MIKROBIOLOGI PERSEKITARAN: OBJEK KAJIAN DAN APLIKASI - BIOLOGI - 2024

The Environmental Microbiology adalah sains bahawa kajian kepelbagaian dan fungsi mikroorganisma dalam persekitaran semula jadi dan aplikasi keupayaan metabolik mereka mereka dalam pemulihan persekitaran tanah dan air yang tercemar. Ia biasanya dibahagikan kepada disiplin ilmu: ekologi mikrob, geomikrobiologi dan bioremediasi.

Mikrobiologi (mikros: kecil, bios: kehidupan, logo: kajian), kajian secara interdisipliner kumpulan pelbagai organisma uniselular mikroskopik (dari 1 hingga 30 µm), yang dapat dilihat hanya melalui mikroskop optik (tidak dapat dilihat oleh mata manusia) ).

Gambar 1. Di sebelah kiri: mikroskop optik, alat yang membolehkan mikro-organisma dilihat dalam pembesaran (Sumber: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Kanan: mikrograf elektron bakteria yang tersebar luas dalam genus Pseudomonas (Oleh: CDC, Kesopanan: Perpustakaan Gambar Kesihatan Awam).

Organisma yang dikelompokkan dalam bidang mikrobiologi tidak serupa dalam banyak aspek penting dan termasuk dalam kategori taksonomi yang sangat berbeza. Mereka wujud sebagai sel terpencil atau berkaitan dan boleh:

• Prokariota utama (organisma uniselular tanpa nukleus yang ditentukan), seperti eubacteria dan archaebacteria.
• Eukariota sederhana (organisma uniselular dengan nukleus yang ditentukan), seperti ragi, kulat filamen, mikroalga dan protozoa.
• Virus (yang bukan selular, tetapi mikroskopik).

Mikroorganisma mampu menjalankan semua proses pentingnya (pertumbuhan, metabolisme, penjanaan dan pembiakan tenaga), secara bebas dari sel lain dari kelas yang sama atau berbeza.

Ciri mikrob yang berkaitan

Interaksi dengan persekitaran luaran

Organisma uniselular yang hidup bebas terdedah kepada persekitaran luaran. Selain itu, keduanya mempunyai ukuran sel yang sangat kecil (yang mempengaruhi morfologi dan fleksibiliti metabolik mereka), dan nisbah permukaan / isipadu yang tinggi, yang menghasilkan interaksi yang luas dengan persekitaran mereka.

Oleh kerana itu, kedua-dua kelangsungan hidup dan pengedaran ekologi mikroba bergantung pada keupayaannya untuk penyesuaian fisiologi terhadap variasi persekitaran yang kerap.

Metabolisme

Nisbah permukaan / isipadu yang tinggi menghasilkan kadar metabolisme mikroba yang tinggi. Ini berkaitan dengan kadar pertumbuhan dan pembahagian sel yang pesat. Di samping itu, secara semula jadi terdapat kepelbagaian metabolik mikroba.

Mikroorganisma boleh dianggap sebagai mesin kimia, yang mengubah pelbagai bahan di dalam dan di luar. Ini disebabkan oleh aktiviti enzimatiknya, yang mempercepat kadar tindak balas kimia tertentu.

Penyesuaian dengan persekitaran yang sangat pelbagai

Secara amnya, mikrohabitat mikroba bersifat dinamik dan heterogen sehubungan dengan jenis dan kuantiti nutrien yang ada, serta keadaan fizikokimia mereka.

Terdapat ekosistem mikroba:

• Terestrial (di atas batu dan tanah).
• Akuatik (di lautan, kolam, tasik, sungai, mata air panas, akuifer).
• Berkaitan dengan organisma yang lebih tinggi (tumbuhan dan haiwan).

Persekitaran yang melampau

Mikroorganisma dijumpai di hampir setiap persekitaran di planet Bumi, yang biasa atau tidak dengan bentuk kehidupan yang lebih tinggi.

Persekitaran dengan keadaan yang melampau berkaitan dengan suhu, kemasinan, pH dan ketersediaan air (antara sumber lain), terdapat mikroorganisma "Ekstremofilik". Ini cenderung kebanyakannya archaea (atau archaebacteria), yang membentuk domain biologi utama yang dibezakan dengan bakteria dan Eukarya, yang disebut Archaea.

Rajah 2. Habitat mikroorganisma Ekstremofilik. Kiri: Air mata air panas di Taman Nasional Yellowstone, di mana mikroorganisma termofilik telah dipelajari (Sumber: Jim Peaco, Perkhidmatan Taman Negara, melalui Wikimedia Commons). Kanan: Antartika, tempat di mana mikroorganisma psikofilik telah dipelajari (Sumber: pxhere.com).

Mikroorganisma ekstremofilik

Antara pelbagai mikroorganisma Extremophilic, adalah:

• Thermophiles: yang menunjukkan pertumbuhan optimum pada suhu di atas 40 ° C (penghuni mata air terma).
• Psikrofil: pertumbuhan optimum pada suhu di bawah 20 ° C (penduduk tempat dengan ais).
• Acidophilic: dengan pertumbuhan optimum dalam keadaan pH rendah, hampir dengan 2 (asid). Terdapat di mata air panas berasid dan celah gunung berapi bawah air.
• Halophiles: memerlukan kepekatan garam (NaCl) yang tinggi untuk tumbuh (seperti pada air garam).
• Xerophiles: mampu menahan kemarau, iaitu aktiviti air rendah (penduduk padang pasir seperti Atacama di Chile).

Biologi molekul digunakan untuk mikrobiologi persekitaran

Pengasingan dan budaya mikrob

Untuk mengkaji ciri umum dan keupayaan metabolik mikroorganisma, mestilah: diasingkan dari persekitaran semula jadi dan disimpan dalam budaya murni (bebas daripada mikroorganisma lain) di makmal.

Rajah 3. Pengasingan mikrob di makmal. Kiri: kulat filamen tumbuh di medium kultur padat (Sumber: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Kanan: pengasingan ketegangan bakteria dengan teknik penyusutan penipisan (Sumber: Drhx, dari Wikimedia Commons).

Hanya 1% mikroorganisma yang ada di alam telah diasingkan dan ditanam di makmal. Ini disebabkan oleh kurangnya pengetahuan mengenai keperluan pemakanan khusus mereka dan kesukaran mensimulasikan pelbagai keadaan persekitaran yang ada.

Alat Biologi Molekul

Penerapan teknik biologi molekul ke bidang ekologi mikroba telah memungkinkan untuk meneroka keanekaragaman hayati mikroba yang ada, tanpa perlu pengasingan dan penanamannya di makmal. Bahkan memungkinkan untuk mengenal pasti mikroorganisma dalam habitat mikro semula jadi mereka, iaitu di situ.

Ini sangat penting dalam kajian mikroorganisma Extremophilic, yang keadaan pertumbuhan optimumnya rumit untuk disimulasikan di makmal.

Sebaliknya, teknologi DNA rekombinan dengan penggunaan mikroorganisma yang diubahsuai secara genetik telah memungkinkan penghapusan bahan pencemar dari persekitaran dalam proses bioremediasi.

Mengkaji bidang mikrobiologi persekitaran

Seperti yang ditunjukkan pada awalnya, berbagai bidang studi mikrobiologi lingkungan meliputi disiplin ekologi mikroba, geomikrobiologi, dan bioremediasi.

-Ekologi mikrob

Ekologi mikroba menggabungkan mikrobiologi dengan teori ekologi, melalui kajian mengenai kepelbagaian peranan fungsional mikrob dalam persekitaran semula jadi mereka.

Mikroorganisma mewakili biomas terbesar di planet Bumi, jadi tidak menghairankan bahawa fungsi atau peranan ekologi mereka mempengaruhi sejarah ekologi ekosistem.

Contoh pengaruh ini adalah penampilan bentuk kehidupan aerobik berkat pengumpulan oksigen (O ₂ ) di atmosfer primitif, yang dihasilkan oleh aktiviti fotosintesis cyanobacteria.

Bidang penyelidikan ekologi mikrob

Ekologi mikrob bersifat melintang ke semua bidang mikrobiologi yang lain, dan kajian:

• Kepelbagaian mikroba dan sejarah evolusinya.
• Interaksi antara mikroorganisma dalam populasi dan antara populasi dalam komuniti.
• Interaksi antara mikroorganisma dan tumbuhan.
• Fitopatogen (bakteria, kulat dan virus).
• Interaksi antara mikroorganisma dan haiwan.
• Komuniti mikroba, komposisi mereka dan proses penggantian.
• Penyesuaian mikrob terhadap keadaan persekitaran.
• Jenis-jenis habitat mikroba (atmosfera-atmosfera, hidro-ekosfera, litosfera dan habitat ekstrem).

-Geomikrobiologi

Geomikrobiologi mengkaji aktiviti mikroba yang mempengaruhi proses geologi dan geokimia terestrial (kitaran biogeokimia).

Ini terjadi di atmosfer, hidrosfera dan geosfera, khususnya di lingkungan seperti sedimen baru-baru ini, badan air bawah tanah yang bersentuhan dengan batuan sedimen dan beku, dan di kerak bumi yang dilapisi.

Ia mengkhususkan diri dalam mikroorganisma yang berinteraksi dengan mineral di persekitarannya, melarutkan, mengubah, memendapkannya, antara lain.

Bidang penyelidikan geomikrobiologi

Kajian geomikrobiologi:

• Interaksi mikroba dengan proses geologi (pembentukan tanah, pemecahan batuan, sintesis dan degradasi mineral dan bahan bakar fosil).
• Pembentukan mineral asal mikroba, sama ada dengan pemendakan atau pembubaran dalam ekosistem (contohnya, di akuifer).
• Campur tangan mikrob dalam kitaran biogeokimia geosfera.
• Interaksi mikroba yang membentuk gumpalan mikroorganisma yang tidak diingini di permukaan (biofouling). Biofouling ini dapat menyebabkan kemerosotan permukaan yang mereka tinggali. Contohnya, mereka boleh menghakis permukaan logam (biokorosi).
• Bukti fosil interaksi antara mikroorganisma dan mineral dari persekitaran primitifnya.

Sebagai contoh, stromatolit adalah struktur mineral fosil berstrata dari perairan cetek. Mereka terdiri daripada karbonat dari dinding cyanobacteria primitif.

Gambar 4. Di sebelah kiri: stromatolit fosil di perairan cetek (Sumber foto kiri: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Kanan: perincian stromatolit (Sumber foto kanan: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediasi

Bioremediasi mengkaji penggunaan agen biologi (mikroorganisma dan / atau enzim dan tumbuhan mereka), dalam proses pemulihan tanah dan air yang tercemar dengan bahan berbahaya kepada kesihatan manusia dan alam sekitar.

Gambar 5. Pencemaran minyak di hutan hujan Amazon Ecuador. Sumber: Kementerian Luar Negeri Ekuador, melalui Wikimedia Commons

Banyak masalah persekitaran yang ada sekarang dapat diselesaikan dengan penggunaan komponen mikrob ekosistem global.

Bidang penyelidikan bioremediasi

Kajian bioremediasi:

• Kapasiti metabolik mikroba yang berlaku dalam proses sanitasi persekitaran.
• Interaksi mikroba dengan pencemar anorganik dan xenobiotik (produk sintetik toksik, tidak dihasilkan oleh proses biosintetik semula jadi). Antara sebatian xenobiotik yang paling banyak dikaji adalah halokarbon, nitroaromatics, biphenyls polychlorinated, dioksin, alkilbenzil sulfonat, hidrokarbon petroleum, dan racun perosak. Antara unsur bukan organik yang paling banyak dikaji ialah logam berat.
• Keupayaan biodegradasi pencemaran alam sekitar di situ dan di makmal.

Aplikasi mikrobiologi persekitaran

Di antara banyak aplikasi sains yang luas ini, kita dapat menyebut:

• Penemuan jalur metabolik mikroba baru dengan potensi aplikasi dalam proses nilai komersial.
• Pembentukan semula hubungan filogenetik mikroba.
• Analisis bekalan air akuarium dan air awam.
• Pembubaran atau pencucian (bioleaching) logam dalam medium, untuk pemulihannya.
• Biohydrometallurgy atau biomining logam berat, dalam proses bioremediasi kawasan yang tercemar.
• Biokontrol mikroorganisma yang terlibat dalam biokorosi bekas sisa radioaktif yang dilarutkan di akuarium bawah tanah.
• Pembangunan semula sejarah terestrial primitif, persekitaran palaeoen dan bentuk kehidupan primitif.
• Pembinaan model berguna dalam mencari kehidupan fosil di planet lain, seperti Marikh.
• Sanitasi kawasan yang tercemar dengan bahan xenobiotik atau bukan organik, seperti logam berat.

Rujukan

1. Ehrlich, HL dan Newman, DK (2009). Geomikrobiologi. Edisi kelima, CRC Press. hlm 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediasi logam melalui pertumbuhan sel. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Mikrobiologi Kawalan Pencemaran Alam Sekitar. M. Dekker. hlm 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Edisi kelima, Sains / Kejuruteraan / Matematik McGraw-Hill. hlm 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremophiles sebagai sumber enzim novel. Pendapat Semasa dalam Mikrobiologi, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, dan Jones, KC (1993). Bioremediasi tanah yang tercemar dengan hidrokarbon aromatik polinuklear (PAH): Satu tinjauan. Pencemaran Alam Sekitar, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.