Miljöbiologiskt objekt för studier och tillämpningar

De miljömikrobiologi är vetenskapen som studerar mikroorganismernas mångfald och funktion i deras naturliga miljöer och användningen av deras metaboliska kapacitet i bioremedieringsprocesser i förorenade jordar och vatten. Det är vanligtvis uppdelat i disciplinerna: mikrobiell ekologi, geomikrobiologi och bioremediering.

Mikrobiologi (mikros: liten, bios: livstid, logotyper: studie), studerar på ett tvärvetenskapligt sätt en bred och varierande grupp av mikroskopiska encelliga organismer (från 1 till 30 µm), endast synliga genom det optiska mikroskopet (osynligt för det mänskliga ögat).

Organismer grupperade 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 (encelliga organismer utan en definierad kärna), såsom eubakterier och arkebakterier.
• Enkla eukaryoter (encelliga organismer med definierade kärnor), såsom jäst, trådformiga svampar, mikroalger och protozoer.
• 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.

Artikelindex

• 1 Relevanta mikrobiella egenskaper
  • 1.1 Interaktion med den yttre miljön
  • 1.2 Metabolism
  • 1.3 Anpassning till mycket olika miljöer
  • 1.4 Extrema miljöer
  • 1.5 Extremofila mikroorganismer
• 2 Molekylärbiologi tillämpad på miljömikrobiologi
  • 2.1 Isolering och mikrobiell odling
  • 2.2 Molekylärbiologiska verktyg
• 3 Studieområden för miljömikrobiologi
  • 3.1 -Mikrobiell ekologi
  • 3.2 -Geomikrobiologi
  • 3.3 -Bioremediering
• 4 Tillämpningar av miljömikrobiologi
• 5 Referenser

Relevanta mikrobiella egenskaper

Interaktion med den yttre miljön

Fritt levande encelliga organismer utsätts särskilt för den yttre miljön. Dessutom har de både en mycket liten cellstorlek (vilket påverkar deras morfologi och metaboliska flexibilitet) 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 deras förmåga för fysiologisk anpassning till frekventa miljövariationer..

Ämnesomsättning

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

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

Anpassning till mycket olika miljöer

I allmänhet är det mikrobiella mikrohabitatet dynamiskt och heterogent med avseende på typen och mängden näringsämnen som finns, liksom deras fysikalisk-kemiska förhållanden..

Det finns mikrobiella ekosystem:

• Terrestriska (på stenar och mark).
• Vattenlevande (i hav, dammar, sjöar, floder, varma källor, vattendrag).
• Förknippad med högre organismer (växter och djur).

Extrema miljöer

Mikroorganismer finns i praktiskt taget alla miljöer på planeten Jorden, bekanta eller inte till högre livsformer.

Miljöer med extrema förhållanden med avseende på temperatur, salthalt, pH och vattentillgänglighet (bland andra resurser), presenterar "extremofila" mikroorganismer. Dessa är vanligtvis främst archaea (eller archaebacteria), som bildar en primär biologisk domän som skiljer sig från den hos bakterier och eukarya, kallad Archaea..

Extremofila mikroorganismer

Bland det stora utbudet av extremofila mikroorganismer finns det:

• Termofiler: visar optimal tillväxt vid temperaturer över 40 ° C (invånare i termiska källor).
• Psykrofiler: av optimal tillväxt vid temperaturer under 20 ° C (invånare på platser med is).
• Acidophilic: av optimal tillväxt under förhållanden med lågt pH, nära 2 (surt). Finns i sura varma källor och vulkaniska sprickor under vattnet.
• Halofiler: kräver höga koncentrationer av salt (NaCl) för att växa (som i saltlake).
• Xerofiler: klarar av 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 metaboliska förmågan hos en mikroorganism måste den vara: isolerad från sin naturliga miljö och hållas i ren kultur (fri från andra mikroorganismer) i laboratoriet.

Endast 1% av de mikroorganismer som finns i naturen har isolerats och odlats i laboratoriet. Detta beror på bristen på kunskap om deras specifika näringsbehov och svårigheten att simulera det stora utbudet av befintliga miljöförhållanden..

Molekylärbiologiska verktyg

Användningen av molekylärbiologiska tekniker inom området mikrobiell ekologi har gjort det möjligt att utforska den befintliga mikrobiella biologiska mångfalden utan att det behöver isoleras och odlas i laboratoriet. Det har till och med gjort det möjligt att identifiera mikroorganismer i deras naturliga mikrohabitat, 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..

Studieområden för miljömikrobiologi

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

-Mikrobiell ekologi

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

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

Ett exempel på detta inflytande är uppkomsten av aeroba livsformer tack vare ackumuleringen av syre (O_två) i den primitiva atmosfären, alstrad av den fotosyntetiska aktiviteten hos cyanobakterier.

Forskningsområden för mikrobiell ekologi

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

• Mikrobiell mångfald och dess evolutionära historia.
• Interaktioner mellan mikroorganismer i en befolkning och mellan befolkningar i en gemenskap.
• Interaktioner mellan mikroorganismer och växter.
• Fytopatogener (bakterie-, svamp- och viral).
• Interaktioner mellan mikroorganismer och djur.
• Mikrobiella samhällen, deras sammansättning och successionsprocesser.
• Mikrobiella anpassningar till miljöförhållandena.
• Typerna av mikrobiella livsmiljöer (atmosfär-ekosfär, hydroekosfär, lito-ekosfär och extrema livsmiljöer).

-Geomikrobiologi

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

Dessa förekommer i atmosfären, hydrosfären och geosfären, särskilt i miljöer som nyligen sediment, kroppar av grundvatten i kontakt med sedimentära och magmatiska bergarter och i den väderbitna jordskorpan..

Det specialiserar sig på mikroorganismer som interagerar med mineraler i sin miljö, löser upp, transformerar, fäller ut dem, bland andra..

Geomikrobiologiska forskningsområden

Geomikrobiologistudier:

• Mikrobiella interaktioner med geologiska processer (jordbildning, bergsnedbrytning, 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 akviferer).
• 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 i. De kan till exempel korrodera metallytor (biokorrosion).
• Fossila bevis på interaktioner mellan mikroorganismer och mineraler från deras primitiva miljö.

Stromatoliter är till exempel stratifierade fossila mineralstrukturer från grunt vatten. De består av karbonater som kommer från primitiva cyanobakterier.

-Bioremediering

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

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

Forskningsområden för biomedicinering

Biomedieringsstudier:

• De mikrobiella metaboliska kapaciteter som är tillämpliga i miljöreningsprocesser.
• Mikrobiella interaktioner med oorganiska och xenobiotiska föroreningar (giftiga syntetiska produkter, som inte genereras av naturliga biosyntetiska processer). Bland de mest studerade xenobiotiska föreningarna är halokolväten, nitroaromater, polyklorerade bifenyler, dioxiner, alkylbensylsulfonater, petroleumkolväten och bekämpningsmedel. Bland de mest studerade oorganiska grundämnena är tungmetaller.
• Den biologiska nedbrytbarheten hos miljöföroreningar in situ och i laboratorium.

Tillämpningar av miljömikrobiologi

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

• Upptäckten av nya mikrobiella metaboliska vägar med potentiella tillämpningar i kommersiella värdeprocesser.
• Rekonstruktion av mikrobiella fylogenetiska förhållanden.
• Analys av akviferer och offentliga dricksvattenförsörjningar.
• Upplösning eller urlakning (biolakning) av metaller i mediet för deras återhämtning.
• Biohydrometallurgi eller biominering av tungmetaller, i bioremedieringsprocesser i förorenade områden.
• Biokontroll av mikroorganismer som är involverade i biokorrosion av behållare för radioaktivt avfall upplöst i underjordiska akviferer.
• Rekonstruktion av primitiv markbunden historia, paleomiljön och primala livsformer.
• Konstruktion av användbara modeller i sökandet efter fossiliserat liv på andra planeter, såsom Mars.
• Sanering av områden som är förorenade med främlingsfientliga eller oorganiska ämnen, såsom tungmetaller.

Referenser

1. Ehrlich, H. L. och Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologi. Femte upplagan, CRC Press. sid 630.
2. Malik, A. (2004). Metallbioremediering genom växande celler. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, R. E. (2004). Miljöföroreningskontroll mikrobiologi. M. Dekker. sid 453.
4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologi. Femte upplagan, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. sid 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremophiles som en källa för nya enzymer. Aktuellt yttrande inom mikrobiologi, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, S. C. och Jones, K. C. (1993). Bioremediering av jord förorenad med polynukleära aromatiska kolväten (PAH): En översyn. Miljöförorening, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.