųjų metalų biohidrometalurgija arba biominologija užterštų teritorijų biologinio valymo procesuose.
• Požeminiuose vandeninguose sluoksniuose ištirpusių radioaktyviųjų atliekų konteinerių biokorozijoje dalyvaujančių mikroorganizmų biokontrolė.
• Primityvios sausumos istorijos, paleoaplinkos ir primityvių gyvenimo formų rekonstrukcija.
• Naudingų modelių kūrimas ieškant suakmenėjusios gyvybės kitose planetose, tokiose kaip Marsas.
• Ksenobiotinėmis ar neorganinėmis medžiagomis, pavyzdžiui, sunkiaisiais metalais, užterštų vietų sanitarija.

Nuorodos

1. Ehrlich, HL ir Newman, DK (2009). Geomikrobiologija. Penktas leidimas, „CRC Press“. 630 psl.
2. Malik, A. (2004). Metalo biologinis valymas per augančias ląsteles. „Environment International“, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Aplinkos taršos kontrolės mikrobiologija. M. Dekkeris. 453 psl.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologija. Penktasis leidimas, McGraw-Hill mokslas / inžinerija / matematika. 1147 psl.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofilai kaip naujų fermentų šaltinis. Dabartinė nuomonė mikrobiologijoje, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilsonas, SC, ir Jonesas, KC (1993). Didelio branduolio aromatinių angliavandenilių (PAH) užteršto dirvožemio biologinis valymas: apžvalga. Aplinkos tarša, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.