Экологическая микробиология, объект исследования и применения



экологическая микробиология это наука, которая изучает разнообразие и функцию микроорганизмов в их естественной среде и применение их метаболических возможностей в процессах биоремедиации загрязненной почвы и воды. Обычно его разделяют на дисциплины: микробная экология, геомикробиология и биоремедиация..

Микробиология (Mikros: маленький, BIOS: жизнь, логотипы: исследование), междисциплинарным образом изучает широкую и разнообразную группу одноклеточных микроскопических организмов (от 1 до 30 мкм), видимых только через оптический микроскоп (невидимый для человеческого глаза).

Организмы, сгруппированные в области микробиологии, отличаются по многим важным аспектам и относятся к очень разным таксономическим категориям. Они существуют как изолированные или ассоциированные клетки и могут быть:

  • Основные прокариоты (одноклеточные организмы без определенного ядра), такие как эубактерии и архебактерии.
  • Простые эукариоты (одноклеточные организмы с определенным ядром), такие как дрожжи, нитчатые грибы, микроводоросли и простейшие.
  • Вирусы (не клеточные, а микроскопические).

Микроорганизмы способны выполнять все свои жизненно важные процессы (рост, обмен веществ, выработку энергии и размножение) независимо от других клеток того же класса или разных.

индекс

  • 1 Соответствующие микробные характеристики
    • 1.1 Взаимодействие с внешней средой
    • 1.2 Метаболизм
    • 1.3 Адаптация к очень разнообразным средам
    • 1.4 Экстремальные условия
    • 1.5 Экстремофильные микроорганизмы
  • 2 Молекулярная биология в микробиологии окружающей среды
    • 2.1 Выделение и микробная культура
    • 2.2 Инструменты молекулярной биологии
  • 3 Направления изучения экологической микробиологии
    • 3.1 - Микробная экология
    • 3.2 -Геомикробиология
    • 3.3 -Биоредиация
  • 4 Приложения экологической микробиологии
  • 5 ссылок

Соответствующие микробные характеристики

Взаимодействие с внешней средой

Одноклеточные организмы свободной жизни особенно подвержены воздействию внешней среды. Кроме того, они имеют как очень маленький размер клеток (что влияет на их морфологию и метаболическую гибкость), так и высокое отношение поверхности к объему, что создает широкие взаимодействия с окружающей средой..

Вследствие этого как выживание, так и микробное экологическое распределение зависят от их способности физиологически адаптироваться к частым изменениям окружающей среды..

метаболизм

Высокое соотношение поверхности / объема приводит к высоким показателям метаболизма микроорганизмов. Это связано с его быстрой скоростью роста и деления клеток. Кроме того, в природе существует большое микробное метаболическое разнообразие..

Микроорганизмами можно считать химические машины, которые преобразуют различные вещества как внутри, так и снаружи. Это связано с его ферментативной активностью, которая ускоряет скорость специфических химических реакций.

Адаптация к очень разнообразным средам

В целом, микробная среда обитания является динамичной и неоднородной в отношении типа и количества присутствующих питательных веществ, а также его физико-химических условий..

Существуют микробные экосистемы:

  • Земной (в скалах и почве).
  • Водные (в океанах, прудах, озерах, реках, горячих источниках, водоносных горизонтах).
  • Связан с высшими организмами (растениями и животными).

Экстремальные условия

Микроорганизмы встречаются практически во всех средах на планете Земля, знакомых или не знакомых с высшими формами жизни..

В средах с экстремальными условиями, такими как температура, соленость, pH и доступность воды (среди прочих ресурсов), присутствуют "экстремофильные" микроорганизмы. В основном это археи (или архебактерии), которые образуют первичный биологический домен, дифференцированный от бактерий и эукарья, называемый архей..

Экстремофильные микроорганизмы

К числу самых разнообразных экстремофильных микроорганизмов относятся:

  • Термофилы: демонстрируют оптимальный рост при температуре выше 40 ° C (обитатели термальных источников).
  • Психофильный: оптимальный рост при температуре ниже 20 ° C (обитатели мест со льдом).
  • Acidófilos: оптимального роста в условиях низкого pH, близкого к 2 (кислота). Присутствует в кислых термальных водах и подводных вулканических трещинах.
  • Галофилы: которые требуют высоких концентраций соли (NaCl) для роста (как в рассолах).
  • Ксерофилы: способны противостоять засухе, то есть низкой активности воды (обитатели пустынь, таких как Атакама в Чили).

Молекулярная биология применительно к экологической микробиологии

Изоляция и микробная культура

Чтобы изучить общие характеристики и метаболические возможности микроорганизма, он должен быть: изолирован от естественной среды и содержаться в чистой культуре (без других микроорганизмов) в лаборатории.

Только 1% микроорганизмов, существующих в природе, были выделены и культивированы в лаборатории. Это происходит из-за незнания их специфических потребностей в питании и сложности моделирования большого разнообразия существующих условий окружающей среды..

Инструменты молекулярной биологии

Применение методов молекулярной биологии в области микробной экологии позволило нам исследовать существующее микробное биоразнообразие без необходимости его выделения и культивирования в лаборатории. Это даже позволило идентифицировать микроорганизмы в их естественных микробитатах, то есть, на месте.

Это особенно важно при изучении экстремофильных микроорганизмов, оптимальные условия роста которых сложно моделировать в лаборатории..

С другой стороны, технология рекомбинантной ДНК с использованием генетически модифицированных микроорганизмов позволила удалять загрязняющие вещества из окружающей среды в процессах биоремедиации..

Направления изучения экологической микробиологии

Как указывалось изначально, различные области изучения микробиологии окружающей среды включают дисциплины микробной экологии, геомикробиологии и биоремедиации..

-Микробная экология

Микробная экология объединяет микробиологию с экологической теорией, изучая разнообразие функциональных ролей микробов в их естественной среде.

Микроорганизмы представляют наибольшую биомассу на планете Земля, поэтому неудивительно, что их роли или экологические роли влияют на экологическую историю экосистем..

Примером этого влияния является появление аэробных форм жизни благодаря накоплению кислорода (ИЛИ2) в первозданной атмосфере, порожденной фотосинтетической активностью цианобактерий.

Исследования в области микробной экологии

Микробная экология является трансверсальной для всех других дисциплин микробиологии, и исследования:

  • Микробное разнообразие и его эволюционная история.
  • Взаимодействие между микроорганизмами популяции и между популяциями в сообществе.
  • Взаимодействие между микроорганизмами и растениями.
  • Фитопатогены (бактериальные, грибковые и вирусные).
  • Взаимодействие между микроорганизмами и животными.
  • Микробные сообщества, их состав и процессы сукцессии.
  • Микробная адаптация к условиям окружающей среды.
  • Типы микробных местообитаний (атмоэкосфера, гидроэкосфера, литоэкосфера и экстремальные места обитания).

-geomicrobiology

Геомикробиология изучает микробную деятельность, которая влияет на геологические и геохимические процессы (биогеохимические циклы Земли).

Это происходит в атмосфере, гидросфере и геосфере, особенно в таких средах, как недавние осадки, подземные воды в контакте с осадочными и магматическими породами и в выветрившейся коре Земли..

Он специализируется на микроорганизмах, которые взаимодействуют с минералами в окружающей их среде, растворяя их, трансформируя их, осаждая их, среди прочего..

Направления исследований геомикробиологии

Геомикробиологические исследования:

  • Микробные взаимодействия с геологическими процессами (почвообразование, разрушение горных пород, синтез и деградация минералов и ископаемого топлива).
  • Образование минералов микробного происхождения в результате осаждения или растворения в экосистеме (например, в водоносных слоях).
  • Микробное вмешательство в биогеохимические циклы геосферы.
  • Микробные взаимодействия, которые образуют нежелательные скопления микроорганизмов на поверхности (биологическое обрастание). Такое биологическое обрастание может вызвать разрушение поверхностей, на которых они обитают. Например, они могут разъесть металлические поверхности (биокоррозия).
  • Ископаемые свидетельства взаимодействия микроорганизмов и минералов в их первобытной среде.

Например, строматолиты являются стратифицированными ископаемыми минеральными структурами мелкой воды. Они состоят из карбонатов, поступающих со стен примитивных цианобактерий.

-биоремедиации

Биоремедиация изучает применение биологических агентов (микроорганизмов и / или их ферментов и растений) в процессах восстановления почвы и воды, загрязненных веществами, опасными для здоровья человека и окружающей среды..

Многие из существующих экологических проблем могут быть решены с использованием микробного компонента глобальной экосистемы..

Научные направления биоремедиации

Исследования биоремедиации:

  • Микробные метаболические возможности, применимые в процессах оздоровления окружающей среды.
  • Микробные взаимодействия с неорганическими и ксенобиотическими загрязнителями (токсичные синтетические продукты, не генерируемые естественными процессами биосинтеза). К числу наиболее изученных ксенобиотических соединений относятся галогенуглеводороды, нитроароматические соединения, полихлорированные дифенилы, диоксины, алкилбензилсульфонаты, нефтяные углеводороды и пестициды. Среди наиболее изученных неорганических элементов, тяжелые металлы найдены.
  • Биоразлагаемость загрязнителей окружающей среды на месте и в лаборатории.

Приложения экологической микробиологии

Среди множества приложений этой обширной науки, мы можем упомянуть:

  • Открытие новых микробных метаболических путей с потенциальным применением в процессах коммерческой ценности.
  • Реконструкция микробных филогенетических связей.
  • Анализ водоносных горизонтов и общественного питьевого водоснабжения.
  • Растворение или выщелачивание (биовыщелачивание) металлов в среде для восстановления.
  • Биогидрометаллургия или биомеханика тяжелых металлов в процессах биоремедиации загрязненных территорий.
  • Биоконтроль микроорганизмов, участвующих в биокоррозии контейнеров с радиоактивными отходами, растворенных в подземных водоносных горизонтах.
  • Реконструкция первобытной земной истории, палеокружения и первобытных форм жизни.
  • Построение полезных моделей в поисках окаменелой жизни на других планетах, таких как Марс.
  • Санитарная обработка территорий, загрязненных ксенобиотическими или неорганическими веществами, такими как тяжелые металлы.

ссылки

  1. Эрлих, Х. Л. и Ньюман, Д. К. (2009). Geomicrobiology. Пятое издание, CRC Press. с. 630.
  2. Малик А. (2004). Биоремедиация металла через растущие клетки. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R.E. (2004). Микробиология контроля загрязнения окружающей среды. М. Деккер стр. 453.
  4. Прескотт, Л. М. (2002). Микробиология. Пятое издание, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. с. 1147.
  5. Ван ден Бург, Б. (2003). Экстремофилы как источник новых ферментов. Текущее мнение в микробиологии, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson S.C. и Jones K.C. (1993). Биоремедиация почвы, загрязненной многоядерными ароматическими углеводородами (ПАУ): обзор. Загрязнение окружающей среды, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.