ЕКОЛОГІЧНА МІКРОБІОЛОГІЯ: ОБ'ЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - БІОЛОГІЯ

Environmental Microbiology це наука , яка вивчає різноманітність і функціонування мікроорганізмів в їхньому природному середовищі і застосуванні їх метаболічних можливостей в біоремедіаціі забруднених грунтів і води. Зазвичай його поділяють на дисципліни: мікробіологічна екологія, геомікробіологія та біоремедіація.

Мікробіологія (mikros: малий, bios: життя, логотипи: дослідження), вивчає міждисциплінарно широку та різноманітну групу мікроскопічних одноклітинних організмів (від 1 до 30 мкм), видимих лише за допомогою оптичного мікроскопа (невидимого для людського ока ).

Малюнок 1. Ліворуч: оптичний мікроскоп - прилад, що дозволяє переглядати мікроорганізми під збільшенням (Джерело: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Праворуч: електронна мікрофотографія широко розповсюджених бактерій з роду Pseudomonas (Автор: CDC, надано: Бібліотека зображень громадського здоров'я).

Організми, згруповані разом у галузі мікробіології, відрізняються між собою у багатьох важливих аспектах і належать до дуже різних таксономічних категорій. Вони існують як ізольовані або асоційовані клітини і можуть бути:

Основні прокаріоти (одноклітинні організми без визначеного ядра), такі як евбактерії та архебактерії.
Прості еукаріоти (одноклітинні організми з визначеним ядром), такі як дріжджі, нитчасті гриби, мікроводорості та найпростіші.
Віруси (які не є клітинними, але є мікроскопічними).

Мікроорганізми здатні здійснювати всі свої життєві процеси (ріст, метаболізм, вироблення та розмноження енергії) незалежно від інших клітин того ж чи іншого класу.

Відповідні характеристики мікробів

Взаємодія із зовнішнім середовищем

Вільноживучі одноклітинні організми особливо піддаються впливу зовнішнього середовища. Крім того, вони мають як дуже невеликий розмір клітин (що впливає на їх морфологію, так і метаболічну гнучкість), а також високе співвідношення поверхня / об'єм, що породжує велику взаємодію з навколишнім середовищем.

Завдяки цьому як виживання, так і мікробний екологічний розподіл залежать від його здатності до фізіологічної адаптації до частих змін середовища.

Метаболізм

Високе співвідношення поверхня / об'єм створює високі показники метаболізму мікробів. Це пов’язано з його швидкими темпами росту та поділом клітин. Крім того, в природі існує широке мікробне різноманіття метаболізму.

Мікроорганізми можна вважати хімічними машинами, які перетворюють різні речовини як всередині, так і зовні. Це пов’язано з його ферментативною активністю, що прискорює темпи специфічних хімічних реакцій.

Адаптація до дуже різноманітних середовищ

Взагалі мікробний мікрорайон є динамічним та неоднорідним щодо типу та кількості наявних поживних речовин, а також їх фізико-хімічних умов.

Існують мікробні екосистеми:

Наземний (на скелях і грунті).
Водні (в океанах, ставках, озерах, річках, гарячих джерелах, водоносних горизонтах).
Пов’язаний з вищими організмами (рослинами і тваринами).

Екстремальне середовище

Мікроорганізми зустрічаються практично в будь-якому середовищі планети Земля, знайомі вищим життєвим формам чи ні.

Середовища, що мають екстремальні умови щодо температури, солоності, рН та доступності води (серед інших ресурсів), представляють "екстремофільні" мікроорганізми. Це, як правило, археї (або архебактерії), які утворюють первинний біологічний домен, диференційований від домену бактерій та еукарії, званий Архея.

Малюнок 2. Проживання екстремофільних мікроорганізмів. Зліва: гаряча джерельна вода в Національному парку Йеллоустоун, де вивчені термофільні мікроорганізми (Джерело: Jim Peaco, Служба національного парку, через Wikimedia Commons). Праворуч: Антарктида, місце, де вивчені психрофільні мікроорганізми (Джерело: pxhere.com).

Екстремофільні мікроорганізми

Серед широкого розмаїття екстремофільних мікроорганізмів можна виділити:

Термофіли: оптимальне зростання при температурі понад 40 ° C (мешканці термальних джерел).
Психрофіли: оптимального росту при температурі нижче 20 ° С (мешканці місць з льодом).
Ацидофільна: з оптимальним ростом в умовах низького рН, близьких до 2 (кислота). Присутні в кислих гарячих джерелах та підводних вулканічних щілинах.
Галофіли: потребують високої концентрації солі (NaCl) для зростання (як у розсолах).
Ксерофіли: здатні протистояти посухи, тобто маловодній активності (мешканці пустель, таких як Атакама в Чилі).

Молекулярна біологія застосовується до мікробіології навколишнього середовища

Мікробна ізоляція та культура

Для вивчення загальних характеристик та метаболічних можливостей мікроорганізму він повинен бути: ізольованим від природного середовища та утримуватися в чистому середовищі (без інших мікроорганізмів) у лабораторії.

Малюнок 3. Виділення мікробів у лабораторії. Зліва: нитчасті гриби, що ростуть на твердому культурному середовищі (Джерело: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Праворуч: виділення бактеріального штаму методом висіву виснаження (Джерело: Drhx, з Вікімедіа Commons).

В лабораторії було виділено і культивовано лише 1% існуючих у природі мікроорганізмів. Це пов’язано з невідомістю їх специфічних харчових потреб та труднощами моделювання величезної різноманітності існуючих екологічних умов.

Інструменти молекулярної біології

Застосування методів молекулярної біології у галузі мікробної екології дозволило дослідити існуюче мікробне біорізноманіття, не потребуючи його виділення та вирощування в лабораторії. Це навіть дозволило ідентифікувати мікроорганізми за їх природними мікрожилищами, тобто in situ.

Це особливо важливо при дослідженні екстремофільних мікроорганізмів, оптимальні умови росту яких складно моделювати в лабораторії.

З іншого боку, технологія рекомбінантних ДНК із застосуванням генетично модифікованих мікроорганізмів дозволила вивести забруднюючі речовини з навколишнього середовища в процесах біоремедіації.

Вивчайте області мікробіології навколишнього середовища

Як було зазначено спочатку, різні напрямки вивчення мікробіології навколишнього середовища включають дисципліни мікробної екології, геомікробіології та біоремедіації.

-Мікробна екологія

Мікробна екологія з’єднує мікробіологію з екологічною теорією шляхом вивчення різноманітності функціональних ролей мікроб у їх природному середовищі.

Мікроорганізми представляють найбільшу біомасу на планеті Земля, тому не дивно, що їх екологічні функції чи роль впливають на екологічну історію екосистем.

Прикладом такого впливу є поява аеробних форм життя завдяки накопиченню кисню (O ₂ ) у примітивній атмосфері, породженому фотосинтетичною активністю ціанобактерій.

Дослідження мікробної екології

Мікробна екологія є поперечною для всіх інших дисциплін мікробіології та досліджень:

Мікробне різноманіття та його еволюційна історія.
Взаємодія між мікроорганізмами в популяції та між популяціями в громаді.
Взаємодія мікроорганізмів і рослин.
Фітопатогени (бактеріальні, грибкові та вірусні).
Взаємодія мікроорганізмів і тварин.
Мікробні спільноти, їх склад та процеси сукцесії.
Мікробні пристосування до умов навколишнього середовища.
Типи мікробних середовищ існування (атмосфера-екосфера, гідроекосфера, літоекосфера та екстремальні середовища існування).

-Геомікробіологія

Геомікробіологія вивчає мікробну діяльність, яка впливає на наземні геологічні та геохімічні процеси (біогеохімічні цикли).

Вони трапляються в атмосфері, гідросфері та геосфері, зокрема в таких середовищах, як недавні осади, тіла підземних вод, що контактують з осадовими та магматичними породами, та у вивітрюваній земній корі.

Він спеціалізується на мікроорганізмах, які взаємодіють з мінералами у їхньому середовищі, розчиняючи, трансформуючи, осаджуючи їх, серед інших.

Геомікробіологічні галузі досліджень

Геомікробіологічні дослідження:

Мікробна взаємодія з геологічними процесами (ґрунтоутворення, руйнування гірських порід, синтез та деградація мінералів та викопних палив).
Утворення мінералів мікробного походження або шляхом опадів, або розчинення в екосистемі (наприклад, у водоносних горизонтах).
Мікробне втручання в біогеохімічні цикли геосфери.
Мікробні взаємодії, які утворюють небажані скупчення мікроорганізмів на поверхні (біопорощення). Ці біологічне обростання може спричинити погіршення поверхонь, які вони мешкають. Наприклад, вони можуть роз’їдати металеві поверхні (біокорозія).
Копалини свідчать про взаємодію мікроорганізмів і мінералів з їх первісного середовища.

Наприклад, строматоліти - це стратифіковані викопні мінеральні структури з мілководних вод. Вони складаються з карбонатів зі стінок примітивних ціанобактерій.

Рисунок 4. Зліва: викопні строматоліти на мілководді (Ліве джерело фото: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Праворуч: деталі строматолітів (Праве джерело фото: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Біоремедіація

Біоремедіація вивчає застосування біологічних агентів (мікроорганізмів та / або їх ферментів і рослин) у процесах відновлення ґрунтів та води, забруднених речовинами, небезпечними для здоров'я людини та навколишнього середовища.

Малюнок 5. Забруднення нафтою в еквадорському дощовому лісі Амазонки. Джерело: Міністерство закордонних справ Еквадору, через Wikimedia Commons

Багато існуючих в даний час екологічних проблем можна вирішити із застосуванням мікробної складової глобальної екосистеми.

Дослідницькі галузі біоремедіації

Біоремедіаційні дослідження:

Мікробні метаболічні можливості, застосовні в процесах санітарії в навколишньому середовищі.
Мікробна взаємодія з неорганічними та ксенобіотичними забруднювачами (токсичні синтетичні продукти, не утворюються природними біосинтетичними процесами). Серед найбільш вивчених ксенобіотичних сполук - галокарбони, нітроароматики, поліхлоровані біфеніли, діоксини, алкилбензилсульфонати, нафтові вуглеводні та пестициди. Серед найбільш вивчених неорганічних елементів - важкі метали.
Біодеструкція забруднюючих речовин навколишнього середовища in situ та в лабораторії.

Застосування екологічної мікробіології

Серед багатьох застосувань цієї величезної науки можна навести:

Відкриття нових мікробних метаболічних шляхів з потенційним застосуванням у процесах комерційної цінності.
Реконструкція мікробних філогенетичних зв’язків.
Аналіз водоносних горизонтів та громадських запасів питної води.
Розчинення або вилуговування (біовилуговування) металів у середовищі для їх відновлення.
Біогідрометалургія або біомінування важких металів у процесах біоремедіації забруднених територій.
Біоконтроль мікроорганізмів, що беруть участь у біокорозії контейнерів радіоактивних відходів, розчинених у підземних водоносних горизонтах.
Реконструкція первісної земної історії, палеосередовища та примітивних форм життя.
Побудова корисних моделей у пошуках скам’янілого життя на інших планетах, таких як Марс.
Санітарія ділянок, забруднених ксенобіотичними або неорганічними речовинами, такими як важкі метали.

Список літератури

Ehrlich, HL та Newman, DK (2009). Геомікробіологія. П’яте видання, CRC Press. С. 630.
Малик, А. (2004). Біоремедіація металів через зростаючі клітини. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
McKinney, RE (2004). Мікробіологія контролю забруднення навколишнього середовища. М. Декер. С. 453.
Прескотт, Л.М. (2002). Мікробіологія. П'яте видання, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. С. 1147.
Ван ден Бург, Б. (2003). Екстремофіли як джерело нових ферментів. Сучасна думка з мікробіології, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
Wilson, SC та Jones, KC (1993). Біоремедіація ґрунту, забрудненого поліядерними ароматичними вуглеводнями (ПАВ): огляд. Забруднення навколишнього середовища, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

ЕКОЛОГІЧНА МІКРОБІОЛОГІЯ: ОБ'ЄКТ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - БІОЛОГІЯ - 2025