МИКРОБИОЛОГИЈА ЖИВОТНЕ СРЕДИНЕ: ПРЕДМЕТ ПРОУЧАВАЊА И ПРИМЕНА - БИОЛОГИЈА - 2025

Микробиологија животне средине је наука која студије разноврсност и функција микроорганизама у њиховим природним срединама и примене њихових метаболизма могућности у биоремедијацију контаминираног земљишта и воде. Обично се дели на дисциплине: микробна екологија, геомикробиологија и биоремедијација.

Микробиологија (микрос: мали, биос: живот, логотипи: студија), интердисциплинарно проучава широку и разнолику групу микроскопских једноћелијских организама (од 1 до 30 µм), видљивих само оптичким микроскопом (невидљив људском оку) ).

Слика 1. Са леве стране: оптички микроскоп, инструмент који омогућава преглед микроорганизама под повећањем (Извор: хттпс://пкхере.цом/ес/пхото/1192464). Десно: електронска микрографија широко распрострањених бактерија из рода Псеудомонас (Написао: ЦДЦ, Љубав: Библиотека слика јавног здравља).

Организми групирани у области микробиологије различити су у многим важним аспектима и припадају врло различитим таксономским категоријама. Постоје као изоловане или придружене ћелије и могу бити:

• Главни прокариоти (једноћелијски организми без дефинисаног језгра), попут еубактерија и архебактерија.
• Једноставни еукариоти (једноћелијски организми са дефинисаним језгром), као што су квасци, нитасте гљивице, микроалге и протозоје.
• Вируси (који нису ћелијски, али су микроскопски).

Микроорганизми су способни да спроведу све своје виталне процесе (раст, метаболизам, стварање и репродукцију енергије), независно од осталих ћелија исте или различите класе.

Одговарајуће карактеристике микроба

Интеракција са спољним окружењем

Слободно живи једноћелијски организми су посебно изложени спољашњем окружењу. Поред тога, имају и веома малу величину ћелије (што утиче на њихову морфологију и метаболичку флексибилност), као и висок однос површина / запремина, што ствара обимне интеракције са њиховим окружењем.

Због тога и преживљавање и микробна еколошка дистрибуција зависе од његове способности за физиолошку прилагодбу на честе варијације околине.

Метаболизам

Високи однос површина / запремина ствара високе стопе метаболизма микроба. Ово је повезано са брзом стопом раста и дељењем ћелија. Поред тога, у природи постоји широка микробна метаболичка разноликост.

Микроорганизми се могу сматрати хемијским машинама, које трансформишу различите материје и извана и изнутра. То је због његове ензимске активности, која убрзава стопе специфичних хемијских реакција.

Прилагођавање веома различитим окружењима

Опћенито, микробиота станишта је динамична и хетерогена с обзиром на врсту и количину хранљивих састојака, као и на њихове физичко-хемијске услове.

Постоје микробни екосистеми:

• Земаљска (на стијенама и земљишту).
• Водени (у океанима, барама, језерима, рекама, врелима, водоносницима).
• Повезује се с вишим организмима (биљкама и животињама).

Екстремна окружења

Микроорганизми се налазе у скоро свим срединама на планети Земљи, познатим или не високим животним облицима.

Окружење са екстремним условима у погледу температуре, сланости, пХ и расположивости воде (између осталих ресурса) представљају „екстремнофилне“ микроорганизме. То су углавном археје (или архебактерије), које творе примарни биолошки домен различит од бактерија и Еукарије, назван Арцхаеа.

Слика 2. Станишта екстремних микроорганизама. Лево: Врела изворска вода у Националном парку Иелловстоне, где су проучавани термофилни микроорганизми (Извор: Јим Пеацо, Служба националног парка, преко Викимедиа Цоммонс). Десно: Антарктика, место на коме су проучавани психрофилни микроорганизми (Извор: пкхере.цом).

Екстремофилни микроорганизми

Међу широким спектром екстремофилних микроорганизама спадају:

• Термофили: који имају оптималан раст на температурама изнад 40 ° Ц (становници термалних извора).
• Психрофили: оптималног раста на температурама испод 20 ° Ц (становници места са ледом).
• Ацидопхилиц: са оптималним растом у условима ниског пХ, близу 2 (киселина). Присутан у киселим врелима и подводним вулканским пукотинама.
• Халофили: захтевају високе концентрације соли (НаЦл) да би расли (као у саламури).
• Ксерофили: способни да издрже сушу, односно активност са мало воде (становници пустиња, попут Атацаме у Чилеу).

Молекуларна биологија примењена у микробиологији животне средине

Микробна изолација и култура

Да би се проучиле опште карактеристике и метаболичке способности микроорганизма, он мора бити: изолован из природног окружења и чуван у чистој култури (без других микроорганизама) у лабораторији.

Слика 3. Изолација микроба у лабораторији. Лево: влакнасте гљиве које расту на чврстом медијуму културе (Извор: хттпс://ввв.макпикел.нет/Страинс-Гровинг-Цултурес-Молд-Петри-Дисхес-2035457). Десно: изолација бактеријског соја техником избацивања исцрпљивања (Извор: Дрхк, из Викимедиа Цоммонс).

Само 1% микроорганизама који постоје у природи је изолован и узгајан у лабораторији. То је због недостатка знања о њиховим специфичним нутритивним потребама и тешкоће да се симулира велика разноликост постојећих животних услова.

Молекуларни алати за биологију

Примена техника молекуларне биологије у области микробне екологије омогућила је истраживање постојеће микробне биодиверзитета, без потребе за њеном изолацијом и узгојем у лабораторији. То је чак омогућило идентификацију микроорганизама у њиховим природним микростаништима, односно ин ситу.

Ово је посебно важно у проучавању екстремних микроорганизама, чији су оптимални услови за раст сложени за симулацију у лабораторији.

С друге стране, рекомбинантна ДНК технологија уз употребу генетски модификованих микроорганизама омогућила је елиминацију загађујућих материја из окружења у процесима биоремедијације.

Проучите подручја микробиологије животне средине

Као што је првобитно назначено, различите области проучавања микробиологије животне средине укључују дисциплине микробне екологије, геомикробиологије и биоремедијације.

-Микробна екологија

Микробна екологија спаја микробиологију са еколошком теоријом, кроз проучавање разноликости функционалних улога микроба у њиховом природном окружењу.

Микроорганизми представљају највећу биомасу на планети Земљи, тако да није чудно што њихове еколошке функције или улоге утичу на еколошку историју екосистема.

Пример овог утицаја је појава аеробних животних облика захваљујући акумулације кисеоника (О ₂ ) у примитивном атмосфери, генерише фотосинтетског активности цијанобактерије.

Истраживачка подручја микробне екологије

Микробна екологија је трансверзална за све остале дисциплине микробиологије, и студије:

• Микробна разноликост и њена еволуциона историја.
• Интеракције између микроорганизама у популацији и између популација у заједници.
• Интеракције између микроорганизама и биљака.
• Фитопатогени (бактеријски, гљивични и вирусни).
• Интеракције између микроорганизама и животиња.
• Микробне заједнице, њихов састав и процеси сукцесије.
• Прилагођавање микроба околним условима.
• Врсте микробних станишта (атмосфера-екосфера, хидроекосфера, литоекосфера и екстремна станишта).

-Геомикробиологија

Геомикробиологија проучава микробне активности које утичу на земаљске геолошке и геохемијске процесе (биогеохемијски циклуси).

Јављају се у атмосфери, хидросфери и геосфери, тачније у окружењима као што су недавни седименти, тела подземне воде у контакту са седиментним и магнетним стијенама и у истрошеној земљиној кори.

Специјализована је за микроорганизме који у интеракцији са минералима делују у свом окружењу, растварајући их, трансформишући, преципитујући, између осталог.

Геомикробиолошка истраживања

Геомикробиолошке студије:

• Микробне интеракције са геолошким процесима (формирање тла, распадање стена, синтеза и разградња минерала и фосилних горива).
• Стварање минерала микробног порекла, било таложењем или растварањем у екосистему (на пример, у водоносницима).
• Микробна интервенција у биогеохемијским циклусима геосфере.
• Микробијске интеракције које формирају нежељене накупине микроорганизама на површини (биопутање). Ове биоотпади могу проузроковати пропадање површина на којима обитавају. На пример, могу корозирати металне површине (биокорозија).
• Фосилни докази о интеракцијама микроорганизама и минерала из њиховог примитивног окружења.

На пример, строматолити су слојевите фосилне минералне структуре из плитких вода. Сачињени су од карбоната из зидова примитивних цијанобактерија.

Слика 4. Са леве стране: фосилни строматолити у плиткој води (Леви извор фотографија: хттпс://ес.википедиа.орг/вики/Арцхиво:СтроматолитхеАустралие2.јпег). Десно: детаљи строматолита (Прави извор фотографија: хттпс://ес.м.википедиа.орг/вики/Арцхиво:СтроматолитеУЛ02.ЈПГ).

-Биоремедијација

Биоремедијација проучава примену биолошких агенса (микроорганизама и / или њихових ензима и биљака), у процесима опоравка тла и воде загађених тварима опасним за здравље људи и животну средину.

Слика 5. Загађење нафтом у еквадорској прашуми Амазоније. Извор: Министарство спољних послова Еквадора, путем Викимедиа Цоммонса

Многи проблеми околине који тренутно постоје могу се решити употребом микробне компоненте глобалног екосистема.

Истраживачка подручја биоремедијације

Студије биоремедијације:

• Метаболички метаболички капацитети применљиви у процесима санације животне средине.
• Интеракција микробиома са анорганским и ксенобиотским загађивачима (токсични синтетички производи, који се не стварају природним биосинтетским процесима). Међу најгледанија ксенобиотска једињења спадају халокарбони, нитроаромати, поликлорирани бифенили, диоксини, алкилбензил сулфонати, нафтни угљоводоници и пестициди. Међу најгледаније анорганске елементе спадају тешки метали.
• Биоразградивост загађивача животне средине ин ситу и у лабораторији.

Примена микробиологије животне средине

Међу многим апликацијама ове огромне науке можемо навести:

• Откривање нових метаболичких путева са потенцијалним примјенама у процесима комерцијалне вриједности.
• Реконструкција микробних филогенетских односа.
• Анализа водоносника и јавних залиха пијаће воде
• Растварање или испирање (биолечење) метала у медијуму за њихов опоравак.
• Биохидрометалургија или биомининг тешких метала, у процесима биоремедијације контаминираних подручја.
• Биоконтрола микроорганизама који су укључени у биокорозију контејнера радиоактивног отпада растворених у подземним водоносницима.
• Реконструкција примитивне земаљске историје, палео-окружења и примитивних облика живота.
• Изградња корисних модела у потрази за фосилизованим животом на другим планетама, попут Марса.
• Санитација подручја загађених ксенобиотичким или анорганским материјама, као што су тешки метали.

Референце

1. Ехрлицх, ХЛ и Невман, ДК (2009). Геомицробиологи. Пето издање, ЦРЦ Пресс. пп 630.
2. Малик, А. (2004). Биоремедијација метала путем ћелија које расте. Енвиронмент Интернатионал, 30 (2), 261–278. дои: 10.1016 / ј.в..2003.08.001.
3. МцКиннеи, РЕ (2004). Микробиологија контроле загађења животне средине. М. Деккер. стр. 453.
4. Пресцотт, ЛМ (2002). Микробиологија. Пето издање, МцГрав-Хилл наука / инжењерство / математика. пп 1147.
5. Ван ден Бург, Б. (2003). Екстремофили као извор нових ензима. Тренутно мишљење из микробиологије, 6 (3), 213–218. дои: 10.1016 / с1369-5274 (03) 00060-2.
6. Вилсон, СЦ и Јонес, КЦ (1993). Биоремедијација тла загађеног полинуклеарним ароматичним угљоводоницима (ПАХс): Преглед. Загађење животне средине, 81 (3), 229–249. дои: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.