MILJØMIKROBIOLOGI: GJENSTAND FOR STUDIE OG ANVENDELSER - BIOLOGI - 2026

The Environmental Microbiology er vitenskapen som studerer mangfoldigheten og funksjonen til mikroorganismer i deres naturlige miljøer og anvendelser av deres metabolske evner i bioremediering av forurenset jord og vann. Det er vanligvis delt inn i fagområdene: mikrobiell økologi, geomikrobiologi og bioremediering.

Mikrobiologi (mikros: liten, bios: liv, logoer: studie), studier på en tverrfaglig måte en bred og mangfoldig gruppe mikroskopiske encellede organismer (fra 1 til 30 um), synlig bare gjennom det optiske mikroskopet (usynlig for det menneskelige øyet ).

Figur 1. Til venstre: optisk mikroskop, et instrument som lar mikroorganismer sees under forstørrelse (Kilde: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Til høyre: elektronmikrograf av vidt distribuerte bakterier i slekten Pseudomonas (Av: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Organismer gruppert sammen innen mikrobiologi er forskjellige i mange viktige henseender og tilhører veldig forskjellige taksonomiske kategorier. De eksisterer som isolerte eller tilknyttede celler og kan være:

• Viktige prokaryoter (encellede organismer uten en definert kjerne), for eksempel eubakterier og arkaebakterier.
• Enkle eukaryoter (encellede organismer med en definert kjerne), for eksempel gjær, filamentøse sopp, mikroalger og protosoer.
• Virus (som ikke er cellulær, men som er mikroskopisk).

Mikroorganismer er i stand til å utføre alle viktige prosesser (vekst, metabolisme, energiproduksjon og reproduksjon), uavhengig av andre celler i samme eller annen klasse.

Relevante mikrobielle egenskaper

Samhandling med det ytre miljø

Frittlevende encellede organismer er spesielt utsatt for det ytre miljø. I tillegg har de både en veldig liten cellestørrelse (som påvirker deres morfologi og metabolske fleksibilitet), og et høyt overflate / volumforhold, som genererer omfattende interaksjoner med miljøet deres.

På grunn av dette er både overlevelse og mikrobiell økologisk distribusjon avhengig av dens evne til fysiologisk tilpasning til hyppige miljøvariasjoner.

metabolisme

Det høye overflate / volumforholdet genererer høye mikrobielle metabolske hastigheter. Dette henger sammen med den raske veksten og celledelingen. I tillegg er det i naturen et bredt mikrobielt metabolsk mangfold.

Mikroorganismer kan betraktes som kjemiske maskiner, som transformerer forskjellige stoffer både ute og inne. Dette skyldes dens enzymatiske aktivitet, som akselererer hastigheten av spesifikke kjemiske reaksjoner.

Tilpasning til veldig forskjellige miljøer

Generelt er den mikrobielle mikrobitaten dynamisk og heterogen med hensyn til typen og mengden næringsstoffer som er til stede, så vel som deres fysisk-kjemiske forhold.

Det er mikrobielle økosystemer:

• Terrestrisk (på steiner og jord).
• Akvatisk (i hav, dammer, innsjøer, elver, varme kilder, akviferer).
• Assosiert med høyere organismer (planter og dyr).

Ekstreme miljøer

Mikroorganismer finnes i praktisk talt alle miljøer på planeten Jorden, kjent eller ikke til høyere livsformer.

Miljøer med ekstreme forhold med hensyn til temperatur, saltholdighet, pH og vanntilgjengelighet (blant andre ressurser), presenterer "ekstremofile" mikroorganismer. Disse har en tendens til å være mest archaea (eller archaebacteria), som danner et primært biologisk domene som er forskjellig fra bakteriene og Eukarya, kalt Archaea.

Figur 2. Habitater for de ekstremofile mikroorganismer. Til venstre: Varmt kildevann i Yellowstone nasjonalpark, der termofile mikroorganismer er studert (Kilde: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). Til høyre: Antarktis, et sted hvor psykrofile mikroorganismer er studert (Kilde: pxhere.com).

Ekstremofile mikroorganismer

Blant det store utvalget av ekstremofile mikroorganismer er:

• Termofile: som gir optimal vekst ved temperaturer over 40 ° C (innbyggere i termiske kilder).
• Psykrofiler: med optimal vekst ved temperaturer under 20 ° C (innbyggere på steder med is).
• Acidophilic: med optimal vekst under forhold med lav pH, nær 2 (syre). Til stede i sure varme kilder og vulkanske sprekker under vann.
• Halofile: krever høye konsentrasjoner av salt (NaCl) for å vokse (som i saltlake).
• Xerophiles: i stand til å motstå tørke, det vil si lav vannaktivitet (innbyggere i ørkener som Atacama i Chile).

Molekylærbiologi anvendt på miljømikrobiologi

Mikrobiell isolasjon og kultur

For å studere de generelle egenskapene og metabolske kapasitetene til en mikroorganisme, må den være: isolert fra dens naturlige miljø og oppbevares i ren kultur (fri for andre mikroorganismer) i laboratoriet.

Figur 3. Mikrobiell isolasjon i laboratoriet. Til venstre: glødende sopp som vokser på fast kulturmedium (Kilde: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Til høyre: isolering av en bakteriestamme ved uttømming av såmaskineri (Kilde: Drhx, fra Wikimedia Commons).

Bare 1% av mikroorganismer som eksisterer i naturen har blitt isolert og dyrket på laboratoriet. Dette skyldes mangelen på kunnskap om dets spesifikke ernæringsbehov og vanskeligheten med å simulere det store mangfoldet av eksisterende miljøforhold.

Molekylærbiologiske verktøy

Bruken av molekylærbiologiteknikker på området mikrobiell økologi har gjort det mulig å utforske det eksisterende mikrobielle biologiske mangfoldet uten behov for isolering og dyrking i laboratoriet. Det har til og med gjort det mulig å identifisere mikroorganismer i deres naturlige mikrohabitater, det vil si in situ.

Dette er spesielt viktig i studien av ekstremofile mikroorganismer, hvis optimale vekstbetingelser er kompliserte å simulere på laboratoriet.

På den annen side har rekombinant DNA-teknologi med bruk av genmodifiserte mikroorganismer muliggjort eliminering av forurensende stoffer fra miljøet i bioremedieringsprosesser.

Studieområder for miljømikrobiologi

Som opprinnelig antydet, inkluderer de forskjellige studieretningene for miljømikrobiologi fagområdene mikrobiell økologi, geomikrobiologi og bioremediering.

-Mikrobiell økologi

Mikrobiell økologi smelter sammen mikrobiologi med økologisk teori, gjennom studiet av mangfoldet av mikrobielle funksjonsroller i deres naturlige miljø.

Mikroorganismer representerer den største biomassen på planeten Jorden, så det er ikke overraskende at deres økologiske funksjoner eller roller påvirker økosystemenes økologiske historie.

Et eksempel på denne påvirkningen er utseendet til aerobe livsformer takket være akkumulering av oksygen (O ₂ ) i den primitive atmosfæren, generert av den fotosyntetiske aktiviteten til cyanobakterier.

Forskningsfelt innen mikrobiell økologi

Mikrobiell økologi er tverrgående fra alle de andre fagområdene i mikrobiologi, og studier:

• Mikrobielt mangfold og dens evolusjonshistorie.
• Interaksjoner mellom mikroorganismer i en populasjon og mellom populasjoner i et samfunn.
• Interaksjoner mellom mikroorganismer og planter.
• Fytopatogener (bakterie, sopp og viral).
• Interaksjoner mellom mikroorganismer og dyr.
• De mikrobielle samfunnene, deres sammensetning og prosessene for etterfølgelse.
• Mikrobielle tilpasninger til miljøforhold.
• Typene mikrobielle naturtyper (atmosfære-økosfæren, hydroøkosfæren, lito-økosfæren og ekstreme naturtyper).

-Geomicrobiology

Geomikrobiologi studerer de mikrobielle aktivitetene som påvirker terrestriske geologiske og geokjemiske prosesser (biogeokjemiske sykluser).

Disse forekommer i atmosfæren, hydrosfæren og geosfæren, spesielt i miljøer som nylige sedimenter, grunnvannsforekomster i kontakt med sedimentære og stollende bergarter og i den forvitrede jordskorpen.

Den spesialiserer seg på mikroorganismer som samhandler med mineraler i miljøet, og løser opp, transformerer, utfeller dem, blant andre.

Geomikrobiologi forskningsfelt

Geomikrobiologi studier:

• Mikrobielle interaksjoner med geologiske prosesser (jorddannelse, bergnedbrytning, syntese og nedbrytning av mineraler og fossilt brensel)
• Dannelse av mineraler med mikrobiell opprinnelse, enten ved nedbør eller ved oppløsning i økosystemet (for eksempel i akviferer).
• Mikrobiell intervensjon i biogeokjemiske sykluser i geosfæren.
• Mikrobielle interaksjoner som danner uønskede klumper av mikroorganismer på en overflate (biofouling). Denne bioforurensningen kan forårsake forringelse av overflatene de bor. For eksempel kan de korrodere metalloverflater (biokorrosjon).
• Fossilt bevis for interaksjoner mellom mikroorganismer og mineraler fra deres primitive miljø.

For eksempel er stromatolitter lagdelte fossile mineralstrukturer fra grunt vann. De består av karbonater fra veggene i primitive cyanobakterier.

Figur 4. Til venstre: fossile stromatolitter på grunt vann (Venstre fotokilde: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Til høyre: detalj av stromatolittene (Høyre fotokilde: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediation

Bioremediering studerer anvendelsen av biologiske midler (mikroorganismer og / eller deres enzymer og planter) i prosesser for utvinning av jordsmonn og vann forurenset med stoffer som er farlige for menneskers helse og miljø.

Figur 5. Oljeforurensning i den ecuadorianske Amazonas regnskog. Kilde: Ecuador utenriksdepartement, via Wikimedia Commons

Mange av miljøproblemene som for tiden eksisterer, kan løses ved bruk av den mikrobielle komponenten i det globale økosystemet.

Forskningsfelt av bioremediation

Bioremediation studier:

• De mikrobielle metabolske kapasitetene som er anvendelige i miljøsaneringsprosesser.
• Mikrobielle interaksjoner med uorganiske og xenobiotiske miljøgifter (giftige syntetiske produkter, ikke generert av naturlige biosyntetiske prosesser). Blant de mest studerte xenobiotiske forbindelsene er halokarboner, nitroaromatika, polyklorerte bifenyler, dioksiner, alkylbenzylsulfonater, petroleum-hydrokarboner og sprøytemidler. Blant de mest studerte uorganiske elementene er tungmetaller.
• Biologisk nedbrytbarhet av miljøgifter på stedet og i laboratoriet.

Bruksområder for miljømikrobiologi

Blant de mange anvendelsene av denne enorme vitenskapen, kan vi sitere:

• Oppdagelsen av nye mikrobielle metabolske veier med potensielle anvendelser i prosesser med kommersiell verdi.
• Rekonstruksjon av mikrobielle fylogenetiske forhold.
• Analysen av akviferer og offentlige drikkevannsforsyninger.
• Oppløsning eller utvasking (bioutvasking) av metaller i mediet for utvinning.
• Biohydrometallurgi eller biomining av tungmetaller, i bioremedieringsprosesser av forurensede områder.
• Biokontroll av mikroorganismer involvert i biokorrosjon av radioaktive avfallsbeholdere oppløst i underjordiske akviferer.
• Gjenoppbygging av den primitive terrestriske historien, paletmiljøet og de primitive livsformene
• Konstruksjon av nyttige modeller i jakten på fossilisert liv på andre planeter, for eksempel Mars.
• Sanitet av områder som er forurenset med xenobiotiske eller uorganiske stoffer, for eksempel tungmetaller.

referanser

1. Ehrlich, HL og Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Femte utgave, CRC Press. s 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediering av metall gjennom voksende celler. Miljø International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Miljøforurensningskontrollmikrobiologi. M. Dekker. s 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Femte utgave, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. s 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiler som kilde for nye enzymer. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, og Jones, KC (1993). Bioremediering av jord forurenset med polynukleære aromatiske hydrokarboner (PAH): En gjennomgang. Miljøforurensning, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.