OKOLJSKA MIKROBIOLOGIJA: PREDMET PREUČEVANJA IN UPORABE - BIOLOGIJA - 2025

Okolja Mikrobiologija je veda, ki preučuje raznolikost in delovanje mikroorganizmov v njihovem naravnem okolju in aplikacij njihovih presnovnih zmogljivosti v bioremediaciji onesnažene zemlje in vode. Običajno ga delimo na vede: mikrobna ekologija, geomikrobiologija in bioremedijacija.

Mikrobiologija (mikros: majhna, bios: življenje, logotipi: študija), interdisciplinarno preučuje široko in raznoliko skupino mikroskopskih enoceličnih organizmov (od 1 do 30 µm), vidnih samo skozi optični mikroskop (neviden človeškemu očesu) ).

Slika 1. Na levi: optični mikroskop, instrument, ki omogoča ogled mikroorganizmov pod povečavo (Vir: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Desno: elektronska mikrografija široko razširjenih bakterij v rodu Pseudomonas (avtor: CDC, avtorstvo: Javna zdravstvena knjižnica slik).

Organizmi, združeni na področju mikrobiologije, so v številnih pomembnih pogledih različni in spadajo v zelo različne taksonomske kategorije. Obstajajo kot izolirane ali povezane celice in so lahko:

• Glavni prokarioti (enocelični organizmi brez definiranega jedra), na primer evbakterije in arhebakterije.
• Enostavni evkarioti (enocelični organizmi z definiranim jedrom), kot so kvasovke, nitaste glive, mikroalge in protozoji.
• Virusi (ki niso celični, vendar so mikroskopski).

Mikroorganizmi so sposobni izvajati vse svoje vitalne procese (rast, metabolizem, ustvarjanje in razmnoževanje energije), neodvisno od drugih celic istega ali drugačnega razreda.

Ustrezne značilnosti mikrobov

Interakcija z zunanjim okoljem

Prostoživeče enocelični organizmi so še posebej izpostavljeni zunanjemu okolju. Poleg tega imajo tako zelo majhno velikost celic (kar vpliva na njihovo morfologijo in presnovno prožnost), kot tudi veliko razmerje med površino in volumnom, kar ustvarja obsežne interakcije z njihovim okoljem.

Zaradi tega sta preživetje in mikrobna ekološka porazdelitev odvisna od njegove zmožnosti za fiziološko prilagajanje pogostim spremembam v okolju.

Presnova

Visoko razmerje med površino in volumnom ustvarja visoke hitrosti presnove mikrobov. To je povezano s hitro hitrostjo rasti in delitvijo celic. Poleg tega je v naravi velika mikrobna presnovna raznolikost.

Mikroorganizmi se lahko štejejo za kemične stroje, ki preoblikujejo različne snovi znotraj in zunaj. To je posledica njegove encimske aktivnosti, ki pospešuje hitrost specifičnih kemičnih reakcij.

Prilagoditev zelo raznolikim okoljem

Na splošno je mikrobiota za mikrobiom dinamična in raznolika glede na vrsto in količino prisotnih hranil ter na njihove fizikalno-kemijske razmere.

Obstajajo mikrobni ekosistemi:

• Kopenski (na skalah in tleh).
• Vodni (v oceanih, ribnikih, jezerih, rekah, vrelcih, vodonosnikih).
• Povezan z višjimi organizmi (rastline in živali).

Ekstremna okolja

Mikroorganizmi najdemo v praktično vsakem okolju planeta Zemlje, poznam ali ne višjim življenjskim oblikam.

Okolje z ekstremnimi pogoji glede temperature, slanosti, pH in razpoložljivosti vode (med drugimi viri) predstavljajo "ekstremofilne" mikroorganizme. Te so večinoma arheje (ali arhebakterije), ki tvorijo primarno biološko domeno, razlikovano od bakterij in Eukarije, imenovano Archaea.

Slika 2. Habitati ekstremofilnih mikroorganizmov. Levo: Vroča izvirska voda v nacionalnem parku Yellowstone, kjer so preučevali termofilne mikroorganizme (Vir: Jim Peaco, Služba nacionalnega parka, prek Wikimedia Commons). Desno: Antarktika, kraj, kjer so preučevali psihrofilne mikroorganizme (Vir: pxhere.com).

Ekstremofilni mikroorganizmi

Med široko paleto ekstremofilnih mikroorganizmov spadajo:

• Termofili: ki predstavljajo optimalno rast pri temperaturah nad 40 ° C (prebivalci termalnih vrelcev).
• Psikrofili: optimalne rasti pri temperaturah pod 20 ° C (prebivalci krajev z ledom).
• Acidofilna: z optimalno rastjo v pogojih nizkega pH, blizu 2 (kislina). Prisotna v kislih vrelcih in podvodnih vulkanskih razkopih.
• Halofili: za rast so potrebne visoke koncentracije soli (NaCl) (kot v slanici).
• Kserofili: lahko prenesejo sušo, torej nizko vodno aktivnost (prebivalci puščav, kot je Atacama v Čilu).

Molekularna biologija, ki se uporablja za okoljsko mikrobiologijo

Mikrobna izolacija in kultura

Za preučevanje splošnih značilnosti in presnovnih sposobnosti mikroorganizma mora biti: izoliran iz naravnega okolja in shranjen v čisti kulturi (brez drugih mikroorganizmov) v laboratoriju.

Slika 3. Izolacija mikrobov v laboratoriju. Levo: nitaste glive, ki rastejo na trdnem gojišču (Vir: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Desno: izolacija bakterijskega seva s tehniko izseljevanja izčrpavanja (Vir: Drhx, Wikimedia Commons).

V laboratoriju je bilo izoliranih in gojenih samo 1% mikroorganizmov, ki obstajajo v naravi. To je posledica nepoznavanja njihovih specifičnih prehranskih potreb in težavnosti simulacije velike raznolikosti obstoječih okoljskih razmer.

Orodja za molekularno biologijo

Uporaba tehnik molekularne biologije na področju mikrobiološke ekologije je omogočila raziskovanje obstoječe mikrobne biotske raznovrstnosti, ne da bi bilo treba v laboratoriju izolirati in gojiti. Omogočil je celo identifikacijo mikroorganizmov v njihovih naravnih mikrohabitatih, torej in situ.

To je še posebej pomembno pri preučevanju ekstremofilnih mikroorganizmov, katerih optimalni pogoji rasti so zapleteni za simulacijo v laboratoriju.

Po drugi strani je tehnologija rekombinantne DNA z uporabo gensko spremenjenih mikroorganizmov omogočila izločanje onesnaževalnih snovi iz okolja v procesih bioremediacije.

Študijska področja mikrobiologije okolja

Kot je bilo sprva nakazano, različna področja preučevanja okoljske mikrobiologije vključujejo discipline mikrobne ekologije, geomikrobiologije in bioremediacije.

-Mikrobna ekologija

Mikrobna ekologija mikrobiologijo spoji z ekološko teorijo s preučevanjem raznolikosti funkcionalnih vlog mikrobov v njihovem naravnem okolju.

Mikroorganizmi predstavljajo največjo biomaso na planetu Zemlja, zato ne preseneča, da njihove ekološke funkcije ali vloge vplivajo na ekološko zgodovino ekosistemov.

Primer tega vpliva je pojav aerobnih življenjskih oblik zahvaljujoč kopičenju kisika (O ₂ ) v primitivni atmosferi, ki ga ustvarja fotosintetska aktivnost cianobakterij.

Raziskovalna področja mikrobne ekologije

Mikrobna ekologija je prečna za vse ostale vede mikrobiologije in študij:

• Mikrobna raznolikost in njena evolucijska zgodovina.
• Interakcije med mikroorganizmi v populaciji in med populacijo v skupnosti.
• Interakcije med mikroorganizmi in rastlinami.
• Fitopatogeni (bakterijski, glivični in virusni).
• Interakcije med mikroorganizmi in živalmi.
• Mikrobne skupnosti, njihova sestava in procesi nasledstva.
• Prilagoditve mikrobov na okoljske razmere.
• Vrste mikrobnih habitatov (atmosfera-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera in ekstremni habitati).

-Geomikrobiologija

Geomikrobiologija proučuje mikrobne aktivnosti, ki vplivajo na zemeljske geološke in geokemijske procese (biogeokemični cikli).

Pojavijo se v atmosferi, hidrosferi in geosferi, zlasti v okoljih, kot so nedavni sedimenti, telesa podzemne vode, ki so v stiku s sedimentnimi in magnetnimi kamninami, in v iztrebljeni zemeljski skorji.

Specializirana je za mikroorganizme, ki v svojem okolju komunicirajo z minerali, med drugim jih raztapljajo, preoblikujejo, oborijo.

Področja raziskovanja geomikrobiologije

Študije geomikrobiologije:

• Mikrobne interakcije z geološkimi procesi (tvorba tal, razpadanje kamnin, sinteza in propadanje mineralov in fosilnih goriv).
• Tvorba mineralov mikrobnega izvora bodisi s padavinami bodisi z raztapljanjem v ekosistemu (na primer v vodonosnikih).
• Mikrobni poseg v biogeokemične cikle geosfere.
• Mikrobne interakcije, ki tvorijo neželene gruče mikroorganizmov na površini (biogoščanje). To biološko gojenje lahko povzroči propadanje površin, ki jih naselijo. Na primer, lahko korodirajo kovinske površine (biokorozija).
• Fosilni dokazi o medsebojnem delovanju mikroorganizmov in mineralov iz njihovega primitivnega okolja.

Na primer, stromatoliti so slojevite fosilne mineralne strukture iz plitvih voda. Sestavljajo jih karbonati iz sten primitivnih cianobakterij.

Slika 4. Na levi strani: fosilni stromatoliti v plitvi vodi (levi vir fotografij: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Desno: podrobnosti o stromatolitih (Pravi vir fotografij: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremedijacija

Bioremediacija proučuje uporabo bioloških povzročiteljev (mikroorganizmov in / ali njihovih encimov in rastlin) pri obnavljanju tal in vode, onesnaženih s snovmi, nevarnimi za zdravje ljudi in okolje.

Slika 5. Kontaminacija nafte v ekvadorskem amazonskem deževnem gozdu. Vir: Ekvadorsko zunanje ministrstvo, prek Wikimedia Commons

Veliko obstoječih okoljskih problemov je mogoče rešiti z uporabo mikrobne komponente globalnega ekosistema.

Raziskovalna področja bioremediacije

Študije bioremediacije:

• Mikrobne presnovne zmogljivosti, ki se uporabljajo v postopkih sanacije okolja.
• Mikrobne interakcije z anorganskimi in ksenobiotičnimi onesnaževali (strupeni sintetični produkti, ki jih ne ustvarjajo naravni biosintetski procesi). Med najbolj raziskanimi ksenobiotičnimi spojinami so haloogljikovodiki, nitroaromatiki, poliklorirani bifenili, dioksini, alkilbenzil sulfonati, naftni ogljikovodiki in pesticidi. Med najbolj raziskanimi anorganskimi elementi so težke kovine.
• Biološka razgradljivost onesnaževal okolja in situ in v laboratoriju.

Uporaba okoljske mikrobiologije

Med številnimi aplikacijami te obsežne znanosti lahko navedemo:

• Odkrivanje novih mikrobnih presnovnih poti s potencialnimi aplikacijami v procesih tržne vrednosti.
• Obnova mikrobnih filogenetskih odnosov.
• Analiza vodonosnikov in javnih zalog pitne vode.
• Raztapljanje ali izpiranje (biolečenje) kovin v mediju za njihovo obnovo.
• Biohidrometalurgija ali biomining težkih kovin v bioremediacijskih postopkih onesnaženih območij.
• Biokontroliranje mikroorganizmov, ki sodelujejo v biokoroziji vsebnikov radioaktivnih odpadkov, raztopljenih v podzemnih vodonosnikih.
• Obnova primitivne zemeljske zgodovine, paleookolja in primitivnih oblik življenja.
• Izdelava uporabnih modelov pri iskanju fosiliziranega življenja na drugih planetih, kot je Mars.
• Sanitarije območij, onesnaženih s ksenobiotičnimi ali anorganskimi snovmi, kot so težke kovine.

Reference

1. Ehrlich, HL in Newman, DK (2009). Geomikrobiologija. Peta izdaja, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Kovinska bioremediacija s pomočjo rastočih celic. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Mikrobiologija nadzora onesnaževanja okolja. M. Dekker. str. 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologija. Peta izdaja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofili kot vir novih encimov. Trenutno mnenje iz mikrobiologije, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, in Jones, KC (1993). Bioremediacija tal, onesnaženih s polinuklearnimi aromatičnimi ogljikovodiki (PAH): Pregled. Onesnaževanje okolja, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.