МИКРОБИОЛОГИЯ НА ОКОЛНАТА СРЕДА: ОБЕКТ НА ИЗСЛЕДВАНЕ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В микробиология на околната среда е науката, че проучванията разнообразието и функцията на микроорганизми в естествената им среда и приложения на техните метаболитни способности в биоремедиацията на замърсената почва и вода. Обикновено се разделя на дисциплините: микробна екология, геомикробиология и биоремедиация.

Микробиология (mikros: малък, bios: живот, логос: проучване), изследва по интердисциплинарен начин широка и разнообразна група от микроскопични едноклетъчни организми (от 1 до 30 µm), видими само чрез оптичния микроскоп (невидим за човешкото око).

Фигура 1. Вляво: оптичен микроскоп, инструмент, който ни позволява да виждаме микроорганизми под увеличение (Източник: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Вдясно: електронна микрография на широко разпространени бактерии от рода Pseudomonas (От: CDC, любезност: Библиотека с изображения на общественото здраве).

Организмите, групирани заедно в областта на микробиологията, са различни в много важни аспекти и принадлежат към много различни таксономични категории. Те съществуват като изолирани или асоциирани клетки и могат да бъдат:

• Основни прокариоти (едноклетъчни организми без определено ядро), като евбактерии и архебактерии.
• Прости еукариоти (едноклетъчни организми с определено ядро), като дрожди, нишковидни гъби, микроводорасли и протозои.
• Вируси (които не са клетъчни, но са микроскопични).

Микроорганизмите са способни да извършват всички свои жизненоважни процеси (растеж, метаболизъм, генериране и възпроизвеждане на енергия), независимо от други клетки от същия или различен клас.

Съответни характеристики на микробите

Взаимодействие с външната среда

Свободно живеещите едноклетъчни организми са особено изложени на външната среда. В допълнение, те имат както много малък размер на клетките (което се отразява на тяхната морфология и метаболитна гъвкавост), така и високо съотношение повърхност / обем, което генерира обширни взаимодействия със средата им.

Поради това както оцеляването, така и микробното екологично разпределение зависят от способността му за физиологична адаптация към честите колебания в околната среда.

метаболизъм

Високото съотношение повърхност / обем генерира високи скорости на метаболизма на микробите. Това е свързано с неговия бърз темп на растеж и делене на клетките. Освен това в природата има голямо разнообразие от микробно метаболизъм.

Микроорганизмите могат да се считат за химически машини, които трансформират различни вещества отвътре и отвън. Това се дължи на неговата ензимна активност, която ускорява скоростта на специфични химични реакции.

Адаптиране към много разнообразна среда

По принцип микробният микробибитат е динамичен и разнороден по отношение на вида и количеството на хранителните вещества, които са налични, както и техните физикохимични условия.

Има микробни екосистеми:

• Земно (по скали и почва).
• Водни (в океани, езера, езера, реки, горещи извори, водоносни хоризонти).
• Свързан с висши организми (растения и животни).

Екстремни среди

Микроорганизмите се намират в практически всяка среда на планетата Земя, позната или не на по-високи форми на живот.

Околна среда с екстремни условия по отношение на температура, соленост, pH и наличност на вода (сред другите ресурси), представлява „екстремофилни“ микроорганизми. Те са най-вече археи (или архебактерии), които формират първичен биологичен домен, диференциран от този на бактерии и еукария, наречен архея.

Фигура 2. Местообитания на екстремофилните микроорганизми. Отляво: гореща изворна вода в Националния парк Йелоустоун, където са изследвани термофилни микроорганизми (Източник: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). Вдясно: Антарктида, място, където са изследвани психрофилни микроорганизми (Източник: pxhere.com).

Екстремофилни микроорганизми

Сред голямото разнообразие от екстремофилни микроорганизми са:

• Термофили: които представят оптимален растеж при температури над 40 ° C (обитатели на термални извори).
• Психрофили: с оптимален растеж при температури под 20 ° C (жители на места с лед).
• Ацидофилен: с оптимален растеж при условия на ниско рН, близо до 2 (киселинен). Присъства в кисели горещи извори и подводни вулканични пукнатини.
• Халофили: изискващи високи концентрации на сол (NaCl), за да растат (както при саламури).
• Ксерофили: способни да издържат на суша, тоест ниска водна активност (жители на пустини като Атакама в Чили).

Молекулярна биология, прилагана към микробиологията на околната среда

Микробна изолация и култура

За да се проучат общите характеристики и метаболитните способности на микроорганизма, той трябва да бъде: изолиран от естествената му среда и да се съхранява в чиста култура (без други микроорганизми) в лабораторията.

Фигура 3. Микробиална изолация в лабораторията. Отляво: нишковидни гъбички, растящи върху твърда културална среда (Източник: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Вдясно: изолиране на бактериален щам чрез техниката на засяване на изчерпване (Източник: Drhx, от Wikimedia Commons).

В лабораторията са изолирани и култивирани само 1% от съществуващите в природата микроорганизми. Това се дължи на липсата на познания за техните специфични хранителни нужди и на трудността да се симулира огромното разнообразие от съществуващи условия на околната среда.

Инструменти за молекулярна биология

Прилагането на техниките на молекулярната биология в областта на микробната екология даде възможност да се изследва съществуващото микробно биоразнообразие, без да е необходимо неговото изолиране и отглеждане в лабораторията. Той дори даде възможност да се идентифицират микроорганизмите в техните естествени микрообитания, тоест in situ.

Това е особено важно при изследването на екстремофилни микроорганизми, чиито оптимални условия на растеж са сложни за симулиране в лабораторията.

От друга страна, рекомбинантната ДНК технология с използването на генетично модифицирани микроорганизми позволи елиминирането на замърсяващи вещества от околната среда в процесите на биоремедиация.

Проучете области на микробиологията на околната среда

Както беше посочено първоначално, различните области на изучаване на микробиологията на околната среда включват дисциплините микробна екология, геомикробиология и биоремедиация.

-Микробна екология

Микробната екология свързва микробиологията с екологична теория, чрез изучаване на разнообразието от функционални роли на микробите в тяхната естествена среда.

Микроорганизмите представляват най-голямата биомаса на планетата Земя, така че не е изненадващо, че техните екологични функции или роля оказват влияние върху екологичната история на екосистемите.

Пример за това влияние е появата на аеробни форми на живот благодарение на натрупването на кислород (O ₂) в примитивната атмосфера, генерирана от фотосинтетичната активност на цианобактериите.

Изследователски области на микробната екология

Микробната екология е напречна за всички останали дисциплини на микробиологията и изследвания:

• Микробно разнообразие и неговата еволюционна история.
• Взаимодействия между микроорганизми в популация и между популации в общност.
• Взаимодействия между микроорганизми и растения.
• Фитопатогени (бактериални, гъбични и вирусни).
• Взаимодействия между микроорганизми и животни.
• Микробните общности, техният състав и процесите на наследяване.
• Микробни адаптации към условията на околната среда.
• Видовете микробни местообитания (атмосфера-екосфера, хидроекосфера, литоекосфера и екстремни местообитания).

-Geomicrobiology

Геомикробиологията изучава микробните дейности, които засягат земните геоложки и геохимични процеси (биогеохимични цикли).

Те се срещат в атмосферата, хидросферата и геосферата, по-специално в среда като скорошни утайки, тела на подземни води в контакт с утаечни и магматични скали и в изветрялата земна кора.

Тя е специализирана в микроорганизми, които взаимодействат с минералите в тяхната среда, като ги разтварят, трансформират, утаяват, наред с други.

Геомикробиологични изследвания

Геомикробиологични изследвания:

• Микробни взаимодействия с геоложки процеси (почвообразуване, разпадане на скали, синтез и разграждане на минерали и изкопаеми горива).
• Образуването на минерали с микробен произход или чрез утаяване, или чрез разтваряне в екосистемата (например във водоносни хоризонти).
• Микробна намеса в биогеохимични цикли на геосферата.
• Микробни взаимодействия, които образуват нежелани струпвания от микроорганизми на повърхността (биофаулинг). Тези биообработка могат да причинят влошаване на повърхностите, които обитават. Например, те могат да корозират метални повърхности (биокорозия).
• Изкопаеми доказателства за взаимодействия между микроорганизми и минерали от тяхната примитивна среда.

Например, строматолитите са стратифицирани изкопаеми минерални структури от плитки води. Те са изградени от карбонати от стените на примитивните цианобактерии.

Фигура 4. Отляво: изкопаеми строматолити в плитка вода (Ляв източник на снимки: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Вдясно: подробности за строматолитите (Правилен източник на снимки:

-Bioremediation

Биоремедиацията изучава приложението на биологични агенти (микроорганизми и / или техните ензими и растения) в процеси на възстановяване на почви и вода, замърсени с вещества, опасни за човешкото здраве и околната среда.

Фигура 5. Замърсяване с нефт в еквадорската тропическа гора на Амазонка. Източник: Министерство на външните работи на Еквадор, чрез Wikimedia Commons

Много от съществуващите в момента екологични проблеми могат да бъдат решени с използването на микробния компонент на глобалната екосистема.

Изследователски области на биоремедиацията

Биоремедиационни изследвания:

• Микробните метаболитни способности, приложими в процесите на санитарна среда.
• Микробни взаимодействия с неорганични и ксенобиотични замърсители (токсични синтетични продукти, не генерирани от естествени биосинтетични процеси). Сред най-изследваните ксенобиотични съединения са халокарбони, нитроароматични, полихлорирани бифенили, диоксини, алкилбензил сулфонати, петролни въглеводороди и пестициди. Сред най-проучените неорганични елементи са тежките метали.
• Биоразградимостта на замърсители на околната среда in situ и в лабораторията.

Приложения на микробиологията на околната среда

Сред многото приложения на тази огромна наука можем да посочим:

• Откриването на нови микробни метаболитни пътища с потенциални приложения в процеси с търговска стойност.
• Реконструкция на микробни филогенетични връзки.
• Анализът на водоносни хоризонти и обществени запаси за питейна вода.
• Разтваряне или излугване (биолекиране) на метали в средата, за тяхното възстановяване.
• Биохидрометалургия или биоминиране на тежки метали в процеси на биоремедиация на замърсени райони.
• Биоконтрол на микроорганизми, участващи в биокорозията на контейнери с радиоактивни отпадъци, разтворени в подземни водоносни хоризонти.
• Реконструкция на примитивната земна история, палеоекологията и примитивните форми на живот.
• Изграждане на полезни модели в търсенето на вкаменен живот на други планети, като Марс.
• Саниране на зони, замърсени с ксенобиотични или неорганични вещества, като тежки метали.

Препратки

1. Ehrlich, HL и Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Пето издание, CRC Press. стр. 630.
2. Малик, А. (2004). Метална биоремедиация чрез растящи клетки. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Микробиология за контрол на замърсяването на околната среда. М. Декер. стр. 453.
4. Прескот, LM (2002). Микробиология. Пето издание, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. стр. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Екстремофилите като източник на нови ензими. Настоящо мнение по микробиология, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC и Jones, KC (1993). Биоремедиация на почвата, замърсена с полиядрени ароматни въглеводороди (PAHs): Преглед. Замърсяване на околната среда, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.