KÖRNYEZETI MIKROBIOLÓGIA: A TANULMÁNY TÁRGYA ÉS AZ ALKALMAZÁSOK - BIOLÓGIA - 2026

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

1. Ehrlich, HL és Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Ötödik kiadás, CRC Press. 630. o.
2. Malik, A. (2004). Fém bioremediáció növekvő sejteken keresztül. Environment International, 30. (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Környezeti szennyezés ellenőrzése Mikrobiológia. M. Dekker. 453. oldal
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiológia. Ötödik kiadás, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147. o.
5. 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.
6. 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.