מיקרוביולוגיה סביבתית של מחקר ויישומים

ה מיקרוביולוגיה סביבתית הוא המדע אשר בוחן את המגוון והתפקוד של מיקרואורגניזמים בסביבות הטבעיות שלהם ואת היישומים של יכולות מטבוליות שלהם בתהליכים bioremediation של אדמה מזוהמת ומים. בדרך כלל מחולק דיסציפלינות: אקולוגיה מיקרוביאלית, geomicrobiology ו bioremediation.

מיקרוביולוגיהמיקרוס: קטן, ביוס: החיים, לוגו: ), מחקרים בין-תחומיים במגוון רחב ומגוון של אורגניזמים מיקרוסקופיים חד-תאיים (מ -1 עד 30 מיקרומטר), הנראים רק דרך המיקרוסקופ האופטי (בלתי נראה לעין האנושית).

האורגניזמים המקובצים בתחום המיקרוביולוגיה שונים זה מזה בהיבטים חשובים רבים ומשתייכים לקטגוריות טקסונומיות שונות. הם קיימים כתאים מבודדים או קשורים ויכולים להיות:

• Prokaryotes הראשי (אורגניזמים unicellular ללא גרעין מוגדר), כגון eubacteria ו archaebacteria.
• פשוט eukaryotes (אורגניזמים unicellular עם גרעין מוגדר), כגון שמרים, פטריות פילמנטיות, microalgae ו protozoa.
• וירוסים (שאינם סלולריים, אלא מיקרוסקופיים).

מיקרואורגניזמים מסוגלים לבצע את כל התהליכים החיוניים שלהם (צמיחה, חילוף חומרים, ייצור אנרגיה ורבייה), ללא קשר לתאים אחרים מאותו מעמד או שונים.

אינדקס

• 1 מאפיינים מיקרוביאליים רלוונטיים
  • 1.1 אינטראקציה עם הסביבה החיצונית
  • 1.2 חילוף חומרים
  • 1.3 הסתגלות לסביבות מגוונות מאוד
  • 1.4 סביבות אקסטרים
  • 1.5 מיקרואורגניזמים קיצוניים
• 2 ביולוגיה מולקולרית מיושמת על מיקרוביולוגיה סביבתית
  • 2.1 בידוד ותרבות מיקרוביאלית
  • 2.2 כלי ביולוגיה מולקולרית
• 3 תחומי לימוד מיקרוביולוגיה סביבתית
  • 3.1 - אקולוגיה מיקרוביאלית
  • 3.2 -מיקרוביולוגיה
  • 3.3 - תחלואה
• 4 יישומים של מיקרוביולוגיה סביבתית
• 5 הפניות

מאפיינים מיקרוביאליים רלוונטיים

אינטראקציה עם הסביבה החיצונית

האורגניזמים החד-תאיים של החיים החופשיים חשופים במיוחד לסביבה החיצונית. בנוסף, יש להם גודל תא קטן מאוד (אשר משפיע על המורפולוגיה שלהם וגמישות מטבולית), ואת יחס גבוה נפח / נפח, אשר מייצר אינטראקציות נרחבות עם הסביבה שלהם.

בשל כך, הן ההישרדות והן ההתפלגות האקולוגית של החיידקים תלויים ביכולתם להתאים פיזיולוגית לשינויים סביבתיים תכופים.

מטבוליזם

יחס פני השטח / נפח גבוה מייצר שיעורי מטבוליזם מיקרוביאלי גבוה. זה קשור קצב הצמיחה המהיר שלה חלוקת התא. בנוסף, קיים מגוון רחב של חומרים מטבוליים מיקרוביאליים בטבע.

מיקרואורגניזמים יכולים להיחשב מכונות כימיות, אשר הופכים חומרים שונים הן מבפנים והן מחוצה לה. הסיבה לכך היא פעילות אנזימטית, אשר מאיצה מהירויות של תגובות כימיות ספציפיות.

הסתגלות לסביבות מגוונות מאוד

באופן כללי, בית הגידול החיידקי החיידקי הוא דינמי והטרוגני ביחס לסוג והכמות של חומרים מזינים הקיימים, כמו גם לתנאים הפיזיקו-כימיים שלה.

ישנן מערכות אקולוגיות מיקרוביאליות:

• יבשתי (בסלעים ובאדמה).
• מים (באוקיינוסים, בריכות, אגמים, נהרות, מעיינות חמים, אקוויפרים).
• המשויכים לאורגניזמים גבוהים יותר (צמחים ובעלי חיים).

סביבות אקסטרים

מיקרואורגניזמים נמצאים כמעט בכל סביבות על כדור הארץ, מוכר או לא צורות חיים גבוהים יותר.

סביבות עם תנאים קיצוניים לגבי טמפרטורה, מליחות, pH וזמינות מים (בין משאבים אחרים), מציגות מיקרואורגניזמים "קיצוניים". אלה הם בעיקר archaea (או archaebacteria), אשר מהווים תחום ביולוגי העיקרי מובחן חיידקים ו Eukarya, המכונה Archaea..

מיקרואורגניזמים קיצוניים

בין מגוון רחב של מיקרואורגניזמים קיצוניים, הם:

• Thermophiles: כי הצמיחה האופטימלית הנוכחית בטמפרטורות מעל 40 מעלות צלזיוס (תושבי מעיינות תרמיים).
• Psychophilic: צמיחה אופטימלית בטמפרטורות מתחת 20 ° C (תושבי מקומות עם קרח).
• Acidófilos: של צמיחה אופטימלית בתנאים של pH נמוך, קרוב ל 2 (חומצה). הווה במים תרמיים חומציים וסדקים געשיים תת-מימיים.
• Halophiles: אשר דורשים ריכוז גבוה של מלח (NaCl) לגדול (כמו בתמלחות).
• Xerophiles: מסוגל לעמוד בצורת, כלומר, פעילות מים נמוכה (תושבי מדבריות כגון אטקמה בצ 'ילה).

ביולוגיה מולקולרית החלה על מיקרוביולוגיה סביבתית

בידוד ותרבות מיקרוביאלית

כדי לבחון את המאפיינים הכלליים ואת היכולות המטבוליות של מיקרואורגניזם, הוא חייב להיות: מבודד מסביבתו הטבעית ונשמר בתרבות טהורה (ללא מיקרואורגניזמים אחרים) במעבדה.

רק 1% מהמיקרואורגניזמים הקיימים בטבע בודדו ומעובדים במעבדה. זאת בשל הבורות של הדרישות התזונתיים הספציפיים שלהם ואת הקושי לדמות את מגוון עצום של תנאים סביבתיים הקיימים.

ביולוגיה מולקולרית כלים

היישום של טכניקות ביולוגיה מולקולארית לתחום האקולוגיה המיקרוביאלית איפשר לנו לחקור את המגוון הביולוגי הקיים, ללא צורך בבידוד ובתרבות במעבדה. זה אפילו מותר לזהות מיקרואורגניזמים שלהם microhabitats טבעי, כלומר, באתרם.

זה חשוב במיוחד במחקר של מיקרואורגניזמים קיצוניים, אשר תנאי הצמיחה האופטימלית הם מורכבים לדמות במעבדה.

מצד שני, הטכנולוגיה של DNA רקומביננטי עם השימוש מיקרואורגניזמים מהונדסים גנטית אפשרה חיסול מזהמים מהסביבה בתהליכים bioremediation.

תחומי לימוד מיקרוביולוגיה סביבתית

כפי שצוין בתחילה, בתחומים שונים של המחקר של מיקרוביולוגיה סביבתית כוללים את הדיסציפלינות של אקולוגיה מיקרוביאלית, geomicrobiology ו bioremediation.

-אקולוגיה מיקרוביאלית

אקולוגיה מיקרוביאלית מזיינת מיקרוביולוגיה עם תיאוריה אקולוגית, באמצעות מחקר של מגוון תפקידים תפקידים מיקרוביאליים בסביבתם הטבעית.

מיקרואורגניזמים מייצגים את הביומסה הגדולה ביותר על פני כדור הארץ, ולכן אין זה מפתיע כי התפקידים שלהם או תפקידים אקולוגיים משפיעים על ההיסטוריה האקולוגית של מערכות אקולוגיות.

דוגמה להשפעה זו היא הופעת צורות החיים האירוביות בזכות הצטברות החמצן (OR₂) באווירה הפרימיטיבית, הנוצרת על ידי פעילות פוטוסינתטית של cyanobacteria.

תחומי מחקר של אקולוגיה מיקרוביאלית

האקולוגיה המיקרוביאלית היא רוחבית לכל הדיסציפלינות האחרות של המיקרוביולוגיה, ומחקרים:

• המגוון המיקרוביולוגי וההיסטוריה האבולוציונית שלו.
• האינטראקציות בין מיקרואורגניזמים של אוכלוסייה ובין אוכלוסיות בקהילה.
• האינטראקציות בין מיקרואורגניזמים וצמחים.
• Phytopathogens (חיידקים, פטרייתיים ויראליים).
• האינטראקציות בין מיקרואורגניזמים ובעלי חיים.
• קהילות מיקרוביאליות, הרכבן ותהליכי הירושה.
• התאמות מיקרוביאליות לתנאים סביבתיים.
• סוגים של בתי גידול מיקרוביאליים (אטמוספרה אטמוספירה, הידרו-אקוספירה, ליטו-אקוספירה ובתי גידול קיצוניים).

-גיאומיקרוביולוגיה

Geomicrobiology מחקרים פעילויות מיקרוביאלית המשפיעים על תהליכים גיאולוגיים גיאוכימיים (מחזורי ביוגיוכימיים יבשתיים).

אלה מתרחשים באטמוספרה, בהידרוספרה ובגיאוספירה, במיוחד בסביבות כמו משקעים אחרונים, גופי מי תהום במגע עם סלעים משקעים ובולעים ובקרום של כדור הארץ.

הוא מתמחה מיקרואורגניזמים כי אינטראקציה עם מינרלים בסביבתם, המסתם, להפוך אותם, מזרז אותם, בין היתר..

תחומי המחקר של Geomicrobiology

גיאומיקרוביולוגיה מחקרים:

• אינטראקציות מיקרוביאליות עם תהליכים גיאולוגיים (היווצרות קרקע, שבירת סלעים, סינתזה והשפלה של מינרלים ודלקים פוסיליים).
• היווצרות של מינרלים ממוצא מיקרוביאלי, בין אם על ידי משקעים או על ידי פירוק במערכת האקולוגית (לדוגמה, באקוויפרים).
• התערבות מיקרוביאלית במחזורים ביוגיאוכימיים של הגיאוספירה.
• אינטראקציות מיקרוביאליות היוצרות גושים לא רצויים של מיקרואורגניזמים על משטח (ביופולינג). אלה ביולוגי יכול ליצור הידרדרות של המשטחים הם מאכלסים. לדוגמה, הם יכולים corrode משטחי מתכת (biocorrosion).
• עדויות מאובנות לאינטראקציות בין מיקרואורגניזמים ומינרלים בסביבה הפרימיטיבית שלהם.

לדוגמה, stromatolites הם מרובדים של מבנים מינרליים מאובנים של מים רדודים. הם מיוצרים על ידי פחמתי, מגיע מהקירות של cyanobacteria פרימיטיבי.

-Bioremediation

ביורמדיאציה בוחנת יישום של חומרים ביולוגיים (מיקרואורגניזמים ו / או אנזימים וצמחים), בתהליכי שחזור קרקע ומים מזוהמים בחומרים מסוכנים לבריאות האדם ולסביבה.

רבים מהבעיות הסביבתיות הקיימות ניתן לפתור באמצעות השימוש במרכיב המיקרוביולוגי של המערכת האקולוגית העולמית.

תחומי מחקר של bioremediation

ביורמידציה:

• היכולות המטבוליות של החיידקים הישימות בתהליכי תברואה סביבתיים.
• אינטראקציות מיקרוביאלית עם (מוצרים סינתטיים רעילים לא הנוצרים בתהליך biosynthetic טבעי) אורגניים xenobiotics מזהמים. בין התרכובות הקנוביוטיות הנחקרות ביותר הן הלוקרבונים, ניטרו-פרומצבטיקה, ביפנילים רב-כלוריים, דיאוקסינים, סולפונים אלקילבנזל, פחמימנים, חומרי הדברה. בין האלמנטים האורגניים הנלמדים ביותר, מתכות כבדות נמצאות.
• את biodegradability של מזהמים סביבתיים באתרם ובמעבדה.

יישומים של מיקרוביולוגיה סביבתית

בין היישומים המרובים של המדע העצום הזה, אנו יכולים להזכיר:

• גילוי מסלולים מטבוליים חדשים של חיידקים עם יישומים פוטנציאליים בתהליכים בעלי ערך מסחרי.
• שחזור של יחסים פילוגנטיים מיקרוביאליים.
• ניתוח אקוויפרים ומי השתייה הציבוריים.
• פירוק או שטיפת (ביולאצ'ינג) של מתכות במדיום, לשם החלמה.
• Biohydrometallurgy או ביומכניקה של מתכות כבדות, בתהליכים bioremediation של אזורים מזוהמים.
• Biocontrol של מיקרואורגניזמים המעורבים biocorrosion של מיכלי פסולת רדיואקטיבית מומס באקוויפרים תת קרקעיים.
• שחזור ההיסטוריה הארצית הפרימיטיבית, הסביבה החיונית וצורות החיים הפרימיטיביות.
• בניית מודלים שימושיים בחיפוש אחר חיים מאובנים על כוכבי לכת אחרים, כגון מאדים.
• תברואה של אזורים מזוהמים בחומרים קסנוביוטים או אנאורגניים, כגון מתכות כבדות.

הפניות

1. ארליך, ה 'ל' וניומן, ד 'ק' (2009). גיאומיקרוביולוגיה. מהדורה חמישית, CRC Press. עמ '630.
2. מאליק, א. (2004). Bioremediation מתכת באמצעות תאים גדל. איכות הסביבה הבינלאומי, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, R. (2004). מיקרוביולוגיה של בקרת זיהום הסביבה. מ 'דקר עמ '453.
4. Prescott, L. M. (2002). מיקרוביולוגיה מהדורה חמישית, מקגרו היל מדע / הנדסה / מתמטיקה. עמ '1147.
5. ואן דן בורג, ב (2003). Extremophiles כמקור לאנזימים חדשים. הדעה הנוכחית במיקרוביולוגיה, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, S.C., and Jones, K.C (1993). Bioremediation של קרקע מזוהמת עם פחמימנים ארומטיים פולינוגרפי (PAHs): סקירה. זיהום סביבתי, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.