VIDES MIKROBIOLOĢIJA: PĒTĪJUMA OBJEKTS UN PIELIETOJUMS - BIOLOĢIJA - 2025

Vides Mikrobioloģija ir zinātne, kas pēta daudzveidība un funkcija mikroorganismu to dabiskajā vidē, un lietojumiem to vielmaiņas spējām bioremediation piesārņotas augsnes un ūdens. To parasti iedala šādās disciplīnās: mikrobu ekoloģija, ģeomikrobioloģija un bioremediācija.

Mikrobioloģija (mikros: mazs, bios: dzīve, logotipi: pētījums), starpdisciplinārā veidā pētot plašu un daudzveidīgu mikroskopisko vienšūnu organismu (no 1 līdz 30 µm) grupu, kas redzama tikai caur optisko mikroskopu (cilvēka acij neredzama) ).

1. attēls kreisajā pusē: optiskais mikroskops, instruments, kas ļauj mums redzēt palielinājumā esošos mikroorganismus (Avots: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Pa labi: plaši izplatītu baktēriju elektronu mikrogrāfs Pseudomonas ģintī (Autors: CDC, Pieklājība: Sabiedrības veselības attēlu bibliotēka).

Organismi, kas sagrupēti mikrobioloģijas jomā, daudzos svarīgos aspektos ir atšķirīgi un pieder ļoti atšķirīgām taksonomijas kategorijām. Tās pastāv kā izolētas vai saistītas šūnas un var būt:

• Galvenie prokarioti (vienšūnu organismi bez noteikta kodola), piemēram, eubakterijas un arhebaktērijas.
• Vienkārši eikarioti (vienšūnu organismi ar noteiktu kodolu), piemēram, raugi, šķiedrainās sēnes, mikroaļģes un vienšūņi.
• Vīrusi (kas nav šūnu, bet ir mikroskopiski).

Mikroorganismi spēj veikt visus to dzīvībai svarīgos procesus (augšanu, metabolismu, enerģijas ģenerēšanu un pavairošanu) neatkarīgi no citām tās pašas vai atšķirīgās klases šūnām.

Attiecīgās mikrobu īpašības

Mijiedarbība ar ārējo vidi

Brīvi dzīvojoši vienšūnu organismi ir īpaši pakļauti ārējai videi. Turklāt tām ir gan ļoti mazs šūnu izmērs (kas ietekmē to morfoloģiju un metabolisma elastību), gan augsta virsmas un tilpuma attiecība, kas rada plašu mijiedarbību ar viņu vidi.

Sakarā ar to gan izdzīvošana, gan mikrobu ekoloģiskais sadalījums ir atkarīgs no tā spējas fizioloģiski pielāgoties biežām vides izmaiņām.

Vielmaiņa

Augstā virsmas un tilpuma attiecība rada augstu mikrobu metabolisma ātrumu. Tas ir saistīts ar tā straujo augšanas ātrumu un šūnu dalīšanos. Turklāt dabā pastāv plaša mikrobu metabolisma daudzveidība.

Mikroorganismus var uzskatīt par ķīmiskām mašīnām, kas pārveido dažādas vielas gan iekšpusē, gan ārpusē. Tas ir saistīts ar tā fermentatīvo aktivitāti, kas paātrina specifisko ķīmisko reakciju ātrumu.

Pielāgošana ļoti atšķirīgai videi

Kopumā mikrobu mikrobiotips ir dinamisks un neviendabīgs attiecībā uz esošo barības vielu veidu un daudzumu, kā arī to fizikāli ķīmiskajiem apstākļiem.

Ir mikrobu ekosistēmas:

• Sauszemes (uz klintīm un augsnes).
• Ūdens (okeānos, dīķos, ezeros, upēs, karstajos avotos, ūdens nesējslāņos).
• Saistīts ar augstākiem organismiem (augiem un dzīvniekiem).

Ekstremāla vide

Mikroorganismi ir sastopami praktiski katrā Zemes planētas vidē, pazīstami vai nezināmi augstākajām dzīvības formām.

Vides apstākļos, kur ir ārkārtēji apstākļi attiecībā uz temperatūru, sāļumu, pH un ūdens pieejamību (starp citiem resursiem), ir "Extremophilic" mikroorganismi. Tās lielākoties ir arhaea (vai arhebaktērijas), kas veido primāro bioloģisko domēnu, kas atšķiras no baktēriju un eukarya, ko sauc Archaea.

2. attēls. Extremophilic mikroorganismu biotopi. Pa kreisi: Karstā avota ūdens Jeloustounas nacionālajā parkā, kur pētīti termofīlie mikroorganismi (Avots: Džims Peako, Nacionālā parka dienests, izmantojot Wikimedia Commons). Labajā pusē: Antarktīda, vieta, kur pētīti psirofīlie mikroorganismi (Avots: pxhere.com).

Extremofīlie mikroorganismi

Starp plaša spektra ekstrēmofīliem mikroorganismiem ir:

• Termofili: kas nodrošina optimālu augšanu temperatūrā virs 40 ° C (termisko avotu iemītnieki).
• Psihofīli: optimāla augšana temperatūrā, kas zemāka par 20 ° C (vietās, kur ir ledus).
• Acidofīli: ar optimālu augšanu zemā pH apstākļos, tuvu 2 (skābe). Klāt skābos karstajos avotos un zemūdens vulkānu plaisās.
• Halofili: augšanai nepieciešama liela sāls (NaCl) koncentrācija (tāpat kā sālījumos).
• Kserofili: spēj izturēt sausumu, tas ir, zemu ūdens aktivitāti (tuksnešu iedzīvotāji, piemēram, Atacama Čīlē).

Vides mikrobioloģijā pielietotā molekulārā bioloģija

Mikrobu izolācija un kultūra

Lai izpētītu mikroorganisma vispārējās īpašības un metabolisma spējas, tam jābūt: izolētam no dabiskās vides un laboratorijā turot tīrā kultūrā (bez citiem mikroorganismiem).

3. attēls. Mikrobu izolācija laboratorijā. Pa kreisi: pavedienveida sēnes, kas aug uz cietas barotnes (Avots: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-20354577). Pa labi: baktēriju celma izolēšana ar izsmelšanas sēšanas metodi (Avots: Drhx, no Wikimedia Commons).

Tikai 1% dabā esošo mikroorganismu ir izolēti un kultivēti laboratorijā. Tas ir saistīts ar zināšanu trūkumu par viņu īpašajām uzturvērtības prasībām un grūtībām simulēt esošo vides apstākļu daudzveidību.

Molekulārās bioloģijas rīki

Molekulārās bioloģijas metožu pielietojums mikrobu ekoloģijas jomā ļāva izpētīt esošo mikrobu bioloģisko daudzveidību, neizmantojot to izolāciju un kultivēšanu laboratorijā. Tas pat ļāva identificēt mikroorganismus to dabiskajos mikrobiotopos, tas ir, in situ.

Tas ir īpaši svarīgi, pētot ekstrēmofīlos mikroorganismus, kuru optimālos augšanas apstākļus ir sarežģīti modelēt laboratorijā.

No otras puses, rekombinantās DNS tehnoloģija, izmantojot ģenētiski modificētus mikroorganismus, ir ļāvusi bioloģiskās sanācijas procesos no apkārtējās vides izvadīt piesārņojošas vielas.

Vides mikrobioloģijas studiju virzieni

Kā sākotnēji norādīts, dažādās vides mikrobioloģijas izpētes jomās ietilpst mikrobu ekoloģijas, ģeomikrobioloģijas un bioremediācijas disciplīnas.

-Mikrobu ekoloģija

Mikrobu ekoloģija apvieno mikrobioloģiju ar ekoloģijas teoriju, izpētot mikrobu funkcionālo lomu daudzveidību to dabiskajā vidē.

Mikroorganismi pārstāv lielāko biomasu uz Zemes, tāpēc nav pārsteidzoši, ka to ekoloģiskās funkcijas vai lomas ietekmē ekosistēmu ekoloģisko vēsturi.

Šīs ietekmes piemērs ir aerobo dzīvības formu parādīšanās, pateicoties skābekļa (O ₂ ) uzkrāšanai primitīvajā atmosfērā, ko rada zilaļģu fotosintētiskā aktivitāte.

Mikrobu ekoloģijas pētniecības virzieni

Mikrobu ekoloģija ir transversāla visām pārējām mikrobioloģijas disciplīnām un pētījumiem:

• Mikrobu daudzveidība un tās evolūcijas vēsture.
• Mijiedarbība starp mikroorganismiem populācijā un starp sabiedrības kopienām.
• Mikroorganismu un augu mijiedarbība.
• Fitopatogēni (baktēriju, sēnīšu un vīrusu).
• Mikroorganismu un dzīvnieku mijiedarbība.
• Mikrobu kopienas, to sastāvs un pēctecības procesi.
• Mikrobu pielāgošanās vides apstākļiem.
• Mikrobu dzīvotņu veidi (atmosfēras ekosfēra, hidroekosfēra, litoekosfēra un ekstremālie biotopi).

-Geomikrobioloģija

Ģeomikrobioloģija pēta mikrobu aktivitātes, kas ietekmē sauszemes ģeoloģiskos un ģeoķīmiskos procesus (bioģeoķīmiskos ciklus).

Tie rodas atmosfērā, hidrosfērā un ģeosfērā, īpaši tādās vidēs kā nesenie nogulumi, gruntsūdens tilpnes, kas nonāk saskarē ar nogulumiežu un nezināmajiem iežiem, kā arī laikapstākļos ar atdziļotu zemes garozu.

Tas specializējas mikroorganismos, kas mijiedarbojas ar minerāliem savā vidē, cita starpā izšķīdinot, pārveidojot un izgulsnējot tos.

Ģeomikrobioloģijas pētījumu jomas

Ģeomikrobioloģijas pētījumi:

• Mikrobu mijiedarbība ar ģeoloģiskajiem procesiem (augsnes veidošanās, iežu sadalīšanās, minerālu un fosilā kurināmā sintēze un sadalīšanās).
• Mikrobu izcelsmes minerālu veidošanās vai nu ar nokrišņiem, vai izšķīdinot ekosistēmā (piemēram, ūdens nesējslāņos).
• Mikrobu iejaukšanās ģeosfēras bioģeoķīmiskajos ciklos.
• Mikrobu mijiedarbība, kas veido nevēlamu mikroorganismu salipumus uz virsmas (biopārklājums). Šī biopārklāšana var izraisīt to apdzīvoto virsmu pasliktināšanos. Piemēram, tie var korozēt metāla virsmas (biokorozija).
• Fosilie pierādījumi par mikroorganismu un minerālu mijiedarbību no to primitīvās vides.

Piemēram, stromatolīti ir stratificētas fosilās minerālu struktūras no seklajiem ūdeņiem. Tos veido karbonāti no primitīvo zilaļģu sienām.

4. attēls kreisajā pusē: fosilie stromatolīti seklajā ūdenī (kreisās foto avots: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Pa labi: informācija par stromatolītiem (Labais foto avots: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediācija

Biorehabilitācija pēta bioloģisko aģentu (mikroorganismu un / vai to fermentu un augu) pielietošanu augsnes un ūdens reģenerācijas procesos, kas piesārņoti ar cilvēku veselībai un videi bīstamām vielām.

5. attēls. Naftas piesārņojums Ekvadoras Amazones lietus mežos. Avots: Ekvadoras Ārlietu ministrija, izmantojot Wikimedia Commons

Daudzas pašreizējās vides problēmas var atrisināt, izmantojot globālās ekosistēmas mikrobu komponentu.

Bioremedicācijas pētījumu virzieni

Biorehabilitācijas pētījumi:

• Mikrobu metabolisma spējas, kas izmantojamas vides sanitārijas procesos.
• Mikrobu mijiedarbība ar neorganiskiem un ksenobiotiskiem piesārņotājiem (toksiski sintētiski izstrādājumi, kas nav radušies dabiskos biosintētiskos procesos). Starp visvairāk izpētītajiem ksenobiotiskajiem savienojumiem var minēt halogēnogļūdeņražus, nitroaromātiskos savienojumus, polihlorbifenilus, dioksīnus, alkilbenzilsulfonātus, naftas ogļūdeņražus un pesticīdus. Starp visvairāk pētītajiem neorganiskajiem elementiem ir smagie metāli.
• Vides piesārņotāju bioloģiskā noārdīšanās in situ un laboratorijā.

Vides mikrobioloģijas pielietojumi

Starp daudzajiem šīs plašās zinātnes pielietojumiem mēs varam minēt:

• Jaunu mikrobu metabolisma ceļu atklāšana ar potenciālu pielietojumu procesos ar komerciālu vērtību.
• Mikrobu filoģenētisko attiecību rekonstrukcija.
• Ūdens nesējslāņu un dzeramā ūdens krājumu analīze.
• Vidējā vidē esošo metālu izšķīšana vai izskalošanās (bioizliešana) to reģenerācijai.
• Smago metālu biohidrometalurģija vai biominēšana piesārņoto teritoriju biorehabilitācijas procesos.
• Pazemes pazemes ūdens nesējslāņos izšķīdinātu radioaktīvo atkritumu konteineru biokorozijā iesaistīto mikroorganismu biokontrole.
• Primitīvās sauszemes vēstures, pils apkārtējās vides un primitīvo dzīvības formu rekonstrukcija.
• Noderīgu modeļu izveidošana fosilizētas dzīves meklējumos uz citām planētām, piemēram, Marsa.
• Ar ksenobiotiskām vai neorganiskām vielām, piemēram, smagajiem metāliem, piesārņoto vietu sanitārija.

Atsauces

1. Ehrlich, HL un Newman, DK (2009). Ģeomikrobioloģija. Piektais izdevums, CRC Press. 630. lpp.
2. Maliks, A. (2004). Metāla bioremediācija caur augošām šūnām. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. Makkinijs, RE (2004). Vides piesārņojuma kontroles mikrobioloģija. M. Dekkers. 453. lpp.
4. Preskots, LM (2002). Mikrobioloģija. Piektais izdevums, McGraw-Hill Science / Engineering / Matemātika. 1147. lpp.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremofili kā jaunu enzīmu avots. Pašreizējais atzinums mikrobioloģijā, 6. (3), 213. – 218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Vilsons, SC un Džounss, KC (1993). Ar daudzkārtņu aromātiskajiem ogļūdeņražiem (PAH) piesārņotās augsnes biorehabilitācija: pārskats. Vides piesārņojums, 81 (3), 229. – 249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.