מיקרוביולוגיה סביבתית: מושא המחקר והיישומים - ביולוגיה - 2025

למיקרוביולוגיה סביבתית היא מדע החוקר את הגיוון ואת התפקוד של מיקרואורגניזמים בסביבתם הטבעית ויישומים של יכולות מטבוליות שלהם bioremediation בקרקע ומים מזוהמים. זה בדרך כלל מחולק לדיסציפלינות של: אקולוגיה מיקרוביאלית, גאומיקרוביולוגיה וביורדיאציה.

מיקרוביולוגיה (מיקרו: קטן, ביו: חיים, סמלים: לימוד), מחקרים בצורה בין תחומית קבוצה רחבה ומגוונת של אורגניזמים חד-תאיים מיקרוסקופיים (בין 1 ל -30 מיקרומטר), הנראים רק דרך המיקרוסקופ האופטי (בלתי נראה לעין האנושית) ).

איור 1. משמאל: מיקרוסקופ אופטי, מכשיר המאפשר לצפות במיקרו-אורגניזמים תחת הגדלה (מקור: https://pxhere.com/es/foto/1192464). מימין: מיקרוגרף אלקטרונים של חיידקים המופצים באופן נרחב בסוג Pseudomonas (מאת: CDC, באדיבות: ספריית תמונות בריאות הציבור).

אורגניזמים המקובצים יחד בתחום המיקרוביולוגיה שונים בהרבה מבחינות חשובות ומשתייכים לקטגוריות טקסונומיות שונות מאוד. הם קיימים כתאים מבודדים או קשורים ויכולים להיות:

• פרוקריוטות עיקריות (אורגניזמים חד-תאיים ללא גרעין מוגדר), כגון eubacteria and archaebacteria.
• אאוקריוטות פשוטות (אורגניזמים חד-תאיים עם גרעין מוגדר), כמו שמרים, פטריות חוט, מיקרו-אצות ופרוטוזות.
• וירוסים (שאינם תאיים, אך מיקרוסקופיים).

מיקרואורגניזמים מסוגלים לבצע את כל התהליכים החיוניים שלהם (צמיחה, חילוף חומרים, ייצור אנרגיה ורבייה), ללא תלות בתאים אחרים מאותו מעמד או שונה.

מאפיינים מיקרוביאלים רלוונטיים

אינטראקציה עם הסביבה החיצונית

אורגניזמים חד-תאיים חיים חופשיים נחשפים במיוחד לסביבה החיצונית. בנוסף, יש להם שניהם גודל תא קטן מאוד (המשפיע על המורפולוגיה והגמישות המטבולית שלהם), ויחס שטח / נפח גבוה, המייצר אינטראקציות נרחבות עם הסביבה שלהם.

כתוצאה מכך, גם ההישרדות וגם ההתפלגות האקולוגית המיקרוביאלית תלויים ביכולתה להתאמה פיזיולוגית לשינויים סביבתיים תכופים.

חילוף חומרים

יחס פני השטח / נפח גבוה מייצר קצב חילוף חומרים מיקרוביאלי גבוה. זה קשור לקצב הצמיחה המהיר שלו וחלוקת התא. בנוסף, בטבע קיים מגוון מטבולי מיקרוביאלי רחב.

מיקרו-אורגניזמים יכולים להיחשב כמכונות כימיות, אשר הופכות חומרים שונים בפנים ומחוצה לה. זה נובע מפעילותו האנזימטית, שמאיצה את שיעורי התגובות הכימיות הספציפיות.

הסתגלות לסביבות מגוונות מאוד

באופן כללי, המיקרוביה המיקרוביאלית דינאמית והטרוגנית ביחס לסוג וכמות החומרים המזינים הקיימים, כמו גם למצבם הפיזיקו-כימי.

ישנן מערכות אקולוגיות מיקרוביאליות:

• יבשתית (על סלעים ואדמה).
• מימיות (באוקיינוסים, בריכות, אגמים, נהרות, מעיינות חמים, אקוויפרים).
• קשור לאורגניזמים גבוהים יותר (צמחים ובעלי חיים).

סביבות קיצוניות

מיקרואורגניזמים נמצאים כמעט בכל סביבה על פני כדור הארץ, מוכרים או לא צורות חיים גבוהות יותר.

סביבות עם תנאים קיצוניים בכל הנוגע לטמפרטורה, מליחות, pH וזמינות מים (בין שאר המשאבים), מציגות מיקרואורגניזמים "קיצוניים". אלה נוטים להיות בעיקר ארקאהאה (או ארכיבקטריה) המהווים תחום ביולוגי ראשוני המבדיל מזה של בקטריה ואוקריה, המכונה ארכאה.

איור 2. איור 2. בתי גידול של המיקרואורגניזמים הקיצוניים. משמאל: מי מעיינות חמים בפארק הלאומי ילוסטון, שם נחקרו מיקרואורגניזמים תרמופיליים (מקור: ג'ים פיקו, שירות הפארק הלאומי, באמצעות ויקימדיה Commons). מימין: אנטארקטיקה, מקום בו נחקרו מיקרואורגניזמים פסיכו-פרופיליים (מקור: pxhere.com).

מיקרואורגניזמים אקסטרים -פיליים

בין המגוון הרחב של מיקרואורגניזמים קיצוניים, הם:

• תרמופילים: המציגים גידול אופטימלי בטמפרטורות מעל 40 מעלות צלזיוס (תושבי מעיינות תרמיים).
• פסיכופרופילים: גידול אופטימלי בטמפרטורות שמתחת ל 20 מעלות צלזיוס (תושבי מקומות עם קרח).
• Acidophilic: עם צמיחה מיטבית בתנאים של pH נמוך, קרוב ל 2 (חומצה). הווה במעיינות חמים חומציים ובנקיקים געשיים מתחת למים.
• הלופילים: דורש ריכוזים גבוהים של מלח (NaCl) כדי לצמוח (כמו במלחנות).
• זירופילים: מסוגל לעמוד בבצורת, כלומר פעילות נמוכה במים (תושבי מדבריות כמו אטקמה בצ'ילה).

ביולוגיה מולקולרית המיושמת במיקרוביולוגיה סביבתית

בידוד מיקרוביאלי ותרבות

כדי ללמוד את המאפיינים הכלליים והיכולות המטבוליות של מיקרואורגניזם, עליו להיות: מבודד מהסביבה הטבעית שלו ומוחזק בתרבות טהורה (נקייה ממיקרואורגניזמים אחרים) במעבדה.

איור 3. איור 3. בידוד מיקרוביאלי במעבדה. משמאל: פטריות חוט גדלות על מדיום תרבות מוצק (מקור: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). מימין: בידוד של זן חיידקי על ידי טכניקת זריעת ההידלדלות (מקור: Drhx, מתוך ויקימדיה Commons).

רק 1% מהמיקרואורגניזמים הקיימים בטבע בודדו ועובדו במעבדה. זה נובע מחוסר הידיעה בדרישות התזונה הספציפיות שלהם והקושי לדמות את המגוון העצום של תנאי הסביבה הקיימים.

כלים לביולוגיה מולקולרית

היישום של טכניקות ביולוגיה מולקולרית לתחום האקולוגיה החיידקית איפשר לחקור את המגוון הביולוגי המיקרוביאלי הקיים, ללא צורך בבידודו וטיפוחו במעבדה. זה אפילו איפשר לזהות מיקרואורגניזמים במיקרו-בית הטבעיים שלהם, כלומר במקום.

זה חשוב במיוחד במחקר של מיקרואורגניזמים אקסטרה -פיליים, שתנאי הגידול האופטימליים שלהם מורכבים להדמיה במעבדה.

מצד שני, טכנולוגיית DNA רקומביננטית עם שימוש במיקרואורגניזמים מהונדסים גנטית אפשרה לחסל חומרים מזהמים מהסביבה בתהליכי ביורדיציה.

חקר תחומי המיקרוביולוגיה הסביבתית

כפי שצוין בתחילה, תחומי המחקר השונים של המיקרוביולוגיה הסביבתית כוללים את הדיסציפלינות של אקולוגיה מיקרוביאלית, גאומיקרוביולוגיה וביורדיאציה.

-אקולוגיה מיקרוביאלית

אקולוגיה מיקרוביאלית ממזגת את המיקרוביולוגיה עם התיאוריה האקולוגית, דרך חקר המגוון של התפקודים המיקרוביאלים בסביבתם הטבעית.

מיקרואורגניזמים מייצגים את הביומסה הגדולה ביותר בכדור הארץ, כך שלא מפתיע שתפקידיהם או תפקידיהם האקולוגיים משפיעים על ההיסטוריה האקולוגית של מערכות אקולוגיות.

דוגמא להשפעה זו היא הופעתן של צורות חיים אירוביות הודות להצטברות חמצן (O ₂ ) באטמוספרה הפרימיטיבית, הנוצרת מהפעילות הפוטוסינתטית של ציאנובקטריה.

תחומי מחקר של אקולוגיה מיקרוביאלית

אקולוגיה מיקרוביאלית היא רוחבית לכל שאר תחומי המיקרוביולוגיה והמחקרים:

• המגוון המיקרוביאלי וההיסטוריה האבולוציונית שלו.
• אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים באוכלוסייה ובין אוכלוסיות בקהילה.
• אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים וצמחים.
• פיטופתוגנים (חיידקיים, פטרייתיים וויראליים).
• אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים לבעלי חיים.
• הקהילות המיקרוביאליות, הרכבן ותהליכי הירושה.
• התאמות מיקרוביאליות לתנאים סביבתיים.
• סוגי בתי הגידול החיידקים (אטמוספרה-אקוספירה, הידרו-אקוספירה, ליטו-אקוספירה ובתי גידול קיצוניים).

-גיאומיקרוביולוגיה

הגיאומיקרוביולוגיה בוחנת את הפעילויות המיקרוביאליות המשפיעות על תהליכים גאולוגיים וגיאוכימיים יבשתיים (מחזורים ביוגוכימיים).

אלה מתרחשים באטמוספרה, בהידרוספרה ובגיאוספרה, במיוחד בסביבות כמו משקעים עדכניים, גוויות מי תהום במגע עם סלעי משקע וגורמים ובקרום כדור הארץ המעוכלל.

הוא מתמחה במיקרואורגניזמים המקיימים אינטראקציה עם מינרלים בסביבתם, ממיסים אותם, הופכים אותם, בין היתר.

תחומי מחקר גיאומיקרוביולוגיה

לימודי גאומיקרוביולוגיה:

• אינטראקציות מיקרוביאליות עם תהליכים גיאולוגיים (היווצרות קרקע, פירוק סלע, ​​סינתזה והשפלת מינרלים ודלקים מאובנים).
• היווצרות מינרלים ממוצא מיקרוביאלי, אם על ידי משקעים או על ידי פירוק במערכת האקולוגית (למשל באקוויפרים).
• התערבות מיקרוביאלית במחזורים ביוגוכימיים של הגאוספרה.
• אינטראקציות מיקרוביאליות היוצרות גושים לא רצויים של מיקרואורגניזמים על פני השטח (ביו-עכירה) זינוק ביולוגי זה יכול לגרום להידרדרות של המשטחים שהם מאוכלסים. לדוגמא, הם יכולים לאשש משטחי מתכת (ביו-קורוזיה).
• עדות פוסילית לאינטראקציות בין מיקרואורגניזמים ומינרלים מהסביבה הפרימיטיבית שלהם.

לדוגמא, סטרומטוליטים הם מבנים מינרליים מאובנים מרובדים ממים רדודים. הם מורכבים מפחמימות מדפנות ציאנובקטריות פרימיטיביות.

איור 4. משמאל: סטרומטוליטים מאובנים במים רדודים (מקור תמונה משמאל: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). מימין: פירוט הסטראומטוליטים (מקור תמונה ימני: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

תיווך

Bioremediation בוחן את היישום של חומרים ביולוגיים (מיקרואורגניזמים ו / או האנזימים והצמחים שלהם), בתהליכי התאוששות קרקעות ומים המזוהמים בחומרים המסוכנים לבריאות האדם והסביבה.

איור 5. זיהום נפט ביער הגשם באמזונס. מקור: משרד החוץ של אקוודור, באמצעות ויקימדיה Commons

ניתן לפתור רבות מהבעיות הסביבתיות הקיימות כיום באמצעות הרכיב המיקרוביאלי במערכת האקולוגית הגלובלית.

תחומי מחקר של ביוארדיאציה

לימודי Bioremediation:

• היכולות המטבוליות החיידקיות החלות בתהליכי תברואה סביבתית.
• אינטראקציות מיקרוביאליות עם מזהמים אורגניים וקסנוביוטיים (מוצרים סינתטיים רעילים, לא נוצרים מתהליכים ביו-סינתטיים טבעיים). בין התרכובות הקסנו-ביוטיות הנחקרות ביותר ניתן למנות הלוק פחמימות, ניטרואראומטיקה, דו-כינין, דו-חמצני, אלקילבנזיל סולפונאטים, פחמימנים נפטיים וחומרי הדברה. בין האלמנטים האורגניים הנחקרים ביותר הם מתכות כבדות.
• השפלה הביולוגית של מזהמים סביבתיים במקום ובמעבדה.

יישומים של מיקרוביולוגיה סביבתית

מבין היישומים הרבים של מדע עצום זה, אנו יכולים לצטט:

• גילוי מסלולי מטבול מטבולים חדשים עם יישומים פוטנציאליים בתהליכים בעלי ערך מסחרי.
• שחזור של מערכות יחסים פילוגנטיות מיקרוביאליות.
• ניתוח אקוויפרים ואספקת מי שתייה ציבורית.
• פירוק או ליטוש (ביו ליטוש) של מתכות במדיום, לצורך התאוששותן.
• ביו-הידרומטלורגיה או ביומינציה של מתכות כבדות, בתהליכי ביורדיציה של אזורים מזוהמים.
• שליטה ביולוגית של מיקרואורגניזמים המעורבים בקורוזיה ביולוגית של מכולות פסולת רדיואקטיבית המומסות באקוויפרים תת-קרקעיים.
• שחזור של ההיסטוריה היבשתית הפרימיטיבית, הסביבה הפאלאית וצורות החיים הפרימיטיביות.
• בניית מודלים שימושיים בחיפוש אחר מאובנים בכוכבי לכת אחרים, כמו מאדים.
• תברואה של אזורים שזוהמו בחומרים קסנוביוטיים או אורגניים, כמו מתכות כבדות.

הפניות

1. ארליך, HL וניומן, DK (2009). גיאומיקרוביולוגיה. המהדורה החמישית, CRC Press. עמ '630.
2. מליק, א '(2004). ביו-תיווך מתכת דרך תאים גדלים סביבה בינלאומית, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. מקיני, רי (2004). מיקרוביולוגיה לבקרת זיהום סביבתי. מ. דקר. עמ '453.
4. Prescott, LM (2002). מִיקרוֹבִּיוֹלוֹגִיָה. מהדורה חמישית, McGraw-Hill מדע / הנדסה / מתמטיקה. עמ '1147.
5. ואן דן בורג, ב '(2003). אקסטרמופילים כמקור לאנזימים חדשים. חוות דעת נוכחית במיקרוביולוגיה, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. וילסון, SC, וג'ונס, KC (1993). Bioremediation של אדמה מזוהמת עם פחמימנים ארומטיים רב-גרעיניים (PAHs): סקירה. זיהום סביבתי, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.