Milieu-microbiologie object van studie en toepassingen



de omgevingsmicrobiologie is de wetenschap die de diversiteit en functie van micro-organismen in hun natuurlijke omgeving bestudeert en de toepassingen van hun metabolische capaciteiten in bioremediatieprocessen van verontreinigde grond en water. Het is meestal verdeeld in de disciplines: microbiële ecologie, geomicrobiologie en bioremediatie.

Microbiologie (mikros: klein, bios: leven, logo's: studie), studies op een interdisciplinaire manier een brede en diverse groep van eencellige microscopische organismen (van 1 tot 30 μm), alleen zichtbaar via de optische microscoop (onzichtbaar voor het menselijk oog).

De organismen gegroepeerd in het veld van de microbiologie zijn ongelijk in veel belangrijke aspecten en behoren tot zeer verschillende taxonomische categorieën. Ze bestaan ​​als geïsoleerde of geassocieerde cellen en kunnen zijn:

  • Belangrijkste prokaryoten (eencellige organismen zonder een gedefinieerde kern), zoals eubacteriën en archaebacteria.
  • Eenvoudige eukaryoten (eencellige organismen met een gedefinieerde kern), zoals gisten, filamenteuze schimmels, microalgen en protozoa.
  • Virussen (die niet cellulair maar microscopisch zijn).

Micro-organismen zijn in staat al hun vitale processen (groei, metabolisme, opwekking van energie en reproductie) uit te voeren, onafhankelijk van andere cellen van dezelfde klasse of verschillend.

index

  • 1 Relevante microbiële kenmerken
    • 1.1 Interactie met de externe omgeving
    • 1.2 Metabolisme
    • 1.3 Aanpassing aan zeer diverse omgevingen
    • 1.4 Extreme omgevingen
    • 1.5 Extremofiele micro-organismen
  • 2 Moleculaire biologie toegepast op omgevingsmicrobiologie
    • 2.1 Isolatie en microbiële cultuur
    • 2.2 Hulpmiddelen voor moleculaire biologie
  • 3 Studiegebieden van microbiologie in de omgeving
    • 3.1 - Microbiële ecologie
    • 3.2 - Geomicrobiologie
    • 3.3 -Bioremediëring
  • 4 Toepassingen van omgevingsmicrobiologie
  • 5 Referenties

Relevante microbiële kenmerken

Interactie met de externe omgeving

De eencellige organismen van het vrije leven worden in het bijzonder blootgesteld aan de externe omgeving. Bovendien hebben ze zowel een zeer kleine celgrootte (die hun morfologie en metabole flexibiliteit beïnvloedt), en een hoge oppervlakte / volume-verhouding, die uitgebreide interacties met hun omgeving genereert..

Hierdoor zijn zowel de overleving als de microbiële ecologische distributie afhankelijk van hun vermogen om zich fysiologisch aan te passen aan frequente milieuvariaties.

metabolisme

De hoge oppervlakte / volume-verhouding genereert hoge microbiële stofwisselingssnelheden. Dit hangt samen met de snelle groeisnelheid en celdeling. Daarnaast is er een brede microbiële metabole diversiteit in de natuur.

Micro-organismen kunnen worden beschouwd als chemische machines, die verschillende stoffen zowel binnen als buiten transformeren. Dit komt door de enzymatische activiteit, die de snelheden van specifieke chemische reacties versnelt.

Aanpassing aan zeer diverse omgevingen

In het algemeen is de microbiële microbiële habitat dynamisch en heterogeen met betrekking tot het type en de hoeveelheid aanwezige voedingsstoffen, evenals de fysisch-chemische omstandigheden.

Er zijn microbiële ecosystemen:

  • Terrestrisch (in rotsen en grond).
  • Water (in oceanen, vijvers, meren, rivieren, warmwaterbronnen, aquifers).
  • Geassocieerd met hogere organismen (planten en dieren).

Extreme omgevingen

Micro-organismen worden gevonden in vrijwel alle omgevingen op planeet Aarde, al dan niet bekend bij hogere levensvormen.

Omgevingen met extreme omstandigheden met betrekking tot temperatuur, zoutgehalte, pH en beschikbaarheid van water (naast andere bronnen), presenteren "extremofiele" micro-organismen. Dit zijn meestal archaea (of archaebacteria), die een primair biologisch domein vormen dat is gedifferentieerd van Bacteria en Eukarya, Archaea genaamd..

Extremofiele micro-organismen

Onder de grote verscheidenheid aan extremofiele micro-organismen, zijn:

  • Thermofielen: die een optimale groei bij temperaturen van meer dan 40 ° C (inwoners van thermische bronnen) bieden.
  • Psychofiel: optimale groei bij temperaturen onder 20 ° C (inwoners van plaatsen met ijs).
  • Acidófilos: optimale groei bij lage pH-waarden, dichtbij 2 (zuur). Aanwezig in zure thermale wateren en onderwater vulkanische scheuren.
  • Halofielen: waarvoor hoge concentraties zout (NaCl) nodig zijn om te groeien (zoals in brines).
  • Xerofielen: in staat om droogte te weerstaan, dat wil zeggen, lage wateractiviteit (inwoners van woestijnen zoals Atacama in Chili).

Moleculaire biologie toegepast op omgevingsmicrobiologie

Isolatie en microbiële cultuur

Om de algemene kenmerken en metabole capaciteiten van een micro-organisme te bestuderen, moet het zijn: geïsoleerd van zijn natuurlijke omgeving en in zuivere kweek (vrij van andere micro-organismen) in het laboratorium worden gehouden.

Slechts 1% van de micro-organismen die in de natuur voorkomen, is geïsoleerd en gekweekt in het laboratorium. Dit is te wijten aan de onwetendheid van hun specifieke voedingsbehoeften en de moeilijkheid om de enorme verscheidenheid aan bestaande omgevingsomstandigheden te simuleren.

Moleculaire biologiehulpmiddelen

De toepassing van moleculaire biologische technieken op het gebied van microbiële ecologie heeft ons in staat gesteld om de bestaande microbiële biodiversiteit te onderzoeken, zonder de noodzaak van isolatie en cultuur in het laboratorium. Het heeft zelfs toegestaan ​​om micro-organismen in hun natuurlijke microhabitats te identificeren, dat wil zeggen, in situ.

Dit is vooral belangrijk bij de studie van extremofiele micro-organismen, waarvan de optimale groeiomstandigheden complex zijn om in het laboratorium te simuleren.

Aan de andere kant heeft de technologie van recombinant DNA met het gebruik van genetisch gemodificeerde micro-organismen de eliminatie van verontreinigende stoffen uit de omgeving in bioremediatieprocessen mogelijk gemaakt..

Studiegebieden van microbiologie in de omgeving

Zoals aanvankelijk aangegeven, omvatten de verschillende studiegebieden van de microbiologie van het milieu de disciplines microbiële ecologie, geomicrobiologie en bioremediatie..

-Microbiële ecologie

Microbiële ecologie combineert microbiologie met ecologische theorie, door de studie van de diversiteit van microbiële functionele rollen in hun natuurlijke omgeving.

Micro-organismen vertegenwoordigen de grootste biomassa op aarde, dus het is niet verwonderlijk dat hun rollen of ecologische rollen de ecologische geschiedenis van ecosystemen beïnvloeden.

Een voorbeeld van deze invloed is het verschijnen van aerobe levensvormen dankzij de ophoping van zuurstof (OR2) in de primitieve atmosfeer, gegenereerd door de fotosynthetische activiteit van de cyanobacteriën.

Onderzoeksgebieden van microbiële ecologie

De microbiële ecologie is transversaal voor alle andere disciplines van de microbiologie en studies:

  • Microbiële diversiteit en zijn evolutionaire geschiedenis.
  • De interacties tussen micro-organismen van een populatie en tussen populaties in een gemeenschap.
  • De interacties tussen micro-organismen en planten.
  • Fytopathogenen (bacterieel, schimmel en viraal).
  • De interacties tussen micro-organismen en dieren.
  • Microbiële gemeenschappen, hun samenstelling en opvolgingsprocessen.
  • Microbiële aanpassingen aan omgevingscondities.
  • De soorten microbiële habitats (atmo-ecosphere, hydro-ecosphere, litho-ecosphere en extreme habitats).

-geomicrobiologie

Geomicrobiologie bestudeert de microbiële activiteiten die van invloed zijn op geologische en geochemische (terrestrische biogeochemische cycli) processen.

Deze komen voor in de atmosfeer, hydrosfeer en geosfeer, met name in omgevingen zoals recente sedimenten, lichamen van grondwater in contact met sedimentaire en stollingsgesteenten en in de verweerde aardkorst..

Het is gespecialiseerd in micro-organismen die interageren met mineralen in hun omgeving, ze oplossen, transformeren, onder andere versnellen..

Onderzoeksterreinen van de geomicrobiologie

Geomicrobiologische studies:

  • Microbiële interacties met geologische processen (bodemvorming, steenbreuk, synthese en afbraak van mineralen en fossiele brandstoffen).
  • De vorming van mineralen van microbiële oorsprong, hetzij door neerslag of door ontbinding in het ecosysteem (bijvoorbeeld in watervoerende lagen).
  • Microbiële interventie in biogeochemische cycli van de geosfeer.
  • Microbiële interacties die ongewenste klonten van micro-organismen op een oppervlak vormen (biofouling). Deze biofouling kan verslechtering van de oppervlakken veroorzaken die ze bewonen. Ze kunnen bijvoorbeeld metalen oppervlakken corroderen (biocorrosie).
  • Fossiel bewijs van interacties tussen micro-organismen en mineralen in hun primitieve omgeving.

Stromatolieten zijn bijvoorbeeld gestratificeerde fossiele minerale structuren van ondiep water. Ze worden gevormd door carbonaten, afkomstig van de muren van primitieve cyanobacteriën.

-bioremediatie

Bioremediatie bestudeert de toepassing van biologische agentia (micro-organismen en / of hun enzymen en planten), in bodem- en waterterugwinningsprocessen verontreinigd met stoffen die gevaarlijk zijn voor de menselijke gezondheid en het milieu.

Veel van de bestaande milieuproblemen kunnen worden opgelost met behulp van de microbiële component van het wereldwijde ecosysteem.

Onderzoeksgebieden van bioremediatie

Bioremediatiestudies:

  • De microbiële metabolische capaciteiten die van toepassing zijn in processen van milieusanering.
  • Microbiële interacties met anorganische en xenobiotische contaminanten (toxische synthetische producten, niet gegenereerd door natuurlijke biosynthetische processen). Tot de best bestudeerde xenobiotische verbindingen behoren halogeenkoolwaterstoffen, nitroaromaten, polychloorbifenylen, dioxines, alkylbenzylsulfonaten, petroleumkoolwaterstoffen en pesticiden. Van de meest bestudeerde anorganische elementen worden zware metalen aangetroffen.
  • De biologische afbreekbaarheid van milieuverontreinigende stoffen in situ en in het laboratorium.

Toepassingen van omgevingsmicrobiologie

Onder de veelvoudige toepassingen van deze enorme wetenschap, kunnen wij vermelden:

  • De ontdekking van nieuwe microbiële metabole routes met potentiële toepassingen in processen van commerciële waarde.
  • De reconstructie van microbiële fylogenetische relaties.
  • Analyse van watervoerende lagen en openbare drinkwatervoorzieningen.
  • Oplossen of uitlogen (bioleaching) van metalen in het medium, voor herstel.
  • Biohydrometallurgie of biomechanica van zware metalen, in bioremediatieprocessen van besmette gebieden.
  • Biocontrole van micro-organismen die betrokken zijn bij de biocorrosie van containers met radioactief afval opgelost in ondergrondse watervoerende lagen.
  • Reconstructie van de primitieve aardse geschiedenis, de paleomilieu en de primitieve vormen van het leven.
  • Constructie van bruikbare modellen in het zoeken naar gefossiliseerd leven op andere planeten, zoals Mars.
  • Sanering van gebieden die zijn verontreinigd met xenobiotische of anorganische stoffen, zoals zware metalen.

referenties

  1. Ehrlich, H. L. en Newman, D.K. (2009). Geomicrobiologie. Vijfde editie, CRC Press. pp 630.
  2. Malik, A. (2004). Metaalbioremediatie door groeiende cellen. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
  3. McKinney, R. E. (2004). Environmental Pollution Control Microbiology. M. Dekker pp 453.
  4. Prescott, L. M. (2002). Microbiology. Vijfde editie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. blz. 1147.
  5. Van den Burg, B. (2003). Extremofielen als bron voor nieuwe enzymen. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  6. Wilson, S.C. en Jones, K.C. (1993). Bioremediatie van bodem verontreinigd met polynucleaire aromatische koolwaterstoffen (PAK's): een evaluatie. Milieuverontreiniging, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.