Environmentální mikrobiologický předmět studia a aplikace

3664
Philip Kelley

The mikrobiologie životního prostředí je věda, která studuje rozmanitost a funkci mikroorganismů v jejich přirozeném prostředí a aplikace jejich metabolických kapacit v bioremediačních procesech kontaminovaných půd a vod. Obvykle se dělí na disciplíny: mikrobiální ekologie, geomikrobiologie a bioremediace.

Mikrobiologie (mikros: malý, bios: život, loga: studie), interdisciplinárním způsobem studuje širokou a různorodou skupinu mikroskopických jednobuněčných organismů (od 1 do 30 µm), viditelných pouze optickým mikroskopem (pro lidské oko neviditelných).

Obrázek 1. Vlevo: optický mikroskop, nástroj, který nám umožňuje vidět mikroorganismy pod zvětšením (Zdroj: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Vpravo: elektronový mikrofotografie široce distribuovaných přirozeně se vyskytujících bakterií rodu Pseudomonas (autor: CDC, s laskavým svolením: Public Health Image Library).

Organismy seskupené v oblasti mikrobiologie se v mnoha důležitých ohledech liší a patří do velmi odlišných taxonomických kategorií. Existují jako izolované nebo asociované buňky a mohou to být:

  • Hlavní prokaryota (jednobuněčné organismy bez definovaného jádra), jako jsou eubacteria a archaebacteria.
  • Jednoduché eukaryoty (jednobuněčné organismy s definovanými jádry), jako jsou kvasinky, vláknité houby, mikrořasy a prvoky.
  • Viry (které nejsou buněčné, ale jsou mikroskopické).

Mikroorganismy jsou schopné provádět všechny své životně důležité procesy (růst, metabolismus, tvorba a reprodukce energie), nezávisle na jiných buňkách stejné nebo jiné třídy.

Rejstřík článků

  • 1 Relevantní mikrobiální vlastnosti
    • 1.1 Interakce s vnějším prostředím
    • 1.2 Metabolismus
    • 1.3 Přizpůsobení velmi různorodému prostředí
    • 1.4 Extrémní prostředí
    • 1.5 Extremofilní mikroorganismy
  • 2 Molekulární biologie aplikovaná na mikrobiologii prostředí
    • 2.1 Izolace a mikrobiální kultura
    • 2.2 Nástroje molekulární biologie
  • 3 Oblasti studia mikrobiologie životního prostředí
    • 3.1 - Mikrobiální ekologie
    • 3.2 - Geomikrobiologie
    • 3.3 - Bioremediace
  • 4 Aplikace mikrobiologie prostředí
  • 5 Reference

Relevantní mikrobiální vlastnosti

Interakce s vnějším prostředím

Volně žijící jednobuněčné organismy jsou zvláště vystaveny vnějšímu prostředí. Kromě toho mají jak velmi malou velikost buněk (což ovlivňuje jejich morfologii a metabolickou flexibilitu), tak vysoký poměr povrch / objem, který generuje rozsáhlé interakce s jejich prostředím..

Díky tomu přežití i mikrobiální ekologická distribuce závisí na jejich schopnosti fyziologicky se přizpůsobit častým změnám prostředí..

Metabolismus

Vysoký poměr povrch / objem generuje vysoké mikrobiální metabolické rychlosti. To souvisí s jeho rychlou rychlostí růstu a dělení buněk. Kromě toho existuje v přírodě široká mikrobiální metabolická rozmanitost..

Mikroorganismy lze považovat za chemické stroje, které transformují různé látky uvnitř i vně. To je způsobeno jeho enzymatickou aktivitou, která urychluje rychlosti specifických chemických reakcí..

Přizpůsobení velmi různorodému prostředí

Mikrobiální mikrohabitat je obecně dynamický a heterogenní s ohledem na typ a množství přítomných živin, jakož i na jejich fyzikálně-chemické podmínky..

Existují mikrobiální ekosystémy:

  • Pozemní (na skalách a půdě).
  • Vodní (v oceánech, rybnících, jezerech, řekách, horkých pramenech, vodonosných vrstvách).
  • Spojeno s vyššími organismy (rostlinami a zvířaty).

Extrémní prostředí

Mikroorganismy se vyskytují prakticky ve všech prostředích na planetě Zemi, ať už ve vyšších formách života, či nikoli.

Prostředí s extrémními podmínkami, pokud jde o teplotu, slanost, pH a dostupnost vody (mimo jiné zdroje), představují „extremofilní“ mikroorganismy. Obvykle se jedná většinou o archaea (neboli archaebakterie), které tvoří primární biologickou doménu odlišenou od domény Bacteria a Eukarya, zvané Archaea..

Obrázek 2. Stanoviště extremofilních mikroorganismů. Vlevo: Horký pramen v Yellowstonském národním parku, kde byly studovány termofilní mikroorganismy (Zdroj: Jim Peaco, National Park Service [Public domain], přes Wikimedia Commons). Vpravo: Antarktida, místo, kde byly studovány psychrofilní mikroorganismy (Zdroj: pxhere.com).

Extremofilní mikroorganismy

Mezi širokou škálu extremofilních mikroorganismů patří:

  • Termofily: vykazují optimální růst při teplotách nad 40 ° C (obyvatelé termálních pramenů).
  • Psychrofily: optimálního růstu při teplotách pod 20 ° C (obyvatelé míst s ledem).
  • Acidofilní: optimální růst za podmínek nízkého pH, téměř 2 (kyselé). Vyskytuje se v kyselých horkých pramenech a podvodních sopečných štěrbinách.
  • Halofily: pro růst vyžadují vysoké koncentrace soli (NaCl) (jako ve slaných nálevech).
  • Xerophiles: schopný odolat suchu, to znamená nízké vodní aktivitě (obyvatelé pouští, jako je Atacama v Chile).

Molekulární biologie aplikovaná na mikrobiologii prostředí

Mikrobiální izolace a kultura

Ke studiu obecných charakteristik a metabolických kapacit mikroorganismu je třeba: izolovat jej od přirozeného prostředí a uchovávat v čisté kultuře (bez dalších mikroorganismů) v laboratoři.

Obrázek 3. Mikrobiální izolace v laboratoři. Vlevo: vláknité houby rostoucí na pevném kultivačním médiu (Zdroj: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Vpravo: izolace bakteriálního kmene technikou očkování deplecí (Zdroj: Drhx [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], Wikimedia Commons).

Pouze 1% mikroorganismů existujících v přírodě bylo izolováno a kultivováno v laboratoři. To je způsobeno nedostatkem znalostí o jejich specifických výživových požadavcích a obtížností simulace obrovské rozmanitosti stávajících podmínek prostředí..

Nástroje molekulární biologie

Aplikace technik molekulární biologie v oblasti mikrobiální ekologie umožnila prozkoumat stávající mikrobiální biologickou rozmanitost bez nutnosti její izolace a kultivace v laboratoři. Umožnilo dokonce identifikovat mikroorganismy v jejich přirozených mikrohabitatech, tj., in situ.

To je zvláště důležité při studiu extremofilních mikroorganismů, jejichž optimální růstové podmínky jsou v laboratoři simulovatelné komplexně..

Na druhé straně technologie rekombinantní DNA s využitím geneticky modifikovaných mikroorganismů umožnila eliminaci znečišťujících látek z prostředí v bioremediačních procesech..

Studijní oblasti environmentální mikrobiologie

Jak bylo původně naznačeno, různé oblasti studia mikrobiologie životního prostředí zahrnují disciplíny mikrobiální ekologie, geomikrobiologie a bioremediace..

-Mikrobiální ekologie

Mikrobiální ekologie spojuje mikrobiologii s ekologickou teorií studiem rozmanitosti mikrobiálních funkčních rolí v jejich přirozeném prostředí.

Mikroorganismy představují největší biomasu na planetě Zemi, takže není divu, že jejich ekologické funkce nebo role ovlivňují ekologickou historii ekosystémů..

Příkladem tohoto vlivu je vzhled aerobních forem života díky akumulaci kyslíku (Odva) v primitivní atmosféře generované fotosyntetickou aktivitou sinic.

Výzkumné oblasti mikrobiální ekologie

Mikrobiální ekologie je příčná ke všem ostatním oborům mikrobiologie a studií:

  • Mikrobiální rozmanitost a její evoluční historie.
  • Interakce mezi mikroorganismy v populaci a mezi populacemi v komunitě.
  • Interakce mezi mikroorganismy a rostlinami.
  • Fytopatogeny (bakteriální, plísňové a virové).
  • Interakce mezi mikroorganismy a zvířaty.
  • Mikrobiální společenství, jejich složení a nástupnické procesy.
  • Mikrobiální adaptace na podmínky prostředí.
  • Typy mikrobiálních stanovišť (atmosféra-ekosféra, hydroeksféra, litoskosféra a extrémní stanoviště).

-Geomikrobiologie

Geomikrobiologie studuje mikrobiální aktivity, které ovlivňují pozemské geologické a geochemické procesy (biogeochemické cykly).

Ty se vyskytují v atmosféře, hydrosféře a geosféře, konkrétně v prostředích, jako jsou nedávné sedimenty, útvary podzemních vod v kontaktu se sedimentárními a vyvřelými horninami a ve zvětralé zemské kůře..

Specializuje se na mikroorganismy, které interagují s minerály v jejich prostředí, mimo jiné je rozpouští, transformuje a vysráží..

Oblasti výzkumu geomikrobiologie

Geomikrobiologické studie:

  • Mikrobiální interakce s geologickými procesy (tvorba půdy, rozpad hornin, syntéza a degradace minerálů a fosilních paliv).
  • Tvorba minerálů mikrobiálního původu, buď srážením, nebo rozpouštěním v ekosystému (například ve vodonosných vrstvách).
  • Mikrobiální intervence v biogeochemických cyklech geosféry.
  • Mikrobiální interakce, které tvoří nežádoucí shluky mikroorganismů na povrchu (bioznečištění). Tato biologická znečištění mohou způsobit zhoršení povrchů, které obývají. Mohou například korodovat kovové povrchy (biokoroze).
  • Fosilní důkazy interakcí mezi mikroorganismy a minerály z jejich primitivního prostředí.

Například stromatolity jsou stratifikované fosilní minerální struktury z mělkých vod. Jsou složeny z uhličitanů pocházejících ze stěn primitivních sinic.

Obrázek 4. Vlevo: fosilní stromatolity v mělkých vodách (levý zdroj fotografií: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Vpravo: detail stromatolitů (pravý zdroj fotografií: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediace

Bioremediační studie zkoumají použití biologických činitelů (mikroorganismy a / nebo jejich enzymy a rostliny) v procesech regenerace půdy a vody kontaminované látkami nebezpečnými pro lidské zdraví a životní prostředí..

Obrázek 5. Kontaminace ropou v ekvádorských amazonských deštných pralesech. Zdroj: ekvádorský kancléř [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], přes Wikimedia Commons

Mnoho environmentálních problémů, které v současnosti existují, lze vyřešit použitím mikrobiální složky globálního ekosystému..

Pole bioremediačního výzkumu

Bioremediační studie:

  • Mikrobiální metabolické kapacity použitelné v procesech sanitace životního prostředí.
  • Mikrobiální interakce s anorganickými a xenobiotickými znečišťujícími látkami (toxické syntetické produkty, které nevznikají přirozenými biosyntetickými procesy). Mezi nejvíce studované xenobiotické sloučeniny patří halogenované uhlovodíky, nitroaromáty, polychlorované bifenyly, dioxiny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhlovodíky a pesticidy. Mezi nejvíce studované anorganické prvky patří těžké kovy.
  • Biologická rozložitelnost látek znečišťujících životní prostředí in situ a v laboratoři.

Aplikace mikrobiologie prostředí

Z mnoha aplikací této obrovské vědy můžeme citovat:

  • Objev nových mikrobiálních metabolických drah s potenciálním využitím v procesech komerčních hodnot.
  • Rekonstrukce mikrobiálních fylogenetických vztahů.
  • Analýza vodonosných vrstev a veřejných zásob pitné vody.
  • Rozpouštění nebo loužení (bioluhování) kovů v médiu za účelem jejich zpětného získání.
  • Biohydrometalurgie nebo biominace těžkých kovů v bioremediačních procesech kontaminovaných oblastí.
  • Biokontrola mikroorganismů podílejících se na biokorozi kontejnerů s radioaktivním odpadem rozpuštěných v podzemních kolektorech.
  • Rekonstrukce primitivní pozemské historie, paleoenvironmentu a prvotních forem života.
  • Konstrukce užitečných modelů při hledání zkamenělého života na jiných planetách, jako je Mars.
  • Sanitace oblastí kontaminovaných xenobiotickými nebo anorganickými látkami, jako jsou těžké kovy.

Reference

  1. Ehrlich, H. L. a Newman, D. K. (2009). Geomikrobiologie. Páté vydání, CRC Press. str. 630.
  2. Malik, A. (2004). Bioremediace kovů prostřednictvím rostoucích buněk. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologie kontroly znečištění životního prostředí. M. Dekker. 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologie. Páté vydání, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Extremofily jako zdroj nových enzymů. Současné stanovisko v mikrobiologii, 6 (3), 213-218. doi: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S. C. a Jones, K. C. (1993). Bioremediace půdy kontaminované polynukleárními aromatickými uhlovodíky (PAH): Přehled. Znečištění životního prostředí, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

Zatím žádné komentáře