MIKROBIOLOGIJA OKOLIŠA: PREDMET PROUČAVANJA I PRIMJENA - BIOLOGIJA - 2025

Mikrobiologija okoliša je znanost koja proučava raznolikosti i funkcija mikroorganizama u njihovom prirodnom okruženju i primjene njihovih metaboličkih sposobnosti u bioobnove onečišćenog tla i vode. Obično se dijeli na discipline: mikrobna ekologija, geomikrobiologija i bioremedijacija.

Mikrobiologija (mikros: mali, bios: život, logotipi: studija), interdisciplinarno proučava široku i raznoliku skupinu mikroskopskih jednoćelijskih organizama (od 1 do 30 µm), vidljivih samo optičkim mikroskopom (nevidljiv ljudskom oku)).

Slika 1. S lijeve strane: optički mikroskop, instrument koji omogućuje gledanje mikroorganizama pod povećalom (Izvor: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Desno: elektronska mikrografija široko rasprostranjenih bakterija iz roda Pseudomonas (Napisao: CDC, Objavljeno: Biblioteka slika javnog zdravlja).

Organizmi grupirani u području mikrobiologije različiti su u mnogim važnim aspektima i pripadaju vrlo različitim taksonomskim kategorijama. Postoje kao izolirane ili povezane stanice i mogu biti:

• Glavni prokarioti (jednoćelijski organizmi bez definiranog jezgra), poput eubakterija i arhebakterija.
• Jednostavni eukarioti (jednoćelijski organizmi s definiranom jezgrom), poput kvasca, nitastih gljivica, mikroalgi i protozoa.
• Virusi (koji nisu stanični, ali su mikroskopski).

Mikroorganizmi su sposobni provoditi sve svoje vitalne procese (rast, metabolizam, stvaranje i reprodukciju energije), neovisno o ostalim stanicama istog ili različitog razreda.

Relevantne karakteristike mikroba

Interakcija s vanjskim okruženjem

Slobodno živi jednoćelijski organizmi su posebno izloženi vanjskom okruženju. Uz to, imaju i vrlo malu veličinu ćelije (što utječe na njihovu morfologiju i metaboličku fleksibilnost), te visok omjer površina / volumen, što stvara intenzivne interakcije s njihovim okruženjem.

Zbog toga i preživljavanje i mikrobna ekološka distribucija ovise o njegovoj sposobnosti za fiziološku prilagodbu čestim promjenama u okolišu.

Metabolizam

Visoki omjer površina / volumen stvara visoku stopu metabolizma mikroba. To je povezano s njegovom brzom stopom rasta i staničnom diobom. Osim toga, u prirodi postoji velika mikrobna metabolička raznolikost.

Mikroorganizmi se mogu smatrati kemijskim strojevima koji pretvaraju različite tvari iznutra i izvana. To je zbog njegove enzimske aktivnosti, koja ubrzava stope specifičnih kemijskih reakcija.

Prilagođavanje vrlo raznim okruženjima

Općenito, mikrobni stanište mikrofona je dinamično i heterogeno s obzirom na vrstu i količinu hranjivih sastojaka, kao i na njihove fizikalno-kemijske uvjete.

Postoje mikrobni ekosustavi:

• Zemaljska (na stijenama i tlu).
• Vodeni (u oceanima, ribnjacima, jezerima, rijekama, izvorima, vodonosnicima).
• Povezuje se s višim organizmima (biljkama i životinjama).

Ekstremna okruženja

Mikroorganizmi se nalaze u gotovo svim sredinama na planeti Zemlji, poznatim ili ne visokim životnim oblicima.

Okruženje s ekstremnim uvjetima s obzirom na temperaturu, slanost, pH i dostupnost vode (između ostalih resursa) predstavljaju "ekstremnofilne" mikroorganizme. To su uglavnom arheje (ili arhebakterije), koje tvore primarni biološki domen različit od bakterija i Eukarije, nazvan Archaea.

Slika 2. Staništa ekstremnih mikroorganizama. Lijevo: Vruća izvorska voda u Nacionalnom parku Yellowstone, gdje su proučavani termofilni mikroorganizmi (Izvor: Jim Peaco, Služba nacionalnog parka, putem Wikimedia Commons). Desno: Antarktika, mjesto na kojem su proučavani psihrofilni mikroorganizmi (Izvor: pxhere.com).

Ekstremofilni mikroorganizmi

Među velikom raznolikošću ekstremofilnih mikroorganizama spadaju:

• Termofili: koji imaju optimalan rast na temperaturama iznad 40 ° C (stanovnici termalnih izvora).
• Psikrofili: optimalnog rasta pri temperaturama ispod 20 ° C (stanovnici mjesta sa ledom).
• Acidofilni: s optimalnim rastom u uvjetima niskog pH, blizu 2 (kiselina). Prisutan u kiselim izvorima i podvodnim vulkanskim pukotinama.
• Halofili: zahtijevaju visoke koncentracije soli (NaCl) da bi rasli (kao u salamuri).
• Kserofili: sposobni izdržati sušu, odnosno aktivnost s malo vode (stanovnici pustinja, poput Atacame u Čileu).

Molekularna biologija primijenjena na mikrobiologiju okoliša

Mikrobna izolacija i kultura

Da bi se proučile opće karakteristike i metaboličke sposobnosti mikroorganizma, on mora biti: izoliran iz prirodnog okoliša i čuvan u čistoj kulturi (bez drugih mikroorganizama) u laboratoriju.

Slika 3. Izolacija mikroba u laboratoriju. Lijevo: vlaknaste gljive koje rastu na krutom mediju kulture (Izvor: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Desno: izolacija bakterijskog soja tehnikom iscrpljivanja sijanja (Izvor: Drhx, iz Wikimedia Commons).

U laboratoriju je izolirano i uzgojeno samo 1% mikroorganizama koji postoje u prirodi. To je zbog nedostatka znanja o njihovim specifičnim prehrambenim potrebama i teškoće simulacije ogromne raznolikosti postojećih okolišnih uvjeta.

Alati za molekularnu biologiju

Primjena tehnika molekularne biologije u području mikrobne ekologije omogućila je istraživanje postojeće mikrobne biološke raznolikosti, bez potrebe za njenom izolacijom i uzgojem u laboratoriju. To je čak omogućilo identifikaciju mikroorganizama u njihovim prirodnim mikrostaništima, to jest in situ.

To je posebno važno u istraživanju ekstremnih mikroorganizama, čiji su optimalni uvjeti rasta složeni za simulaciju u laboratoriju.

S druge strane, rekombinantna DNK tehnologija uz uporabu genetski modificiranih mikroorganizama omogućila je uklanjanje onečišćujućih tvari iz okoliša u procesima bioremedijacije.

Proučite područja mikrobiologije okoliša

Kao što je na početku naznačeno, različita područja proučavanja mikrobiologije okoliša uključuju discipline mikrobne ekologije, geomikrobiologije i bioremedijacije.

-Mikrobna ekologija

Mikrobna ekologija spaja mikrobiologiju s ekološkom teorijom, kroz proučavanje raznolikosti funkcionalnih uloga mikroba u njihovom prirodnom okruženju.

Mikroorganizmi predstavljaju najveću biomasu na planeti Zemlji, pa ne čudi da njihove ekološke funkcije ili uloge utječu na ekološku povijest ekosustava.

Primjer takvog utjecaja je pojava aerobnih životnih oblika zahvaljujući nakupljanju kisika (O ₂) u primitivnoj atmosferi, generiranom fotosintetskom aktivnošću cijanobakterija.

Područja istraživanja mikrobne ekologije

Mikrobna ekologija je transverzalna za sve ostale discipline mikrobiologije, a proučava:

• Mikrobna raznolikost i njezina evolucijska povijest.
• Interakcije između mikroorganizama u populaciji i između populacije u zajednici.
• Interakcije između mikroorganizama i biljaka.
• Fitopatogeni (bakterijski, gljivični i virusni).
• Interakcije između mikroorganizama i životinja.
• Mikrobne zajednice, njihov sastav i sukcesioni procesi.
• Prilagođavanje mikrobioma okolišnim uvjetima.
• Vrste mikrobnih staništa (atmosfera-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera i ekstremna staništa).

-Geomicrobiology

Geomikrobiologija proučava mikrobne aktivnosti koje utječu na zemaljske geološke i geokemijske procese (biogeokemijski ciklusi).

Javljaju se u atmosferi, hidrosferi i geosferi, posebno u okruženjima kao što su nedavni sedimenti, tijela podzemne vode u kontaktu sa sedimentnim i magnetskim stijenama, te u istrošenoj zemljinoj kori.

Specijalizirana je za mikroorganizme koji u svom okruženju stupaju u interakciju s mineralima, otapajući ih, transformirajući, istaložujući, među ostalim.

Područja istraživanja geomikrobiologije

Geomikrobiološke studije:

• Mikrobne interakcije s geološkim procesima (formiranje tla, raspadanje stijena, sinteza i razgradnja minerala i fosilnih goriva).
• Stvaranje minerala mikrobnog podrijetla, bilo taloženjem ili otapanjem u ekosustavu (na primjer, u vodonosnicima).
• Mikrobna intervencija u biogeokemijskim ciklusima geosfere.
• Mikrobijske interakcije koje tvore neželjene nakupine mikroorganizama na površini (biootpad). Ovo biopuštanje može prouzročiti propadanje površina na kojima obitavaju. Na primjer, mogu korozirati metalne površine (biokorozija).
• Fosilni dokazi o interakcijama mikroorganizama i minerala iz njihovog primitivnog okruženja.

Na primjer, stromatoliti su slojevite fosilne mineralne strukture iz plitkih voda. Sačinjeni su od karbonata sa zidova primitivnih cijanobakterija.

Slika 4. S lijeve strane: fosilni stromatoliti u plitkoj vodi (Lijevi izvor fotografija: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Desno: detalji stromatolita (Pravi izvor fotografija:

-Bioremediation

Bioremedijacija proučava primjenu bioloških agensa (mikroorganizama i / ili njihovih enzima i biljaka), u procesima oporavka tla i vode zagađenih tvarima opasnim za zdravlje ljudi i okoliš.

Slika 5. Zagađenje naftom u ekvadorskoj prašumi Amazonije. Izvor: Ministarstvo vanjskih poslova Ekvadora, putem Wikimedia Commonsa

Mnogi postojeći ekološki problemi mogu se riješiti upotrebom mikrobne komponente globalnog ekosustava.

Područja istraživanja bioremedijacije

Studije bioremedijacije:

• Metabolički metabolički kapaciteti primjenjivi u procesima sanacije okoliša.
• Mikrobne interakcije s anorganskim i ksenobiotskim zagađivačima (toksični sintetički proizvodi, koji se ne stvaraju prirodnim biosintetskim procesima). Među najgledanijim ksenobiotičkim spojevima su halokarboni, nitroaromati, poliklorirani bifenili, dioksini, alkilbenzil sulfonati, naftni ugljikovodici i pesticidi. Među najgledanije anorganske elemente spadaju teški metali.
• Biorazgradivost zagađivača okoliša in situ i u laboratoriju.

Primjene mikrobiologije okoliša

Među brojnim primjenama ove ogromne znanosti možemo navesti:

• Otkrivanje novih mikrobnih metaboličkih putova s ​​potencijalnim primjenama u procesima komercijalne vrijednosti.
• Obnova mikrobnih filogenetskih odnosa.
• Analiza vodonosnika i javnih opskrbi pitkom vodom.
• Otapanje ili ispiranje (biološki ispiranje) metala u mediju za njihov oporavak.
• Biohidrometalurgija ili biomining teških metala u procesima bioremedijacije kontaminiranih područja.
• Biokontrola mikroorganizama koji sudjeluju u biokoroziji spremnika radioaktivnog otpada otopljenih u podzemnim vodonosnicima.
• Obnova primitivne zemaljske povijesti, paleookolja i primitivnih oblika života.
• Izgradnja korisnih modela u potrazi za fosiliziranim životom na drugim planetima, poput Marsa.
• Sanitet područja zagađenih ksenobiotičkim ili anorganskim tvarima, poput teških metala.

Reference

1. Ehrlich, HL i Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Peto izdanje, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremedijacija metala kroz rast stanica. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Mikrobiološka kontrola onečišćenja okoliša. M. Dekker. pp. 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologija. Peto izdanje, McGraw-Hill znanost / inženjerstvo / matematika. pp. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofili kao izvor novih enzima. Trenutno mišljenje iz mikrobiologije, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC i Jones, KC (1993). Bioremedijacija tla zagađenog polinuklearnim aromatskim ugljikovodicima (PAHs): Pregled. Zagađenje okoliša, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.