- Releváns mikrobiális jellemzők
- Kölcsönhatás a külső környezettel
- Anyagcsere
- Alkalmazkodás nagyon változatos környezetekhez
- Extrém környezetek
- Extrémofil mikroorganizmusok
- A környezeti mikrobiológiában alkalmazott molekuláris biológia
- Mikrobiális izoláció és tenyésztés
- Molekuláris biológiai eszközök
- A környezeti mikrobiológia vizsgálati területei
- -Mikrobiális ökológia
- A mikrobiológiai ökológia kutatási területei
- -Geomicrobiology
- Geomikrobiológiai kutatási területek
- -Bioremediation
- A bioremediáció kutatási területei
- A környezeti mikrobiológia alkalmazásai
- Irodalom
A környezeti mikrobiológia az a tudomány, amely megvizsgálja a mikroorganizmusok sokféleségét és funkcióját a természetes környezetükben, valamint metabolikus képességeik alkalmazását a szennyezett talaj és víz bioremediációjában. Ez általában a következő tudományágakra oszlik: mikrobiológiai ökológia, geomikrobiológia és bioremediáció.
Mikrobiológia (mikros: kicsi, bio: élet, logók: tanulmány), interdiszciplináris módon vizsgálja a mikroszkopikus egysejtű organizmusok széles és változatos csoportját (1 és 30 μm között), csak az optikai mikroszkóp segítségével látható (az emberi szem számára láthatatlan)).

1. ábra: Bal oldalon: optikai mikroszkóp, egy eszköz, amely lehetővé teszi a mikroorganizmusok nagyítás alatt történő megtekintését (Forrás: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Jobbra: a Pseudomonas nemzetségben elterjedt baktériumok elektronmikroszkópos felvétele (készítette: CDC, jóvoltából: Public Health Image Library).
A mikrobiológia területén csoportosított szervezetek sok szempontból különböznek egymástól, és nagyon különböző taxonómiai kategóriákba tartoznak. Izolált vagy társult sejtekként léteznek, és lehetnek:
- Főbb prokarióták (meghatározott sejtmag nélküli egysejtű szervezetek), mint például az eubakteriák és az arhebaktériumok.
- Egyszerű eukarióták (meghatározott sejtmagú egysejtű organizmusok), például élesztők, fonalas gombák, mikroalgák és protozoák.
- Vírusok (amelyek nem celluláris, de mikroszkopikusak).
A mikroorganizmusok képesek minden létfontosságú folyamatuk végrehajtására (növekedés, anyagcsere, energiatermelés és szaporodás), függetlenül az azonos vagy eltérő osztályú többi sejttől.
Releváns mikrobiális jellemzők
Kölcsönhatás a külső környezettel
A szabadon élő egysejtű organizmusok különösen vannak kitéve a külső környezetnek. Ezenkívül nagyon kicsi a sejtméretük (ami befolyásolja morfológiájukat és anyagcseréjének rugalmasságát), és nagy a felület / térfogat arányuk, amely kiterjedt kölcsönhatásokat idéz elő a környezetükkel.
Emiatt mind a túlélés, mind a mikrobiális ökológiai eloszlás függ attól, hogy képes-e fiziológiai alkalmazkodni a gyakori környezeti változásokhoz.
Anyagcsere
A nagy felületi / térfogatarány nagy mikrobiális anyagcserét eredményez. Ez kapcsolódik a gyors növekedési üteméhez és a sejtosztódáshoz. Ezenkívül a természetben széles körű mikrobiális anyagcsere-változatosság van.
A mikroorganizmusok vegyi gépeknek tekinthetők, amelyek különféle anyagokat transzformálnak mind belül, mind kívül. Ennek oka enzimatikus aktivitása, amely felgyorsítja a specifikus kémiai reakciók sebességét.
Alkalmazkodás nagyon változatos környezetekhez
Általában véve a mikrobiális mikrohabita dinamikus és heterogén a jelen lévő tápanyagok típusa és mennyisége, valamint fizikai-kémiai körülményei szempontjából.
Vannak mikrobiális ökoszisztémák:
- Földi (sziklákon és talajon).
- Vízi (óceánokban, tavakban, tavakban, folyókban, forró forrásokban, víztartó rétegekben).
- Magasabb organizmusokkal (növényekkel és állatokkal) társítva.
Extrém környezetek
A mikroorganizmusok gyakorlatilag minden olyan környezetben megtalálhatók a Föld bolygón, amelyek ismeretesek a magasabb szintű életformák számára.
Szélsőséges körülmények között a hőmérséklet, a sótartalom, a pH és a víz elérhetősége tekintetében (többek között az erőforrások között) extrémofil mikroorganizmusok vannak jelen. Ezek többnyire archaea (vagy archaebacteria), amelyek primer biológiai domént képeznek, amely különbözik a baktériumoktól és az eukarya-tól, úgynevezett Archaea.

2. ábra. Az extrémofil mikroorganizmusok élőhelyei. Balra: Forró forrásvíz a Yellowstone Nemzeti Parkban, ahol termofil mikroorganizmusokat vizsgáltak (Forrás: Jim Peaco, a Nemzeti Park Szolgálata, a Wikimedia Commons segítségével). Jobb: Antarktisz, egy olyan hely, ahol pszichofil mikroorganizmusokat vizsgáltak (Forrás: pxhere.com).
Extrémofil mikroorganizmusok
Az extrémofil mikroorganizmusok széles skálája a következő:
- Termofilek: amelyek optimális növekedést mutatnak 40 ° C feletti hőmérsékleten (termálforrások lakosai).
- Pszichofilek: optimális növekedés 20 ° C alatti hőmérsékleten (jéggel rendelkező helyek lakói).
- Acidofil: optimális növekedéssel alacsony pH-érték mellett, közel 2-ig (savas). Jelen van savas forró forrásokban és víz alatti vulkáni hasadásokban.
- Halofilek: magas sókoncentrációt (NaCl) igényelnek (mint a sós sókban).
- Xerofilek: képes ellenállni az aszálynak, azaz alacsony vízaktivitásnak (olyan sivatagokban élők, mint a chilei Atacama).
A környezeti mikrobiológiában alkalmazott molekuláris biológia
Mikrobiális izoláció és tenyésztés
A mikroorganizmus általános tulajdonságainak és anyagcsere-képességének tanulmányozásához: a természetes környezetétől izolálni kell, és tiszta tenyészetben (más mikroorganizmusoktól mentesen) kell tartani a laboratóriumban.

3. ábra: Mikrobiális izolálás a laboratóriumban. Balra: szilárd táptalajon növekvő rostos gombák (Forrás: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Jobbra: egy baktériumtörzs izolálása kimerítő vetőmag-technikával (Forrás: Drhx, a Wikimedia Commons-ból).
A természetben meglévő mikroorganizmusoknak csak 1% -át izolálták és tenyésztették a laboratóriumban. Ennek oka a specifikus táplálkozási igények ismeretének hiánya és a meglévő környezeti feltételek hatalmas változatosságának szimulálása.
Molekuláris biológiai eszközök
A molekuláris biológiai technikák alkalmazása a mikrobiológiai ökológia területén lehetővé tette a meglévő mikrobiális biológiai sokféleség feltárását anélkül, hogy annak izolálása és laboratóriumi termesztése szükségessé vált volna. Sőt, lehetővé tette a mikroorganizmusok azonosítását a természetes mikrohabitukban, azaz in situ.
Ez különösen fontos az extrémofil mikroorganizmusok vizsgálatában, amelyek optimális növekedési körülményei összetettek a laboratóriumi szimulációval.
Másrészről, a géntechnológiával módosított mikroorganizmusok felhasználásával végzett rekombináns DNS technológia lehetővé tette a környezetről szennyező anyagok eltávolítását a bioremediációs folyamatok során.
A környezeti mikrobiológia vizsgálati területei
Amint azt eredetileg jeleztük, a környezeti mikrobiológia különböző területei a mikrobiológiai ökológia, a geomikrobiológia és a bioremediáció tudományágait foglalják magukban.
-Mikrobiális ökológia
A mikrobiológiai ökológia összekapcsolja a mikrobiológiát az ökológiai elmélettel, a természetes környezetben a mikrobiális funkcionális szerepek sokféleségének tanulmányozásával.
A mikroorganizmusok képviselik a legnagyobb biomasszát a Föld bolygón, tehát nem meglepő, hogy ökológiai funkcióik vagy szerepeik befolyásolják az ökoszisztémák ökológiai történelmét.
Ennek a befolyásnak az egyik példája az aerob életforma megjelenése az oxigén (O 2) primitív légkörben való felhalmozódásának köszönhetően, amelyet a cianobaktériumok fotoszintézis-tevékenysége generál.
A mikrobiológiai ökológia kutatási területei
A mikrobiológiai ökológia keresztirányban áll a mikrobiológia és a tanulmányok összes többi tudományágával kapcsolatban:
- A mikrobiális sokféleség és evolúciós története.
- Interakciók a populáció mikroorganizmusai és a közösségek populációi között.
- A mikroorganizmusok és a növények kölcsönhatása.
- Fitopatogének (baktériumok, gombák és vírusok).
- A mikroorganizmusok és az állatok kölcsönhatása.
- A mikrobiális közösségek, összetételük és az utódlási folyamatok.
- Mikrobiális alkalmazkodás a környezeti feltételekhez.
- A mikrobiális élőhelyek típusai (légkör-ökoszféra, hidroökoszféra, litoökoszféra és extrém élőhelyek).
-Geomicrobiology
A geomikrobiológia a szárazföldi geológiai és geokémiai folyamatokat (biogeokémiai ciklusok) befolyásoló mikrobiális tevékenységeket vizsgálja.
Ezek a légkörben, a hidroszférában és a geoszférában fordulnak elő, különösen olyan környezetben, mint például a legutóbbi üledékek, az üledékes és magmás kőzetekkel érintkező felszín alatti víztestek, valamint a viharvert földkéregben.
Olyan mikroorganizmusokra specializálódott, amelyek kölcsönhatásba lépnek a környezetben található ásványokkal, többek között feloldják, átalakítják és kicsapják azokat.
Geomikrobiológiai kutatási területek
Geomikrobiológiai vizsgálatok:
- Mikrobiális kölcsönhatások a geológiai folyamatokkal (talajképződés, kőzetbontás, ásványok és fosszilis üzemanyagok szintézise és lebontása).
- Mikrobiális eredetű ásványi anyagok képződése kicsapással vagy az ökoszisztéma feloldásával (például víztartó rétegekben).
- Mikrobiális beavatkozás a geoszféra biogeokémiai ciklusaiban.
- Mikrobiális kölcsönhatások, amelyek nem kívánt mikroorganizmus-csomókat képeznek a felületen (biofoulálás). Ezek a biológiai bevonások a felületük romlását okozhatják. Például korrodálhatják a fémfelületeket (biokorrózió).
- A mikroorganizmusok és az ásványok közötti kölcsönhatások fosszilis bizonyítéka primitív környezetükből.
A stromatolitok például a sekély vizek rétegzett fosszilis ásványi struktúrái. Ezek primitív cianobaktériumok falából származó karbonátokból állnak.

4. ábra bal oldalon: fosszilis stromatolitok sekély vízben (Bal oldali fotóforrás: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Jobb: a stromatolitok részlete (jobb oldali fotóforrás:
-Bioremediation
Bioremediáció tanulmányozza a biológiai ágensek (mikroorganizmusok és / vagy enzimeik és növényeik) alkalmazását az emberi egészségre és a környezetre veszélyes anyagokkal szennyezett talaj és víz helyreállítási folyamataiban.

5. ábra. Olajszennyezés az ecuadori Amazonas esőerdőkben. Forrás: Ecuador Külügyminisztériuma, a Wikimedia Commons segítségével
A jelenleg létező környezeti problémák nagy részét a globális ökoszisztéma mikrobiális komponensének felhasználásával lehet megoldani.
A bioremediáció kutatási területei
Bioremediációs tanulmányok:
- A mikrobiológiai anyagcsere-képesség a környezeti szennyvízkezelési folyamatokban.
- Mikrobiális kölcsönhatások a szervetlen és xenobiotikus szennyező anyagokkal (mérgező szintetikus termékek, amelyeket nem hoznak létre természetes bioszintézis folyamatok). A leginkább vizsgált xenobiotikus vegyületek közé tartoznak a halogénezett szénhidrogének, nitroaromás vegyületek, poliklórozott bifenilek, dioxinok, alkil-benzil-szulfonátok, kőolaj-szénhidrogének és peszticidek. A leginkább tanulmányozott szervetlen elemek között vannak a nehézfémek.
- A környezeti szennyező anyagok biológiai lebonthatósága in situ és laboratóriumban.
A környezeti mikrobiológia alkalmazásai
Ennek a hatalmas tudománynak a számos alkalmazása között megemlíthetjük:
- Új mikrobiális anyagcsere útvonalak felfedezése, amelyek potenciálisan alkalmazhatók a kereskedelmi értékű folyamatokban.
- Mikrobiális filogenetikai kapcsolatok rekonstrukciója.
- A víztartó rétegek és az ivóvízellátás elemzése.
- A közegekben lévő fémek oldódása vagy kimosódása (biolosztás) a visszanyerésükhöz.
- A nehézfémek biohidrometallurgiája vagy biominomása a szennyezett területek bioremediációs folyamataiban.
- A föld alatti víztartó rétegekben feloldott radioaktív hulladéktartályok biokorróziójában részt vevő mikroorganizmusok biokontrollja.
- A primitív szárazföldi történelem, a paleo-környezet és az élet primitív formáinak rekonstrukciója.
- Hasznos modellek felépítése más bolygókon, például a Marson való fosszilis élet megkeresésére.
- Xenobiotikus vagy szervetlen anyagokkal, például nehézfémekkel szennyezett területek szennyvízkezelése.
Irodalom
- Ehrlich, HL és Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Ötödik kiadás, CRC Press. 630. o.
- Malik, A. (2004). Fém bioremediáció növekvő sejteken keresztül. Environment International, 30. (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
- McKinney, RE (2004). Környezeti szennyezés ellenőrzése Mikrobiológia. M. Dekker. 453. oldal
- Prescott, LM (2002). Mikrobiológia. Ötödik kiadás, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147. o.
- Van den Burg, B. (2003). Extremophiles mint új enzimek forrása. Jelenlegi vélemény a mikrobiológiában, 6. (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
- Wilson, SC és Jones, KC (1993). Polinukleáris aromás szénhidrogénekkel (PAH) szennyezett talaj bio-rehabilitációja: áttekintés. Környezetszennyezés, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.
