Microbiologia mediului obiect de studiu și aplicații

microbiologie de mediu este știința care studiază diversitatea și funcția microorganismelor în mediile lor naturale și aplicațiile capacităților lor metabolice în procesele de bioremediere a solurilor și apelor contaminate. De obicei, este împărțit în disciplinele: ecologie microbiană, geomicrobiologie și bioremediere.

Microbiologie (mikros: mic, bios: durata de viață, logos: studiu), studiază într-un mod interdisciplinar un grup larg și divers de organisme unicelulare microscopice (de la 1 la 30 µm), vizibile doar prin microscopul optic (invizibil pentru ochiul uman).

Organismele grupate împreună în domeniul microbiologiei sunt diferite în multe privințe importante și aparțin unor categorii taxonomice foarte diferite. Există ca celule izolate sau asociate și pot fi:

• Procariote majore (organisme unicelulare fără un nucleu definit), cum ar fi eubacteriile și arheobacteriile.
• Eucariote simple (organisme unicelulare cu nuclee definite), cum ar fi drojdii, ciuperci filamentoase, microalge și protozoare.
• Viruși (care nu sunt celulari, dar sunt microscopici).

Microorganismele sunt capabile să-și desfășoare toate procesele vitale (creștere, metabolism, generare de energie și reproducere), independent de alte celule din aceeași clasă sau diferite.

Indice articol

• 1 Caracteristici microbiene relevante
  • 1.1 Interacțiunea cu mediul extern
  • 1.2 Metabolism
  • 1.3 Adaptarea la medii foarte diverse
  • 1.4 Medii extreme
  • 1.5 Microorganisme extremofile
• 2 Biologie moleculară aplicată microbiologiei mediului
  • 2.1 Izolarea și cultura microbiană
  • 2.2 Instrumente de biologie moleculară
• 3 Domenii de studiu ale microbiologiei mediului
  • 3.1 -Ecologia microbiană
  • 3.2 -Geomicrobiologie
  • 3.3 -Bioremediere
• 4 Aplicații ale microbiologiei mediului
• 5 Referințe

Caracteristici microbiene relevante

Interacțiunea cu mediul extern

Organismele unicelulare care trăiesc liber sunt deosebit de expuse mediului extern. În plus, au atât o dimensiune foarte mică a celulei (care le afectează morfologia și flexibilitatea metabolică), cât și un raport ridicat suprafață / volum, care generează interacțiuni extinse cu mediul lor..

Datorită acestui fapt, atât supraviețuirea, cât și distribuția ecologică microbiană depind de capacitatea lor de adaptare fiziologică la variațiile de mediu frecvente..

Metabolism

Raportul ridicat suprafață / volum generează rate metabolice microbiene ridicate. Acest lucru este legat de rata sa rapidă de creștere și de diviziune celulară. În plus, există o mare diversitate metabolică microbiană în natură..

Microorganismele pot fi considerate mașini chimice, care transformă diferite substanțe atât în ​​interior, cât și în exterior. Acest lucru se datorează activității sale enzimatice, care accelerează ratele reacțiilor chimice specifice..

Adaptare la medii foarte diverse

În general, microhabitatul microbian este dinamic și eterogen în ceea ce privește tipul și cantitatea de nutrienți prezenți, precum și condițiile lor fizico-chimice..

Există ecosisteme microbiene:

• Terestru (pe roci și sol).
• Acvatic (în oceane, iazuri, lacuri, râuri, izvoare termale, acvifere).
• Asociat cu organisme superioare (plante și animale).

Medii extreme

Microorganismele se găsesc în aproape toate mediile de pe planeta Pământ, familiare sau nu formelor de viață superioare.

Mediile cu condiții extreme în ceea ce privește temperatura, salinitatea, pH-ul și disponibilitatea apei (printre alte resurse), prezintă microorganisme „Extremofile”. Acestea sunt, în general, arheea (sau arheobacteriile), care formează un domeniu biologic primar diferențiat de cel al bacteriilor și al Eukarya, numit Archaea..

Microorganisme extremofile

Printre marea varietate de microorganisme extremofile, se numără:

• Termofili: arată o creștere optimă la temperaturi peste 40 ° C (locuitori ai izvoarelor termale).
• Psihrofili: de creștere optimă la temperaturi sub 20 ° C (locuitori în locuri cu gheață).
• Acidofil: de creștere optimă în condiții de pH scăzut, aproape de 2 (acid). Prezent în izvoarele termale acide și fisurile vulcanice subacvatice.
• Halofili: necesită concentrații mari de sare (NaCl) pentru a crește (ca în saramură).
• Xerofili: capabili să reziste secetei, adică o activitate scăzută a apei (locuitori în deșerturi precum Atacama din Chile).

Biologie moleculară aplicată microbiologiei mediului

Izolarea microbiană și cultura

Pentru a studia caracteristicile generale și capacitățile metabolice ale unui microorganism, acesta trebuie să fie: izolat de mediul său natural și păstrat în cultură pură (fără alte microorganisme) în laborator.

Doar 1% din microorganismele existente în natură au fost izolate și cultivate în laborator. Acest lucru se datorează lipsei de cunoștințe a cerințelor lor nutriționale specifice și dificultății de a simula marea varietate de condiții de mediu existente..

Instrumente de biologie moleculară

Aplicarea tehnicilor de biologie moleculară în domeniul ecologiei microbiene a făcut posibilă explorarea biodiversității microbiene existente, fără a fi necesară izolarea și cultivarea acesteia în laborator. A făcut chiar posibilă identificarea microorganismelor din microhabitatele lor naturale, adică, in situ.

Acest lucru este deosebit de important în studiul microorganismelor extremofilice, ale căror condiții optime de creștere sunt complexe de simulat în laborator..

Pe de altă parte, tehnologia ADN-ului recombinant cu utilizarea microorganismelor modificate genetic a permis eliminarea substanțelor poluante din mediu în procesele de bioremediere..

Studiați domeniile microbiologiei mediului

După cum sa indicat inițial, diferitele domenii de studiu ale microbiologiei mediului includ disciplinele ecologiei microbiene, geomicrobiologiei și bioremediere..

-Ecologie microbiană

Ecologia microbiană îmbină microbiologia cu teoria ecologică, prin studiul diversității rolurilor funcționale microbiene în mediul lor natural.

Microorganismele reprezintă cea mai mare biomasă de pe planeta Pământ, deci nu este surprinzător faptul că funcțiile sau rolurile lor ecologice afectează istoria ecologică a ecosistemelor..

Un exemplu al acestei influențe este apariția formelor de viață aerobă datorită acumulării de oxigen (O_Două) în atmosfera primitivă, generată de activitatea fotosintetică a cianobacteriilor.

Domenii de cercetare ale ecologiei microbiene

Ecologia microbiană este transversală la toate celelalte discipline ale microbiologiei și studiază:

• Diversitatea microbiană și istoria sa evolutivă.
• Interacțiuni între microorganisme dintr-o populație și între populații dintr-o comunitate.
• Interacțiuni între microorganisme și plante.
• Fitopatogeni (bacterieni, fungici și virali).
• Interacțiuni între microorganisme și animale.
• Comunitățile microbiene, compoziția și procesele lor de succesiune.
• Adaptări microbiene la condițiile de mediu.
• Tipurile de habitate microbiene (atmosferă-ecosferă, hidro-ecosferă, lito-ecosferă și habitate extreme).

-Geomicrobiologie

Geomicrobiologia studiază activitățile microbiene care afectează procesele geologice și geochimice terestre (cicluri biogeochimice).

Acestea apar în atmosferă, hidrosferă și geosferă, în special în medii precum sedimentele recente, corpurile de apă subterană în contact cu roci sedimentare și magmatice și în scoarța terestră..

Este specializat în microorganisme care interacționează cu mineralele din mediul lor, dizolvându-le, transformându-le, precipitându-le, printre altele..

Domenii de cercetare în geomicrobiologie

Studii de geomicrobiologie:

• Interacțiuni microbiene cu procesele geologice (formarea solului, degradarea rocilor, sinteza și degradarea mineralelor și combustibililor fosili).
• Formarea mineralelor de origine microbiană, fie prin precipitații, fie prin dizolvare în ecosistem (de exemplu, în acvifere).
• Intervenție microbiană în ciclurile biogeochimice ale geosferei.
• Interacțiuni microbiene care formează aglomerări nedorite de microorganisme pe o suprafață (biofouling). Aceste bioincrustări pot provoca deteriorarea suprafețelor pe care le locuiesc. De exemplu, pot coroda suprafețele metalice (bio-coroziune).
• Dovezi fosile ale interacțiunilor dintre microorganisme și minerale din mediul lor primitiv.

De exemplu, stromatoliții sunt structuri minerale fosile stratificate din ape puțin adânci. Sunt alcătuite din carbonați, proveniți de la pereții cianobacteriilor primitive.

-Bioremediere

Bioremedierea studiază aplicarea agenților biologici (microorganisme și / sau enzimele și plantele acestora), în procesele de recuperare a solurilor și a apei contaminate cu substanțe periculoase pentru sănătatea umană și pentru mediu..

Multe dintre problemele de mediu existente în prezent pot fi rezolvate cu utilizarea componentei microbiene a ecosistemului global..

Domenii de cercetare pentru bioremediere

Studii de bioremediere:

• Capacitățile metabolice microbiene aplicabile în procesele de salubritate a mediului.
• Interacțiuni microbiene cu poluanți anorganici și xenobiotici (produse sintetice toxice, care nu sunt generate de procese biosintetice naturale). Printre compușii xenobiotici cei mai studiați se numără halocarburi, nitroaromatice, bifenili policlorurați, dioxine, alchilbenzil sulfonati, hidrocarburi petroliere și pesticide. Printre cele mai studiate elemente anorganice se numără metalele grele.
• Biodegradabilitatea poluanților din mediu in situ și în laborator.

Aplicații ale microbiologiei mediului

Printre numeroasele aplicații ale acestei vaste științe, putem cita:

• Descoperirea de noi căi metabolice microbiene cu potențiale aplicații în procesele de valoare comercială.
• Reconstrucția relațiilor filogenetice microbiene.
• Analiza acviferelor și a alimentării publice cu apă potabilă.
• Dizolvarea sau levigarea (biolixarea) metalelor în mediu, pentru recuperarea lor.
• Biohidrometalurgie sau biominerea metalelor grele, în procesele de bioremediere a zonelor contaminate.
• Biocontrolul microorganismelor implicate în biocoroziunea containerelor de deșeuri radioactive dizolvate în acvifere subterane.
• Reconstrucția istoriei terestre primitive, a paleomediului și a formelor de viață primare.
• Construirea de modele utile în căutarea vieții fosilizate pe alte planete, precum Marte.
• Igienizarea zonelor contaminate cu substanțe xenobiotice sau anorganice, cum ar fi metalele grele.

Referințe

1. Ehrlich, H. L. și Newman, D. K. (2009). Geomicrobiologie. A cincea ediție, CRC Press. pp. 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediere metalică prin celule în creștere. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, R. E. (2004). Microbiologie de control al poluării mediului. M. Dekker. pp. 453.
4. Prescott, L. M. (2002). Microbiologie. A cincea ediție, McGraw-Hill Știință / Inginerie / Matematică. pp. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremofilii ca sursă de enzime noi. Opinia curentă în Microbiologie, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, S. C. și Jones, K. C. (1993). Bioremediere a solului contaminat cu hidrocarburi polinucleare aromatice (HAP): o revizuire. Poluarea mediului, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.