ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ: ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Environmental Microbiology это наука , которая изучает разнообразие и функционирование микроорганизмов в их естественной среде и применении их метаболических возможностей в биоремедиации загрязненных почв и воды. Обычно его делят на дисциплины: микробная экология, геомикробиология и биоремедиация.

Микробиология (mikros: small, bios: life, logos: study) изучает на междисциплинарном уровне широкую и разнообразную группу микроскопических одноклеточных организмов (от 1 до 30 мкм), видимых только в оптический микроскоп (невидимых для человеческого глаза. ).

Рис. 1. Слева: оптический микроскоп, прибор, позволяющий рассматривать микроорганизмы под увеличением (источник: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Справа: электронная микрофотография широко распространенных бактерий рода Pseudomonas (Автор: CDC, любезно предоставлен библиотекой изображений общественного здравоохранения).

Организмы, сгруппированные вместе в области микробиологии, отличаются во многих важных отношениях и принадлежат к очень разным таксономическим категориям. Они существуют как изолированные или связанные клетки и могут быть:

• Основные прокариоты (одноклеточные организмы без определенного ядра), такие как эубактерии и архебактерии.
• Простые эукариоты (одноклеточные организмы с определенным ядром), такие как дрожжи, нитчатые грибы, микроводоросли и простейшие.
• Вирусы (не клеточные, а микроскопические).

Микроорганизмы способны осуществлять все свои жизненные процессы (рост, обмен веществ, выработку энергии и размножение) независимо от других клеток того же или другого класса.

Соответствующие микробные характеристики

Взаимодействие с внешней средой

Свободноживущие одноклеточные организмы особенно подвержены воздействию внешней среды. Кроме того, они имеют как очень маленький размер клеток (что влияет на их морфологию и метаболическую гибкость), так и высокое соотношение поверхность / объем, что вызывает обширные взаимодействия с окружающей их средой.

В связи с этим выживание и экологическое распределение микробов зависят от их способности к физиологической адаптации к частым изменениям окружающей среды.

метаболизм

Высокое соотношение поверхность / объем способствует высокой скорости метаболизма микробов. Это связано с его быстрой скоростью роста и деления клеток. Кроме того, в природе существует большое разнообразие метаболических микробов.

Микроорганизмы можно рассматривать как химические машины, которые трансформируют различные вещества как внутри, так и снаружи. Это связано с его ферментативной активностью, которая ускоряет определенные химические реакции.

Адаптация к очень разнообразной среде

В целом микробная среда обитания динамична и неоднородна в отношении типа и количества присутствующих питательных веществ, а также их физико-химических условий.

Существуют микробные экосистемы:

• Наземный (на камнях и почве).
• Водный (в океанах, прудах, озерах, реках, горячих источниках, водоносных горизонтах).
• Связан с высшими организмами (растениями и животными).

Экстремальные условия

Микроорганизмы встречаются практически в любой среде на планете Земля, знакомой или нет высшим формам жизни.

Окружающая среда с экстремальными условиями в отношении температуры, солености, pH и доступности воды (среди других ресурсов) представляет собой «экстремофильные» микроорганизмы. Как правило, это в основном археи (или архебактерии), которые образуют первичный биологический домен, отличающийся от такового у бактерий и эукарий, который называется архей.

Рисунок 2. Среда обитания экстремофильных микроорганизмов. Слева: вода из горячего источника в Йеллоустонском национальном парке, где были изучены термофильные микроорганизмы (Источник: Джим Пико, Служба национальных парков, через Wikimedia Commons). Справа: Антарктида, место, где изучались психрофильные микроорганизмы (Источник: pxhere.com).

Экстремофильные микроорганизмы

Среди большого разнообразия экстремофильных микроорганизмов можно выделить:

• Термофилы: оптимально развиваются при температуре выше 40 ° C (обитатели термальных источников).
• Психрофилы: оптимального роста при температуре ниже 20 ° C (обитатели мест со льдом).
• Ацидофильный: с оптимальным ростом в условиях низкого pH, близкого к 2 (кислотный). Присутствует в кислых горячих источниках и подводных вулканических трещинах.
• Галофилы: для роста требуются высокие концентрации соли (NaCl) (как в рассолах).
• Ксерофилы: способны противостоять засухе, то есть низкой активности воды (обитатели пустынь, таких как Атакама в Чили).

Молекулярная биология в применении к микробиологии окружающей среды

Микробная изоляция и посев

Чтобы изучить общие характеристики и метаболические возможности микроорганизма, его необходимо изолировать от естественной среды и хранить в чистой культуре (без других микроорганизмов) в лаборатории.

Рисунок 3. Изоляция микробов в лаборатории. Слева: нитчатые грибы, растущие на твердой питательной среде (Источник: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Справа: выделение бактериального штамма методом истощающего посева (Источник: Drhx, из Wikimedia Commons).

Только 1% существующих в природе микроорганизмов был выделен и культивирован в лаборатории. Это происходит из-за отсутствия знаний об их конкретных пищевых потребностях и сложности моделирования огромного разнообразия существующих условий окружающей среды.

Инструменты молекулярной биологии

Применение методов молекулярной биологии в области микробной экологии позволило изучить существующее микробное биоразнообразие без необходимости его изоляции и культивирования в лаборатории. Это даже позволило идентифицировать микроорганизмы в их естественных микробиологических средах обитания, то есть in situ.

Это особенно важно при изучении экстремофильных микроорганизмов, оптимальные условия роста которых сложно смоделировать в лаборатории.

С другой стороны, технология рекомбинантной ДНК с использованием генетически модифицированных микроорганизмов позволила исключить загрязняющие вещества из окружающей среды в процессах биоремедиации.

Направления изучения микробиологии окружающей среды

Как было указано изначально, различные области изучения микробиологии окружающей среды включают в себя такие дисциплины, как микробная экология, геомикробиология и биоремедиация.

-Микробная экология

Микробная экология объединяет микробиологию с экологической теорией посредством изучения разнообразия функциональных ролей микробов в их естественной среде.

Микроорганизмы представляют собой самую большую биомассу на планете Земля, поэтому неудивительно, что их экологические функции или роли влияют на экологическую историю экосистем.

Примером такого влияния является появление аэробных форм жизни благодаря накоплению кислорода (O ₂ ) в примитивной атмосфере, вызванному фотосинтетической активностью цианобактерий.

Направления исследований микробной экологии

Микробная экология пересекается со всеми другими дисциплинами микробиологии и исследованиями:

• Разнообразие микробов и его эволюционная история.
• Взаимодействие между микроорганизмами в популяции и между популяциями в сообществе.
• Взаимодействие между микроорганизмами и растениями.
• Фитопатогены (бактериальные, грибковые и вирусные).
• Взаимодействие между микроорганизмами и животными.
• Микробные сообщества, их состав и процессы сукцессии.
• Адаптация микробов к условиям окружающей среды.
• Типы микробных местообитаний (атмосфера-экосфера, гидроэкосфера, литоэкосфера и экстремальные местообитания).

-Geomicrobiology

Геомикробиология изучает микробную деятельность, которая влияет на земные геологические и геохимические процессы (биогеохимические циклы).

Они возникают в атмосфере, гидросфере и геосфере, особенно в таких средах, как недавние отложения, водоемы подземных вод, контактирующие с осадочными и магматическими породами, а также в выветрившейся земной коре.

Он специализируется на микроорганизмах, которые взаимодействуют с минералами в окружающей среде, растворяя, трансформируя, осаждая их, среди прочего.

Области исследований в области геомикробиологии

Геомикробиологические исследования:

• Взаимодействие микробов с геологическими процессами (образование почвы, разрушение горных пород, синтез и разложение минералов и ископаемого топлива).
• Образование минералов микробного происхождения в результате осаждения или растворения в экосистеме (например, в водоносных горизонтах).
• Микробное вмешательство в биогеохимические циклы геосферы.
• Микробные взаимодействия, которые приводят к образованию нежелательных скоплений микроорганизмов на поверхности (биообрастание). Эти биообрастания могут вызвать повреждение поверхностей, на которых они обитают. Например, они могут вызывать коррозию металлических поверхностей (биокоррозия).
• Ископаемые свидетельства взаимодействия между микроорганизмами и минералами из их примитивной среды обитания.

Например, строматолиты представляют собой стратифицированные ископаемые минеральные структуры мелководья. Они состоят из карбонатов стенок примитивных цианобактерий.

Рисунок 4. Слева: ископаемые строматолиты на мелководье (источник фото слева: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Справа: деталь строматолитов (источник фото справа: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediation

Биоремедиация изучает применение биологических агентов (микроорганизмов и / или их ферментов и растений) в процессах восстановления почв и воды, загрязненных веществами, опасными для здоровья человека и окружающей среды.

Рисунок 5. Загрязнение нефтью тропических лесов Амазонки в Эквадоре. Источник: Министерство иностранных дел Эквадора, через Wikimedia Commons.

Многие существующие в настоящее время экологические проблемы могут быть решены с использованием микробного компонента глобальной экосистемы.

Области исследований биоремедиации

Исследования биоремедиации:

• Возможности метаболизма микробов, применимые в процессах оздоровления окружающей среды.
• Микробное взаимодействие с неорганическими и ксенобиотическими загрязнителями (токсичные синтетические продукты, не образующиеся в результате естественных процессов биосинтеза). Среди наиболее изученных ксенобиотических соединений - галоидоуглероды, нитроароматические соединения, полихлорированные бифенилы, диоксины, алкилбензилсульфонаты, нефтяные углеводороды и пестициды. Среди наиболее изученных неорганических элементов - тяжелые металлы.
• Биоразлагаемость загрязнителей окружающей среды на месте и в лаборатории.

Приложения экологической микробиологии

Среди множества применений этой обширной науки мы можем указать:

• Открытие новых микробных метаболических путей с потенциальным применением в процессах, имеющих коммерческое значение.
• Реконструкция микробных филогенетических взаимоотношений.
• Анализ водоносных горизонтов и источников питьевой воды.
• Растворение или выщелачивание (биовыщелачивание) металлов в среде с целью их восстановления.
• Биогидрометаллургия или биодобыча тяжелых металлов в процессах биоремедиации загрязненных территорий.
• Биоконтроль микроорганизмов, участвующих в биокоррозии контейнеров с радиоактивными отходами, растворенными в подземных водоносных горизонтах.
• Реконструкция первобытной земной истории, палеосреды и примитивных форм жизни.
• Построение полезных моделей в поисках окаменелой жизни на других планетах, например на Марсе.
• Санитарная обработка территорий, загрязненных ксенобиотиками или неорганическими веществами, такими как тяжелые металлы.

Ссылки

1. Эрлих, Х.Л. и Ньюман, Д.К. (2009). Geomicrobiology. Пятое издание, CRC Press. С. 630.
2. Малик, А. (2004). Биоремедиация металлов через растущие клетки. Environment International, 30 (2), 261–278. DOI: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. МакКинни, Р. Э. (2004). Микробиология контроля загрязнения окружающей среды. М. Деккер. С. 453.
4. Прескотт, LM (2002). Микробиология. Пятое издание, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. С. 1147.
5. Ван ден Бург, Б. (2003). Экстремофилы как источник новых ферментов. Текущее мнение в микробиологии, 6 (3), 213–218. DOI: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Уилсон, С.К., и Джонс, К.С. (1993). Биоремедиация почвы, загрязненной полиядерными ароматическими углеводородами (ПАУ): обзор. Загрязнение окружающей среды, 81 (3), 229–249. DOI: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.