MICROBIOLOGIE DE MEDIU: OBIECT DE STUDIU ȘI APLICAȚII - BIOLOGIE - 2025

Environmental Microbiology este știința care studiază diversitatea și funcția microorganismelor în medii și aplicații ale capacităților lor metabolice lor naturale în bioremedierea solului contaminat și a apei. De obicei, este împărțit în discipline: ecologie microbiană, geomicrobiologie și bioremediere.

Microbiologie (mikros: mic, bios: viață, logos: studiu), studiază într-un mod interdisciplinar un grup larg și divers de organisme microscopice unicelulare (de la 1 la 30 µm), vizibil doar prin microscopul optic (invizibil pentru ochiul uman ).

Figura 1. În stânga: microscop optic, un instrument care permite vizualizarea micro-organismelor sub mărire (Sursa: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Drept: micrografie electronică a bacteriilor distribuite pe scară largă din genul Pseudomonas (De: CDC, Curtoazie: Public Health Image Library).

Organismele grupate în domeniul microbiologiei sunt diferite în multe privințe importante și aparțin unor categorii taxonomice foarte diferite. Există celule izolate sau asociate și pot fi:

• Procariote majore (organisme unicelulare fără nucleu definit), cum ar fi eubacteria și arhebacteria.
• Eucariote simple (organisme unicelulare cu nucleu definit), cum ar fi drojdii, ciuperci filamentoase, microalge și protozoare.
• Virusuri (care nu sunt celulare, dar sunt microscopice).

Microorganismele sunt capabile să ducă la îndeplinire toate procesele lor vitale (creștere, metabolism, generare de energie și reproducere), independent de alte celule din aceeași clasă sau diferite.

Caracteristici microbiene relevante

Interacțiunea cu mediul extern

Organismele unicelulare cu viață liberă sunt expuse în special mediului extern. În plus, acestea au atât o dimensiune celulară foarte mică (care le afectează morfologia și flexibilitatea metabolică), cât și un raport suprafață / volum ridicat, care generează interacțiuni extinse cu mediul lor.

Datorită acestui fapt, atât supraviețuirea, cât și distribuția ecologică microbiană depind de capacitatea sa de adaptare fiziologică la variațiile de mediu frecvente.

Metabolism

Raportul ridicat suprafață / volum generează rate metabolice microbiene mari. Aceasta este legată de rata rapidă de creștere și de diviziune celulară. În plus, în natură există o mare diversitate metabolică microbiană.

Microorganismele pot fi considerate mașini chimice, care transformă diverse substanțe atât în ​​interior cât și în exterior. Acest lucru se datorează activității sale enzimatice, care accelerează ratele de reacții chimice specifice.

Adaptare la medii foarte diverse

În general, microhabitatul microbian este dinamic și eterogen în ceea ce privește tipul și cantitatea de nutrienți prezenți, precum și condițiile fizico-chimice ale acestora.

Există ecosisteme microbiene:

• Terestre (pe roci și sol).
• Acvatice (în oceane, bălți, lacuri, râuri, izvoare termale, acvifere).
• Asociat cu organisme superioare (plante și animale).

Medii extreme

Microorganismele se găsesc în practic toate mediile de pe planeta Pământ, cunoscute sau nu unor forme de viață superioare.

Mediile cu condiții extreme în ceea ce privește temperatura, salinitatea, pH-ul și disponibilitatea apei (printre alte resurse), prezintă microorganisme „extreme”. Acestea tind să fie în mare parte arhaea (sau arhebacteria), care formează un domeniu biologic primar diferențiat de cel al Bacteriilor și Eukarya, numit Archaea.

Figura 2. Habitatele microorganismelor extreme. Stânga: Apa de izvor fierbinte în Parcul Național Yellowstone, unde au fost studiate microorganisme termofile (Sursa: Jim Peaco, Serviciul Parcului Național, prin Wikimedia Commons). Corect: Antarctica, un loc în care au fost studiate microorganisme psihofile (Sursa: pxhere.com).

Microorganisme extreme

Printre marea varietate de microorganisme extremofile se numără:

• Termofile: care prezintă o creștere optimă la temperaturi peste 40 ° C (locuitori ai izvoarelor termale).
• Psihrofile: de creștere optimă la temperaturi sub 20 ° C (locuitori ai locurilor cu gheață).
• Acidofil: cu o creștere optimă în condiții de pH scăzut, aproape de 2 (acid). Prezent în izvoarele calde acide și în crevele vulcanice subacvatice.
• Halofile: necesită concentrații mari de sare (NaCl) pentru a crește (ca în saramuri).
• Xerofile: capabile să reziste la secetă, adică activitate redusă a apei (locuitori în deșerturi, cum ar fi Atacama din Chile).

Biologie moleculară aplicată microbiologiei de mediu

Izolarea și cultura microbiană

Pentru a studia caracteristicile generale și capacitățile metabolice ale unui microorganism, acesta trebuie să fie: izolat de mediul său natural și păstrat în cultură pură (fără alte microorganisme) în laborator.

Figura 3. Izolarea microbiană în laborator. Stânga: ciuperci filamentoase care cresc pe un mediu de cultură solid (Sursa: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Corect: izolarea unei tulpini bacteriene prin tehnica de însămânțare a epuizării (Sursa: Drhx, de la Wikimedia Commons).

Doar 1% din microorganismele existente în natură au fost izolate și cultivate în laborator. Acest lucru se datorează lipsei de cunoștințe privind cerințele lor nutritive specifice și dificultății de a simula marea varietate de condiții de mediu existente.

Instrumente de biologie moleculară

Aplicarea tehnicilor de biologie moleculară în domeniul ecologiei microbiene a făcut posibilă explorarea biodiversității microbiene existente, fără a fi necesară izolarea și cultivarea acesteia în laborator. Chiar a făcut posibilă identificarea microorganismelor din microhabitatele lor naturale, adică in situ.

Acest lucru este deosebit de important în studiul microorganismelor extremofile, ale căror condiții optime de creștere sunt complexe de simulat în laborator.

Pe de altă parte, tehnologia ADN recombinantă cu utilizarea de microorganisme modificate genetic a permis eliminarea substanțelor poluante din mediu în procesele de bioremediere.

Studiază zonele de microbiologie de mediu

După cum s-a indicat inițial, diferitele domenii de studiu ale microbiologiei de mediu includ disciplinele ecologiei microbiene, geomicrobiologie și bioremediere.

-Ecologia microbiană

Ecologia microbiană îmbină microbiologia cu teoria ecologică, prin studiul diversității rolurilor funcționale microbiene din mediul lor natural.

Microorganismele reprezintă cea mai mare biomasă de pe planeta Pământ, deci nu este surprinzător faptul că funcțiile sau rolurile lor ecologice afectează istoria ecologică a ecosistemelor.

Un exemplu al acestei influențe este apariția formelor de viață aerobă datorită acumulării de oxigen (O ₂ ) în atmosfera primitivă, generată de activitatea fotosintetică a cianobacteriilor.

Domenii de cercetare a ecologiei microbiene

Ecologia microbiană este transversală la toate celelalte discipline ale microbiologiei și studiază:

• Diversitatea microbiană și istoria sa evolutivă.
• Interacțiuni între microorganisme dintr-o populație și între populațiile dintr-o comunitate.
• Interacțiuni între microorganisme și plante.
• Fitopatogene (bacteriene, fungice și virale).
• Interacțiuni între microorganisme și animale.
• Comunitățile microbiene, compoziția lor și procesele succesiunii.
• Adaptări microbiene la condițiile de mediu.
• Tipurile de habitate microbiene (atmosferă-ecosferă, hidro-ecosferă, lito-ecosferă și habitate extreme).

-Geomicrobiology

Geomicrobiologia studiază activitățile microbiene care afectează procesele geologice și geochimice terestre (cicluri biogeochemice).

Acestea apar în atmosferă, hidrosferă și geosferă, în special în medii precum sedimente recente, corpuri de apă subterană în contact cu roci sedimentare și ignee și în scoarța terestră.

Este specializat în microorganisme care interacționează cu mineralele din mediul lor, dizolvându-le, transformându-le, precipitate-le, printre altele.

Domenii de cercetare în geomicrobiologie

Studii de geomicrobiologie:

• Interacțiuni microbiene cu procesele geologice (formarea solului, descompunerea rocilor, sinteza și degradarea mineralelor și a combustibililor fosili).
• Formarea mineralelor de origine microbiană, fie prin precipitare, fie prin dizolvare în ecosistem (de exemplu, în acvifere).
• Intervenția microbiană în ciclurile biogeochemice ale geosferei.
• Interacțiuni microbiene care formează grupe nedorite de microorganisme pe o suprafață (biofouling). Aceste biofouling pot provoca deteriorarea suprafețelor în care locuiesc. De exemplu, acestea pot coroda suprafețele metalice (biocoroziune).
• Dovezi fosile ale interacțiunilor dintre microorganisme și minerale din mediul lor primitiv.

De exemplu, stromatolitele sunt structuri minerale fosile stratificate din apele superficiale. Sunt formate din carbonați din pereții cianobacteriilor primitive.

Figura 4. În stânga: stromatolite fosile în apele superficiale (Sursa foto stângă: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Dreapta: detaliu al stromatolitelor (sursa foto dreapta: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediation

Bioremedierea studiază aplicarea agenților biologici (microorganisme și / sau enzimelor și plantelor), în procese de recuperare a solurilor și apei contaminate cu substanțe periculoase pentru sănătatea umană și mediu.

Figura 5. Contaminarea cu ulei în pădurea amazoniană din Ecuador. Sursa: Ecuador Ministerul de Externe, prin Wikimedia Commons

Multe dintre problemele de mediu care există în prezent pot fi rezolvate cu utilizarea componentei microbiene a ecosistemului global.

Domenii de cercetare a bioremedierii

Studii de bioremediere:

• Capacitățile metabolice microbiene aplicabile în procesele de salubrizare a mediului.
• Interacțiuni microbiene cu poluanți anorganici și xenobiotici (produse sintetice toxice, care nu sunt generate de procesele biosintetice naturale). Printre cei mai studiați compuși xenobiotici se numără halocarboni, nitroaromatici, bifenili policlorurați, dioxine, alchilbenzil sulfonați, hidrocarburi de petrol și pesticide. Printre elementele anorganice cele mai studiate sunt metalele grele.
• Biodegradabilitatea poluanților de mediu in situ și în laborator.

Aplicații ale microbiologiei de mediu

Printre numeroasele aplicații ale acestei vaste științe, putem cita:

• Descoperirea de noi căi metabolice microbiene cu aplicații potențiale în procese cu valoare comercială.
• Reconstrucția relațiilor filogenetice microbiene.
• Analiza acviferelor și a aprovizionării publice cu apă potabilă.
• Dizolvarea sau levigarea (bioleaching) a metalelor în mediu, pentru recuperarea lor.
• Biohidrometalurgie sau biominarea metalelor grele, în procesele de bioremediere a zonelor contaminate.
• Biocontrolul microorganismelor implicate în biocoroziția containerelor radioactive dizolvate în acvifere subterane.
• Reconstrucția istoriei terestre primitive, a paleo-mediu și a formelor de viață primitive.
• Construirea de modele utile în căutarea vieții fosilizate pe alte planete, cum ar fi Marte.
• Salubrizarea zonelor contaminate cu substanțe xenobiotice sau anorganice, cum ar fi metalele grele.

Referințe

1. Ehrlich, HL și Newman, DK (2009). Geomicrobiology. A cincea ediție, CRC Press. pp. 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremedierea metalelor prin celulele în creștere. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Microbiologie pentru controlul poluării mediului. M. Dekker. p. 453.
4. Prescott, LM (2002). Microbiologie. A cincea ediție, McGraw-Hill Știință / Inginerie / Matematică. p. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremofile ca sursă pentru enzime noi. Opinia curentă în microbiologie, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, și Jones, KC (1993). Bioremedierea solului contaminat cu hidrocarburi aromatice polinucleare (HAP): o revizuire. Poluarea mediului, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.