วัตถุประสงค์ของการศึกษาและการประยุกต์ทางจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม เป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาความหลากหลายและหน้าที่ของจุลินทรีย์ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและการประยุกต์ใช้ความสามารถในการเผาผลาญในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพของดินและน้ำที่ปนเปื้อน มันมักจะแบ่งออกเป็นสาขาวิชาของ: นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์, ธรณีวิทยาและชีววิทยา.

จุลชีววิทยาMikros: เล็ก, ไบออส: ชีวิต, โลโก้: การศึกษา), การศึกษาแบบสหวิทยาการกลุ่มที่มีความหลากหลายและหลากหลายของสิ่งมีชีวิตด้วยกล้องจุลทรรศน์เดียว (ตั้งแต่ 1 ถึง 30 μm) สามารถมองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบมองเห็นได้เท่านั้น.

สิ่งมีชีวิตที่ถูกจัดกลุ่มในด้านจุลชีววิทยานั้นมีความแตกต่างกันในหลาย ๆ ด้านที่สำคัญและเป็นของอนุกรมวิธานที่แตกต่างกันมาก มีอยู่เป็นเซลล์เดี่ยว ๆ หรือเซลล์ที่เชื่อมโยงและสามารถเป็น:

• โปรคาริโอตหลัก (สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่ไม่มีนิวเคลียสที่กำหนด) เช่นยูคาแบคทีเรียและอาร์คีแบคทีเรีย.
• ยูคาริโอตธรรมดา (สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่มีนิวเคลียสที่กำหนดไว้) เช่นยีสต์เห็ดราเส้นใยสาหร่ายและโปรโตซัว.
• ไวรัส (ซึ่งไม่ใช่มือถือ แต่เป็นกล้องจุลทรรศน์).

จุลินทรีย์มีความสามารถในการดำเนินการกระบวนการที่สำคัญทั้งหมดของพวกเขา (การเจริญเติบโต, การเผาผลาญ, การสร้างพลังงานและการสืบพันธุ์), เป็นอิสระจากเซลล์อื่น ๆ ในระดับเดียวกันหรือแตกต่างกัน.

ดัชนี

• 1 ลักษณะของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้อง
  • 1.1 การโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมภายนอก
  • 1.2 การเผาผลาญ
  • 1.3 การปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่หลากหลายมาก
  • 1.4 สภาพแวดล้อมสุดขั้ว
  • 1.5 จุลินทรีย์ Extremophile
• 2 อณูชีววิทยาที่ใช้กับจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม
  • 2.1 การแยกและวัฒนธรรมจุลินทรีย์
  • 2.2 เครื่องมือชีววิทยาระดับโมเลกุล
• 3 สาขาวิชาจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม
  • 3.1 - นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์
  • 3.2 -Geomicroiology
  • 3.3 -Biorremediation
• 4 การประยุกต์ของจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม
• 5 อ้างอิง

ลักษณะของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้อง

การโต้ตอบกับสภาพแวดล้อมภายนอก

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่ปราศจากสิ่งมีชีวิตสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมภายนอกเป็นพิเศษ นอกจากนี้พวกเขามีทั้งขนาดเซลล์ที่เล็กมาก (ซึ่งมีผลต่อสัณฐานวิทยาและความยืดหยุ่นในการเผาผลาญของพวกเขา) และอัตราส่วนพื้นผิว / ปริมาตรสูงซึ่งสร้างปฏิสัมพันธ์อย่างกว้างขวางกับสภาพแวดล้อมของพวกเขา.

ด้วยเหตุนี้ทั้งการอยู่รอดและการกระจายทางนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์จึงขึ้นอยู่กับความสามารถในการปรับสภาพทางสรีรวิทยาให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงบ่อยครั้ง.

การเผาผลาญอาหาร

อัตราส่วนพื้นผิว / ปริมาตรสูงสร้างอัตราการเผาผลาญจุลินทรีย์สูง เรื่องนี้เกี่ยวข้องกับอัตราการเติบโตและการแบ่งเซลล์อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ยังมีความหลากหลายในการเผาผลาญจุลินทรีย์ในธรรมชาติ.

จุลินทรีย์ถือได้ว่าเป็นเครื่องจักรเคมีที่เปลี่ยนสารต่าง ๆ ทั้งภายในและภายนอก นี่เป็นเพราะกิจกรรมของเอนไซม์ซึ่งเร่งความเร็วของปฏิกิริยาเคมีเฉพาะ.

ปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมที่หลากหลายมาก

โดยทั่วไปถิ่นที่อยู่ของจุลินทรีย์จุลินทรีย์นั้นมีความหลากหลายและมีความแตกต่างกันไปตามประเภทและปริมาณของสารอาหารที่มีอยู่รวมถึงสภาพทางเคมีกายภาพ.

มีระบบนิเวศของจุลินทรีย์:

• ภาคพื้นดิน (ในหินและดิน).
• น้ำ (ในมหาสมุทร, บ่อ, ทะเลสาบ, แม่น้ำ, น้ำพุร้อน, ชั้นหินอุ้มน้ำ).
• เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตที่สูงขึ้น (พืชและสัตว์).

สภาพแวดล้อมที่รุนแรง

จุลินทรีย์นั้นพบได้ในแทบทุกสภาพแวดล้อมบนโลกใบนี้คุ้นเคยหรือไม่กับสิ่งมีชีวิตที่สูงกว่า.

สภาพแวดล้อมที่มีสภาวะสุดขั้วเกี่ยวกับอุณหภูมิความเค็ม pH และความพร้อมใช้ของน้ำ (ท่ามกลางทรัพยากรอื่น ๆ ) นำเสนอจุลินทรีย์ "extremophile" เหล่านี้ส่วนใหญ่เป็น Archaea (หรือ archaebacteria) ซึ่งเป็นโดเมนทางชีววิทยาหลักที่แตกต่างจากแบคทีเรียและ Eukarya เรียกว่า Archaea.

จุลินทรีย์เอกซ์เรย์โตไฟล์

ท่ามกลางความหลากหลายของจุลินทรีย์ extremophile คือ:

• Thermophiles: ที่แสดงการเติบโตที่ดีที่สุดที่อุณหภูมิสูงกว่า 40 ° C (ผู้อาศัยในบ่อน้ำพุร้อน).
• Psychophilic: การเติบโตที่ดีที่สุดที่อุณหภูมิต่ำกว่า 20 ° C (ผู้อยู่อาศัยในสถานที่ที่มีน้ำแข็ง).
• Acidófilos: การเจริญเติบโตที่เหมาะสมในสภาวะที่มีค่า pH ต่ำใกล้เคียงกับ 2 (กรด) มีอยู่ในน่านน้ำร้อนและรอยแตกของภูเขาไฟใต้ทะเล.
• Halophiles: ซึ่งต้องใช้ความเข้มข้นสูงของเกลือ (NaCl) ในการเจริญเติบโต (เช่นในน้ำเกลือ).
• ซีโรฟิล: สามารถต้านทานภัยแล้งได้นั่นคือกิจกรรมทางน้ำต่ำ (ชาวทะเลทรายเช่น Atacama ในชิลี).

ชีววิทยาโมเลกุลที่ใช้กับจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

การแยกและวัฒนธรรมจุลินทรีย์

เพื่อศึกษาลักษณะทั่วไปและความสามารถในการเผาผลาญของจุลินทรีย์จะต้อง: แยกออกจากสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติและเก็บไว้ในวัฒนธรรมบริสุทธิ์ (ปราศจากจุลินทรีย์อื่น ๆ ) ในห้องปฏิบัติการ.

มีเพียง 1% ของจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในธรรมชาติเท่านั้นที่ถูกแยกออกและเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการ นี่เป็นเพราะความไม่รู้ของข้อกำหนดทางโภชนาการเฉพาะของพวกเขาและความยากลำบากในการจำลองสภาพแวดล้อมที่หลากหลายที่มีอยู่.

เครื่องมือทางอณูชีววิทยา

การประยุกต์ใช้เทคนิคทางอณูชีววิทยาในด้านนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ทำให้เราสามารถสำรวจความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ที่มีอยู่โดยไม่จำเป็นต้องแยกตัวและเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการ มันยังได้รับอนุญาตให้ระบุเชื้อจุลินทรีย์ในแหล่งอาศัยตามธรรมชาติของพวกเขากล่าวคือ, ในแหล่งกำเนิด.

สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาของจุลินทรีย์ extremophile ซึ่งสภาวะการเติบโตที่เหมาะสมนั้นซับซ้อนในการจำลองในห้องปฏิบัติการ.

ในทางกลับกันเทคโนโลยีของดีเอ็นเอรีคอมบิแนนท์กับการใช้จุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรมช่วยให้สามารถกำจัดมลพิษจากสิ่งแวดล้อมในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพ.

สาขาวิชาจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

ตามที่ระบุไว้ในขั้นต้นพื้นที่ต่าง ๆ ของการศึกษาจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อมรวมถึงสาขาวิชาของนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ธรณีวิทยาและชีววิทยา bioremediation.

-นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์หลอมรวมจุลชีววิทยาด้วยทฤษฎีนิเวศวิทยาผ่านการศึกษาความหลากหลายของบทบาทหน้าที่ของจุลินทรีย์ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ.

จุลินทรีย์เป็นตัวแทนของชีวมวลที่ใหญ่ที่สุดในโลกดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่บทบาทหรือบทบาททางนิเวศวิทยาของพวกมันส่งผลกระทบต่อประวัติศาสตร์นิเวศวิทยาของระบบนิเวศ.

ตัวอย่างของอิทธิพลนี้คือการปรากฏตัวของสิ่งมีชีวิตแบบแอโรบิกด้วยการสะสมของออกซิเจน (หรือ₂) ในบรรยากาศดึกดำบรรพ์ซึ่งเกิดจากกิจกรรมการสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรีย.

สาขาวิจัยนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ถูกส่งผ่านไปยังสาขาอื่น ๆ ของจุลชีววิทยาและการศึกษา:

• ความหลากหลายของจุลินทรีย์และประวัติศาสตร์วิวัฒนาการ.
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ในประชากรและระหว่างประชากรในชุมชน.
• ปฏิกิริยาระหว่างจุลินทรีย์กับพืช.
• ไฟโตทอโธเกน (แบคทีเรียเชื้อราและไวรัส).
• ปฏิกิริยาระหว่างจุลินทรีย์กับสัตว์.
• ชุมชนจุลินทรีย์องค์ประกอบและกระบวนการสืบทอด.
• การปรับตัวของจุลินทรีย์กับสภาวะแวดล้อม.
• ประเภทของถิ่นที่อยู่ของจุลินทรีย์ (atmo-ecosphere, hydro-ecosphere, litho-ecosphere และที่อยู่อาศัยสุดขีด).

-geomicrobiology

Geomicroiology ศึกษากิจกรรมของจุลินทรีย์ที่มีผลต่อกระบวนการทางธรณีวิทยาและธรณีเคมี (วงจร biogeochemical ภาคพื้นดิน).

สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศ hydrosphere และ geosphere โดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมเช่นตะกอนล่าสุดร่างของน้ำใต้ดินที่สัมผัสกับหินตะกอนและหินอัคนี.

มันมีความเชี่ยวชาญในจุลินทรีย์ที่มีปฏิสัมพันธ์กับแร่ธาตุในสภาพแวดล้อมของพวกเขาละลายพวกเขาเปลี่ยนพวกเขาตกตะกอนพวกเขาและคนอื่น ๆ.

สาขาวิจัยทางธรณีวิทยาชีววิทยา

การศึกษาทางธรณีวิทยาชีววิทยา:

• การมีปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์กับกระบวนการทางธรณีวิทยา (การก่อตัวของดินการแตกของหินการสังเคราะห์และการสลายตัวของแร่ธาตุและเชื้อเพลิงฟอสซิล).
• การก่อตัวของแร่ธาตุจากแหล่งกำเนิดของจุลินทรีย์ไม่ว่าจะโดยการตกตะกอนหรือการสลายตัวในระบบนิเวศ (ตัวอย่างเช่นในชั้นหินอุ้มน้ำ).
• การแทรกแซงของจุลินทรีย์ในวัฏจักร biogeochemical ของ geosphere.
• การมีปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์ที่ก่อให้เกิดกลุ่มของจุลินทรีย์ที่ไม่พึงประสงค์บนพื้นผิว (biofouling) วัสดุชีวภาพเหล่านี้สามารถสร้างความเสื่อมของพื้นผิวที่อาศัย ตัวอย่างเช่นพวกเขาสามารถกร่อนผิวโลหะ (biocorrosion).
• หลักฐานฟอสซิลของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์และแร่ธาตุในสภาพแวดล้อมดั้งเดิม.

ตัวอย่างเช่นสโตรมาโตไลต์เป็นโครงสร้างแร่ฟอสซิลของน้ำตื้น พวกมันประกอบด้วยคาร์บอเนตซึ่งมาจากผนังของไซยาโนแบคทีเรียดั้งเดิม.

-การบำบัดทางชีวภาพ

การบำบัดทางชีวภาพศึกษาการใช้สารชีวภาพ (จุลินทรีย์และ / หรือเอนไซม์และพืช) ในกระบวนการฟื้นฟูดินและน้ำที่ปนเปื้อนด้วยสารที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม.

ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่มีอยู่จำนวนมากสามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้องค์ประกอบของจุลินทรีย์ในระบบนิเวศโลก.

สาขาการวิจัยการบำบัดทางชีวภาพ

การศึกษาการบำบัดทางชีวภาพ:

• ความสามารถในการเผาผลาญจุลินทรีย์ที่ใช้ในกระบวนการสุขาภิบาลสิ่งแวดล้อม.
• การมีปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์กับสารอนินทรีย์และ xenobiotic (ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ที่เป็นพิษไม่ได้เกิดจากกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพตามธรรมชาติ) ในบรรดาสารประกอบซีโนบิคที่มีการศึกษามากที่สุด ได้แก่ ฮาโลคาร์โบไนโตรอาราพีติค, โพลีคลอโรเนตบิฟินิล, ไดออกซิน, อัลคิลเบนซิลซัลโฟเนต, ไฮโดรคาร์บอนปิโตรเลียมและยาฆ่าแมลง ในบรรดาองค์ประกอบอนินทรีย์ที่ได้รับการศึกษามากที่สุดจะพบโลหะหนัก.
• ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของมลพิษสิ่งแวดล้อม ในแหล่งกำเนิด และในห้องปฏิบัติการ.

การประยุกต์ทางจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

ในบรรดาการใช้งานที่หลากหลายของวิทยาศาสตร์อันกว้างใหญ่นี้เราสามารถพูดถึง:

• การค้นพบเส้นทางการเผาผลาญจุลินทรีย์ใหม่พร้อมกับการใช้งานที่มีศักยภาพในกระบวนการของมูลค่าเชิงพาณิชย์.
• การสร้างใหม่ของความสัมพันธ์ทางสายวิวัฒนาการจุลินทรีย์.
• การวิเคราะห์ชั้นหินอุ้มน้ำและแหล่งน้ำสาธารณะ.
• การละลายหรือชะล้าง (การชะล้างทางชีวภาพ) ของโลหะในตัวกลางเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่.
• Biohydrometallurgy หรือชีวกลศาสตร์ของโลหะหนักในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพของพื้นที่ปนเปื้อน.
• Biocontrol ของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องในการกำจัดสิ่งแปลกปลอมทางชีวภาพของภาชนะบรรจุกากกัมมันตรังสีที่ละลายในชั้นหินอุ้มน้ำใต้ดิน.
• การสร้างประวัติศาสตร์ภาคพื้นดินโบราณสภาพแวดล้อมยุคก่อนประวัติศาสตร์และรูปแบบดั้งเดิมของชีวิต.
• การสร้างแบบจำลองที่มีประโยชน์ในการค้นหาสิ่งมีชีวิตบนซากดึกดำบรรพ์บนดาวเคราะห์ดวงอื่นเช่นมาร์ส.
• สุขาภิบาลของพื้นที่ที่ปนเปื้อนด้วยสาร xenobiotic หรืออนินทรีย์เช่นโลหะหนัก.

การอ้างอิง

1. Ehrlich, H. L. และ Newman, D. K. (2009) Geomicrobiology รุ่นที่ห้า, CRC Press หน้า 630.
2. Malik, A. (2004) การบำบัดทางโลหะผ่านเซลล์ที่กำลังเติบโต สิ่งแวดล้อมระหว่างประเทศ, 30 (2), 261-278 ดอย: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, R. E. (2004) จุลชีววิทยาควบคุมมลพิษทางสิ่งแวดล้อม. M. Dekker หน้า 453.
4. เพรสคอตต์, แอล. เมตร (2545) จุลชีววิทยา รุ่นที่ห้าวิทยาศาสตร์ / วิศวกรรม / คณิตศาสตร์ McGraw-Hill หน้า 1147.
5. Van den Burg, B. (2003) Extremophiles เป็นแหล่งของเอนไซม์ใหม่ ความคิดเห็นปัจจุบันทางจุลชีววิทยา, 6 (3), 213-218 ดอย: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, S.C. และ Jones, K.C. (1993) การบำบัดดินที่ปนเปื้อนด้วยสารไฮโดรคาร์บอนโพลีนิวเคลียร์ (PAHs): การทบทวน มลพิษสิ่งแวดล้อม, 81 (3), 229-249 ดอย: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.