ENVIRONMENTÁLNÍ MIKROBIOLOGIE: PŘEDMĚT STUDIA A APLIKACE - BIOLOGIE

Environmental Microbiology je věda, která studuje rozmanitost a funkce mikroorganismů v jejich přirozeném prostředí a aplikací jejich metabolických schopnosti v bioremediaci kontaminované půdy a vody. Obvykle se dělí na disciplíny: mikrobiální ekologie, geomikrobiologie a bioremediace.

Mikrobiologie (mikros: malý, bios: life, logos: study), interdisciplinární studium široké a rozmanité skupiny mikroskopických jednobuněčných organismů (od 1 do 30 µm), viditelné pouze optickým mikroskopem (pro lidské oko neviditelné)).

Obrázek 1. Vlevo: optický mikroskop, nástroj, který umožňuje prohlížení mikroorganismů při zvětšení (Zdroj: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Vpravo: elektronový mikrograf široce distribuovaných bakterií v rodu Pseudomonas (Autor: CDC, Zdvořilost: Public Health Image Library).

Organismy seskupené v oblasti mikrobiologie jsou v mnoha důležitých ohledech odlišné a patří k velmi odlišným taxonomickým kategoriím. Existují jako izolované nebo spojené buňky a mohou to být:

Hlavní prokaryoty (jednobuněčné organismy bez definovaného jádra), jako jsou eubakterie a archaebakterie.
Jednoduché eukaryoty (jednobuněčné organismy s definovaným jádrem), jako jsou kvasinky, vláknité houby, mikrořasy a protozoa.
Viry (které nejsou buněčné, ale mikroskopické).

Mikroorganismy jsou schopné provádět všechny své životně důležité procesy (růst, metabolismus, tvorbu a reprodukci energie), nezávisle na jiných buňkách stejné nebo odlišné třídy.

Relevantní mikrobiální vlastnosti

Interakce s vnějším prostředím

Volně žijící jednobuněčné organismy jsou zvláště vystaveny vnějšímu prostředí. Kromě toho mají jak velmi malou velikost buněk (což ovlivňuje jejich morfologii a metabolickou flexibilitu), tak vysoký poměr povrch / objem, který vytváří rozsáhlé interakce s jejich prostředím.

Z tohoto důvodu závisí jak přežití, tak mikrobiální ekologická distribuce na jeho schopnosti fyziologického přizpůsobení se častým změnám prostředí.

Metabolismus

Vysoký poměr povrch / objem vytváří vysoké rychlosti metabolismu mikrobů. To souvisí s rychlostí růstu a buněčného dělení. Kromě toho v přírodě existuje velká mikrobiální metabolická rozmanitost.

Mikroorganismy lze považovat za chemické stroje, které transformují různé látky uvnitř i vně. Je to kvůli jeho enzymatické aktivitě, která urychluje rychlost specifických chemických reakcí.

Přizpůsobení velmi rozmanitým prostředím

Obecně je mikrobiální mikrohabitat dynamický a heterogenní s ohledem na druh a množství přítomných živin, jakož i na jejich fyzikálně-chemické podmínky.

Existují mikrobiální ekosystémy:

Pozemní (na skalách a půdě).
Vodní (v oceánech, rybnících, jezerech, řekách, horkých pramenech, kolech).
Souvisí s vyššími organismy (rostlinami a zvířaty).

Extrémní prostředí

Mikroorganismy se vyskytují prakticky v každém prostředí na planetě Zemi, které jsou známé či nikoli pro vyšší formy života.

Prostředí s extrémními podmínkami, pokud jde o teplotu, slanost, pH a dostupnost vody (mimo jiné zdroje), představují „extrémemofilní“ mikroorganismy. Jedná se většinou o archaea (nebo archaebacteria), které tvoří primární biologickou doménu odlišenou od bakterií Bacteria a Eukarya, zvaných Archaea.

Obrázek 2. Habitaty Extremofilních mikroorganismů. Vlevo: Vřídelní voda v Yellowstonském národním parku, kde byly studovány termofilní mikroorganismy (Zdroj: Jim Peaco, National Park Service, prostřednictvím Wikimedia Commons). Vpravo: Antarktida, místo, kde byly studovány psychrofilní mikroorganismy (Zdroj: pxhere.com).

Extremofilní mikroorganismy

Mezi širokou škálu extrémemofilních mikroorganismů patří:

Termofily: které vykazují optimální růst při teplotách nad 40 ° C (obyvatelé termálních pramenů).
Psychrofily: optimální růst při teplotách pod 20 ° C (obyvatelé míst s ledem).
Kyselina: s optimálním růstem za podmínek nízkého pH, téměř 2 (kyselina). Přítomen v kyselých horkých pramenech a podvodních sopečných štěrbinách.
Halophiles: vyžadovat růst vysoké koncentrace soli (NaCl) (jako v solankách).
Xerofilové: odolávají suchu, tj. Nízké vodní aktivitě (obyvatelé pouští, jako je například Atacama v Chile).

Molekulární biologie aplikovaná na mikrobiologii prostředí

Mikrobiální izolace a kultivace

Ke studiu obecných charakteristik a metabolických schopností mikroorganismu musí být: izolován od svého přirozeného prostředí a uchováván v čisté kultuře (bez dalších mikroorganismů) v laboratoři.

Obrázek 3. Mikrobiální izolace v laboratoři. Vlevo: vláknité houby rostoucí na pevném kultivačním médiu (Zdroj: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Vpravo: izolace bakteriálního kmene technikou očkování deplece (Zdroj: Drhx, od Wikimedia Commons).

V laboratoři bylo izolováno a kultivováno pouze 1% mikroorganismů existujících v přírodě. Důvodem je nedostatek znalostí o jejich specifických výživových požadavcích a obtížnost simulace obrovské rozmanitosti stávajících podmínek prostředí.

Nástroje molekulární biologie

Použití technik molekulární biologie v oblasti mikrobiální ekologie umožnilo prozkoumat existující mikrobiální biologickou rozmanitost, aniž by bylo nutné ji izolovat a kultivovat v laboratoři. Dokonce umožnila identifikaci mikroorganismů v jejich přirozených mikrohabitatech, tj. In situ.

To je zvláště důležité při studiu extremofilních mikroorganismů, jejichž optimální podmínky růstu jsou složité pro simulaci v laboratoři.

Na druhé straně technologie rekombinantní DNA s využitím geneticky modifikovaných mikroorganismů umožnila eliminaci znečišťujících látek z prostředí v bioremediačních procesech.

Studijní oblasti mikrobiologie prostředí

Jak bylo původně naznačeno, různé oblasti studia mikrobiologie prostředí zahrnují disciplíny mikrobiální ekologie, geomikrobiologie a bioremediace.

-Mikrobiální ekologie

Mikrobiální ekologie spojuje mikrobiologii s ekologickou teorií studiem rozmanitosti mikrobiálních funkčních rolí v jejich přirozeném prostředí.

Mikroorganismy představují největší biomasu na planetě Zemi, takže není divu, že jejich ekologické funkce nebo role ovlivňují ekologickou historii ekosystémů.

Příkladem tohoto vlivu je výskyt aerobních forem života díky akumulaci kyslíku (O ₂) v primitivní atmosféře generované fotosyntetickou aktivitou cyanobakterií.

Výzkumné oblasti mikrobiální ekologie

Mikrobiální ekologie je průřezová do všech ostatních disciplín mikrobiologie a studuje:

Mikrobiální rozmanitost a její evoluční historie.
Interakce mezi mikroorganismy v populaci a mezi populacemi v komunitě.
Interakce mezi mikroorganismy a rostlinami.
Fytopatogeny (bakteriální, houbové a virové).
Interakce mezi mikroorganismy a zvířaty.
Mikrobiální společenství, jejich složení a procesy sukcese.
Mikrobiální přizpůsobení podmínkám prostředí.
Druhy mikrobiálních stanovišť (atmosféra-ekosféra, hydroekosféra, litoekosféra a extrémní stanoviště).

-Geomikrobiologie

Geomikrobiologie studuje mikrobiální aktivity, které ovlivňují pozemské geologické a geochemické procesy (biogeochemické cykly).

Vyskytují se v atmosféře, hydrosféře a geosféře, konkrétně v prostředích, jako jsou nedávné sedimenty, útvary podzemní vody v kontaktu se sedimentárními a vyvřelými horninami a zvětralé zemské kůře.

Specializuje se na mikroorganismy, které interagují s minerály v jejich prostředí, mimo jiné se rozpouštějí, transformují, srážejí.

Geomikrobiologická výzkumná pole

Geomikrobiologické studie:

Mikrobiální interakce s geologickými procesy (tvorba půdy, odbourávání hornin, syntéza a degradace minerálů a fosilních paliv).
Tvorba minerálů mikrobiálního původu, buď srážením nebo rozpuštěním v ekosystému (například ve vodonosných vrstvách).
Mikrobiální intervence v biogeochemických cyklech geosféry.
Mikrobiální interakce, které tvoří nežádoucí shluky mikroorganismů na povrchu (biofouling). Toto biologické znečištění může způsobit poškození povrchů, které obývají. Například mohou korodovat kovové povrchy (biokoroze).
Fosilní důkaz interakcí mezi mikroorganismy a minerály z jejich primitivního prostředí.

Například stromatolity jsou stratifikované fosilní minerální struktury z mělkých vod. Jsou tvořeny uhličitany ze stěn primitivních cyanobakterií.

Obrázek 4. Vlevo: fosilní stromatolity v mělké vodě (levý zdroj fotografií: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Vpravo: detail stromatolitů (Zdroj pravé fotografie:

-Bioremediace

Bioremediační studie zkoumají použití biologických látek (mikroorganismů a / nebo jejich enzymů a rostlin) v procesech regenerace půd a vody kontaminované látkami nebezpečnými pro lidské zdraví a životní prostředí.

Obrázek 5. Kontaminace ropou v ekvádorském amazonském deštném pralese. Zdroj: Ekvádorské ministerstvo zahraničí prostřednictvím Wikimedia Commons

Mnoho environmentálních problémů, které v současnosti existují, lze vyřešit pomocí mikrobiální složky globálního ekosystému.

Výzkumné oblasti bioremediace

Bioremediační studie:

Mikrobiální metabolické kapacity použitelné v procesech hygieny prostředí.
Mikrobiální interakce s anorganickými a xenobiotickými znečišťujícími látkami (toxické syntetické produkty, které se netvoří přírodními biosyntetickými procesy). Mezi nejvíce studované xenobiotické sloučeniny patří halogenované uhlovodíky, nitroaromatika, polychlorované bifenyly, dioxiny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhlovodíky a pesticidy. Mezi nejvíce studované anorganické prvky patří těžké kovy.
Biologická rozložitelnost látek znečišťujících životní prostředí in situ a v laboratoři.

Aplikace mikrobiologie prostředí

Z mnoha aplikací této obrovské vědy můžeme uvést:

Objev nových mikrobiálních metabolických drah s potenciálními aplikacemi v procesech komerční hodnoty.
Rekonstrukce mikrobiálních fylogenetických vztahů.
Analýza vodonosných vrstev a veřejné zásobování pitnou vodou.
Rozpuštění nebo vyluhování (biologické vyluhování) kovů v médiu pro jejich regeneraci.
Biohydrometalurgie nebo těžba těžkých kovů v bioremediačních procesech kontaminovaných oblastí.
Biokontroly mikroorganismů podílejících se na biokorozi radioaktivních odpadních kontejnerů rozpuštěných v podzemních kolektorech.
Rekonstrukce primitivní pozemské historie, paleoenvironmentu a primitivních forem života.
Konstrukce užitečných modelů při hledání zkamenělého života na jiných planetách, jako je Mars.
Sanace oblastí kontaminovaných xenobiotickými nebo anorganickými látkami, jako jsou těžké kovy.

Reference

Ehrlich, HL a Newman, DK (2009). Geomikrobiologie. Páté vydání, CRC Press. str. 630.
Malik, A. (2004). Kovová bioremediace prostřednictvím rostoucích buněk. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10,016 / j.envint.2003.08.001.
McKinney, RE (2004). Mikrobiologie pro kontrolu znečištění životního prostředí. M. Dekker. str. 453.
Prescott, LM (2002). Mikrobiologie. Páté vydání, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
Van den Burg, B. (2003). Extremofily jako zdroj nových enzymů. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10,016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
Wilson, SC, a Jones, KC (1993). Bioremediace půdy kontaminované polynukleárními aromatickými uhlovodíky (PAH): Přehled. Znečištění životního prostředí, 81 (3), 229–249. doi: 10,016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

ENVIRONMENTÁLNÍ MIKROBIOLOGIE: PŘEDMĚT STUDIA A APLIKACE - BIOLOGIE - 2025