OMGEVINGSMICROBIOLOGIE: OBJECT VAN STUDIE EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE

De Environmental Microbiology is de wetenschap die de diversiteit en functie van micro-organismen in hun natuurlijke omgeving bestudeert en de toepassingen van hun metabolische capaciteiten bij bioremediatie van verontreinigde grond en water. Het is meestal onderverdeeld in de disciplines: microbiële ecologie, geomicrobiologie en bioremediatie.

Microbiologie (mikros: klein, bios: leven, logo's: studie), bestudeert op een interdisciplinaire manier een brede en diverse groep microscopisch kleine eencellige organismen (van 1 tot 30 µm), alleen zichtbaar door de optische microscoop (onzichtbaar voor het menselijk oog ).

Figuur 1. Links: optische microscoop, een instrument waarmee micro-organismen onder vergroting kunnen worden bekeken (Bron: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Rechts: elektronenmicrofoto van wijdverspreide bacteriën in het geslacht Pseudomonas (Door: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Organismen die op het gebied van microbiologie bij elkaar zijn gegroepeerd, verschillen in veel belangrijke opzichten van elkaar en behoren tot zeer verschillende taxonomische categorieën. Ze bestaan als geïsoleerde of geassocieerde cellen en kunnen zijn:

Grote prokaryoten (eencellige organismen zonder gedefinieerde kern), zoals eubacteriën en archaebacteriën.
Eenvoudige eukaryoten (eencellige organismen met een gedefinieerde kern), zoals gisten, draadschimmels, microalgen en protozoa.
Virussen (die niet cellulair zijn, maar microscopisch klein).

Micro-organismen zijn in staat al hun vitale processen (groei, metabolisme, energieopwekking en reproductie) onafhankelijk van andere cellen van dezelfde of een andere klasse uit te voeren.

Relevante microbiële kenmerken

Interactie met de externe omgeving

Vrijlevende eencellige organismen worden in het bijzonder blootgesteld aan de externe omgeving. Bovendien hebben ze zowel een zeer kleine celgrootte (wat hun morfologie en metabolische flexibiliteit beïnvloedt) als een hoge oppervlakte / volumeverhouding, wat uitgebreide interacties met hun omgeving genereert.

Hierdoor zijn zowel de overleving als de microbiële ecologische verspreiding afhankelijk van het vermogen tot fysiologische aanpassing aan frequente omgevingsvariaties.

Metabolisme

De hoge oppervlakte / volume-verhouding genereert hoge microbiële metabolische snelheden. Dit houdt verband met de snelle groei en celdeling. Bovendien is er in de natuur een grote microbiële metabolische diversiteit.

Micro-organismen kunnen worden beschouwd als chemische machines, die verschillende stoffen zowel binnen als buiten transformeren. Dit komt door de enzymatische activiteit, die de snelheid van specifieke chemische reacties versnelt.

Aanpassing aan zeer diverse omgevingen

Over het algemeen is de microbiële microhabitat dynamisch en heterogeen met betrekking tot het type en de hoeveelheid aanwezige voedingsstoffen, evenals hun fysisch-chemische omstandigheden.

Er zijn microbiële ecosystemen:

Terrestrisch (op rotsen en grond).
Aquatisch (in oceanen, vijvers, meren, rivieren, warmwaterbronnen, watervoerende lagen).
Geassocieerd met hogere organismen (planten en dieren).

Extreme omgevingen

Micro-organismen worden in praktisch elke omgeving op planeet Aarde aangetroffen, al dan niet bekend in hogere levensvormen.

Omgevingen met extreme omstandigheden met betrekking tot temperatuur, zoutgehalte, pH en waterbeschikbaarheid (naast andere bronnen), bevatten "Extremofiele" micro-organismen. Dit zijn meestal archaea (of archaebacteriën), die een primair biologisch domein vormen dat zich onderscheidt van dat van bacteriën en eukarya, genaamd Archaea.

Figuur 2. Habitats van de Extremofiele micro-organismen. Links: Heet bronwater in Yellowstone National Park, waar thermofiele micro-organismen zijn bestudeerd (Bron: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). Rechts: Antarctica, een plaats waar psychrofiele micro-organismen zijn bestudeerd (Bron: pxhere.com).

Extremofiele micro-organismen

Tot de grote verscheidenheid aan Extremofiele micro-organismen behoren:

Thermofielen: die een optimale groei vertonen bij temperaturen boven 40 ° C (bewoners van thermale bronnen).
Psychrofielen: van optimale groei bij temperaturen onder 20 ° C (bewoners van plaatsen met ijs).
Acidophilic: met optimale groei onder omstandigheden van lage pH, dichtbij 2 (zuur). Aanwezig in zure hete bronnen en onder water vulkanische spleten.
Halofielen: hoge zoutconcentraties (NaCl) nodig om te groeien (zoals in pekel).
Xerofielen: bestand tegen droogte, dat wil zeggen lage wateractiviteit (bewoners van woestijnen zoals de Atacama in Chili).

Moleculaire biologie toegepast op omgevingsmicrobiologie

Microbiële isolatie en cultuur

Om de algemene kenmerken en metabolische capaciteiten van een micro-organisme te bestuderen, moet het: geïsoleerd zijn van zijn natuurlijke omgeving en in zuivere kweek (vrij van andere micro-organismen) in het laboratorium worden bewaard.

Figuur 3. Microbiële isolatie in het laboratorium. Links: filamenteuze schimmels groeien op vast kweekmedium (Bron: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Rechts: isolatie van een bacteriestam door middel van depletion seeding-techniek (Bron: Drhx, van Wikimedia Commons).

Slechts 1% van de micro-organismen die in de natuur voorkomen, is in het laboratorium geïsoleerd en gekweekt. Dit komt door het gebrek aan kennis van de specifieke voedingsbehoeften en de moeilijkheid om de enorme verscheidenheid aan bestaande omgevingsomstandigheden te simuleren.

Hulpmiddelen voor moleculaire biologie

De toepassing van moleculaire biologietechnieken op het gebied van microbiële ecologie heeft de verkenning van de bestaande microbiële biodiversiteit mogelijk gemaakt, zonder de noodzaak voor isolatie en cultivatie in het laboratorium. Het heeft het zelfs mogelijk gemaakt om micro-organismen in hun natuurlijke microhabitats, dat wil zeggen in situ, te identificeren.

Dit is vooral belangrijk bij de studie van Extremofiele micro-organismen, waarvan de optimale groeiomstandigheden moeilijk te simuleren zijn in het laboratorium.

Aan de andere kant heeft recombinant-DNA-technologie met het gebruik van genetisch gemodificeerde micro-organismen het mogelijk gemaakt om vervuilende stoffen uit het milieu te verwijderen in bioremediatieprocessen.

Bestudeer gebieden van omgevingsmicrobiologie

Zoals aanvankelijk aangegeven, omvatten de verschillende studiegebieden van de omgevingsmicrobiologie de disciplines microbiële ecologie, geomicrobiologie en bioremediatie.

-Microbiële ecologie

Microbiële ecologie combineert microbiologie met ecologische theorie door de diversiteit van microbiële functionele rollen in hun natuurlijke omgeving te bestuderen.

Micro-organismen vertegenwoordigen de grootste biomassa op aarde, dus het is niet verwonderlijk dat hun ecologische functies of rollen de ecologische geschiedenis van ecosystemen beïnvloeden.

Een voorbeeld van deze invloed is het ontstaan van aërobe levensvormen dankzij de ophoping van zuurstof (O ₂ ) in de primitieve atmosfeer, gegenereerd door de fotosynthetische activiteit van cyanobacteriën.

Onderzoeksgebieden van microbiële ecologie

Microbiële ecologie is transversaal naar alle andere disciplines van de microbiologie en bestudeert:

Microbiële diversiteit en zijn evolutionaire geschiedenis.
Interacties tussen micro-organismen in een populatie en tussen populaties in een gemeenschap.
Interacties tussen micro-organismen en planten.
Fytopathogenen (bacterieel, schimmel en viraal).
Interacties tussen micro-organismen en dieren.
De microbiële gemeenschappen, hun samenstelling en de processen van opvolging.
Microbiële aanpassingen aan omgevingsomstandigheden.
De soorten microbiële habitats (atmosfeer-ecosfeer, hydro-ecosfeer, litho-ecosfeer en extreme habitats).

-Geomicrobiologie

Geomicrobiologie bestudeert de microbiële activiteiten die terrestrische geologische en geochemische processen (biogeochemische cycli) beïnvloeden.

Deze komen voor in de atmosfeer, de hydrosfeer en de geosfeer, met name in omgevingen zoals recente sedimenten, grondwaterlichamen in contact met sedimentaire en stollingsgesteenten, en in de verweerde aardkorst.

Het is gespecialiseerd in micro-organismen die onder andere een wisselwerking hebben met mineralen in hun omgeving, deze oplossen, transformeren en neerslaan.

Geomicrobiologische onderzoeksgebieden

Geomicrobiologische onderzoeken:

Microbiële interacties met geologische processen (bodemvorming, afbraak van gesteente, synthese en afbraak van mineralen en fossiele brandstoffen).
De vorming van mineralen van microbiële oorsprong, hetzij door neerslag, hetzij door oplossen in het ecosysteem (bijvoorbeeld in watervoerende lagen).
Microbiële interventie in biogeochemische cycli van de geosfeer.
Microbiële interacties die ongewenste klonten van micro-organismen op een oppervlak vormen (biofouling). Deze biofouling kan leiden tot aantasting van de oppervlakken die ze bewonen. Ze kunnen bijvoorbeeld metalen oppervlakken aantasten (biocorrosie).
Fossiel bewijs van interacties tussen micro-organismen en mineralen uit hun primitieve omgeving.

Stromatolieten zijn bijvoorbeeld gestratificeerde fossiele minerale structuren uit ondiepe wateren. Ze zijn gemaakt van carbonaten uit de wanden van primitieve cyanobacteriën.

Figuur 4. Links: fossiele stromatolieten in ondiep water (bron foto links: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Rechts: detail van de stromatolieten (juiste fotobron: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediatie

Bioremediatie bestudeert de toepassing van biologische agentia (micro-organismen en / of hun enzymen en planten) bij herstelprocessen van bodems en water die zijn verontreinigd met stoffen die gevaarlijk zijn voor de menselijke gezondheid en het milieu.

Figuur 5. Olieverontreiniging in het Ecuadoraanse Amazone regenwoud. Bron: Ministerie van Buitenlandse Zaken van Ecuador, via Wikimedia Commons

Veel van de huidige milieuproblemen kunnen worden opgelost met behulp van de microbiële component van het mondiale ecosysteem.

Onderzoeksgebieden van bioremediatie

Bioremediatie-onderzoeken:

De microbiële metabole capaciteiten die van toepassing zijn in milieusaneringsprocessen.
Microbiële interacties met anorganische en xenobiotische verontreinigende stoffen (giftige synthetische producten, niet gegenereerd door natuurlijke biosynthetische processen). Tot de meest bestudeerde xenobiotische verbindingen behoren halogeenkoolwaterstoffen, nitroaromaten, polychloorbifenylen, dioxines, alkylbenzylsulfonaten, petroleumkoolwaterstoffen en pesticiden. Tot de meest bestudeerde anorganische elementen behoren zware metalen.
De biologische afbreekbaarheid van milieuverontreinigende stoffen in situ en in het laboratorium.

Toepassingen van omgevingsmicrobiologie

Onder de vele toepassingen van deze uitgebreide wetenschap kunnen we noemen:

De ontdekking van nieuwe microbiële metabolische routes met mogelijke toepassingen in processen van commerciële waarde.
Reconstructie van microbiële fylogenetische relaties.
De analyse van watervoerende lagen en openbare drinkwatervoorzieningen.
Oplossen of uitlogen (bioleaching) van metalen in het medium, voor hun herstel.
Biohydrometallurgie of biominering van zware metalen, in bioremediatieprocessen van verontreinigde gebieden.
Biocontrole van micro-organismen die betrokken zijn bij de biocorrosie van containers voor radioactief afval die zijn opgelost in ondergrondse watervoerende lagen.
Reconstructie van de primitieve aardse geschiedenis, de paleomilieu en de primitieve levensvormen.
Constructie van bruikbare modellen in de zoektocht naar versteend leven op andere planeten, zoals Mars.
Sanering van gebieden die zijn verontreinigd met xenobiotische of anorganische stoffen, zoals zware metalen.

Referenties

Ehrlich, HL en Newman, DK (2009). Geomicrobiologie. Vijfde editie, CRC Press. blz 630.
Malik, A. (2004). Metaalbioremediatie door groeiende cellen. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
McKinney, RE (2004). Milieuverontreiniging Microbiologie. M. Dekker. blz 453.
Prescott, LM (2002). Microbiologie. Vijfde editie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. blz 1147.
Van den Burg, B. (2003). Extremofielen als bron voor nieuwe enzymen. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
Wilson, SC en Jones, KC (1993). Bioremediatie van grond die is verontreinigd met polynucleaire aromatische koolwaterstoffen (PAK's): een overzicht. Milieuverontreiniging, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

OMGEVINGSMICROBIOLOGIE: OBJECT VAN STUDIE EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2025