ENVIRONMENTÁLNA MIKROBIOLÓGIA: PREDMET ŠTÚDIE A APLIKÁCIE - BIOLÓGIE - 2026

Environmental Microbiology je veda, ktorá študuje rozmanitosť a funkcie mikroorganizmov v ich prirodzenom prostredí a aplikácií ich metabolických schopnosti v bioremediácie kontaminovanej pôdy a vody. Zvyčajne sa delí na disciplíny: mikrobiálna ekológia, geomikrobiológia a bioremediácia.

Mikrobiológia (mikros: malá, bios: life, logos: study), interdisciplinárne štúdie širokej a rozmanitej skupiny mikroskopických jednobunkových organizmov (od 1 do 30 µm), viditeľné iba optickým mikroskopom (pre ľudské oko neviditeľné) ).

Obrázok 1. Vľavo: optický mikroskop, prístroj, ktorý umožňuje pozorovanie mikroorganizmov pod zväčšením (Zdroj: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Vpravo: elektrónový mikrograf široko distribuovaných baktérií v rode Pseudomonas (autor: CDC, s privolením: Verejná zdravotná knižnica obrázkov).

Organizmy zoskupené v oblasti mikrobiológie sú v mnohých dôležitých ohľadoch odlišné a patria do veľmi odlišných taxonomických kategórií. Existujú ako izolované alebo spojené bunky a môžu byť:

• Hlavné prokaryoty (jednobunkové organizmy bez definovaného jadra), ako sú eubaktérie a archaebaktérie.
• Jednoduché eukaryoty (jednobunkové organizmy s definovaným jadrom), ako sú droždie, vláknité huby, mikro riasy a prvoky.
• Vírusy (ktoré nie sú bunkové, ale sú mikroskopické).

Mikroorganizmy sú schopné vykonávať všetky svoje životne dôležité procesy (rast, metabolizmus, tvorbu a reprodukciu energie), nezávisle od iných buniek rovnakej alebo odlišnej triedy.

Relevantné mikrobiálne vlastnosti

Interakcia s vonkajším prostredím

Voľne žijúce jednobunkové organizmy sú zvlášť vystavené vonkajšiemu prostrediu. Okrem toho majú veľmi malú veľkosť buniek (čo ovplyvňuje ich morfológiu a metabolickú flexibilitu) a vysoký pomer povrch / objem, ktorý vytvára rozsiahle interakcie s prostredím.

Z tohto dôvodu závisí prežitie aj mikrobiálna ekologická distribúcia od jeho schopnosti fyziologickej adaptácie na časté zmeny prostredia.

metabolizmus

Vysoký pomer povrch / objem vytvára vysoké rýchlosti mikrobiálneho metabolizmu. Súvisí to s jeho rýchlou rýchlosťou rastu a delením buniek. Okrem toho v prírode existuje veľká mikrobiálna metabolická diverzita.

Mikroorganizmy sa môžu považovať za chemické stroje, ktoré transformujú rôzne látky vo vnútri aj zvonka. Je to kvôli jeho enzymatickej aktivite, ktorá zvyšuje rýchlosť špecifických chemických reakcií.

Prispôsobenie sa veľmi rôznym prostrediam

Mikrobiologický mikroorganizmus je vo všeobecnosti dynamický a heterogénny s ohľadom na druh a množstvo prítomných živín, ako aj na ich fyzikálno-chemické podmienky.

Existujú mikrobiálne ekosystémy:

• Pozemné (na skalách a pôde).
• Vodné (v oceánoch, rybníkoch, jazerách, riekach, horúcich prameňoch, kolektoroch).
• Spája sa s vyššími organizmami (rastlinami a zvieratami).

Extrémne prostredia

Mikroorganizmy sa nachádzajú prakticky v každom prostredí na planéte Zem, ktoré sú známe alebo nie pre vyššie formy života.

V prostrediach s extrémnymi podmienkami z hľadiska teploty, slanosti, pH a dostupnosti vody (okrem iných zdrojov) sú prítomné „extrémemofilné“ mikroorganizmy. Zvyčajne ide o archaea (alebo archaebacteria), ktoré tvoria primárnu biologickú doménu, ktorá sa líši od domény Bacteria a Eukarya, ktorá sa nazýva Archaea.

Obrázok 2. Biotopy extrémemofilných mikroorganizmov. Vľavo: Horúca pramenitá voda v národnom parku Yellowstone, kde boli študované termofilné mikroorganizmy (Zdroj: Jim Peaco, služba národného parku, prostredníctvom Wikimedia Commons). Vpravo: Antarktída, miesto, kde sa študovali psychrofilné mikroorganizmy (Zdroj: pxhere.com).

Extremofilné mikroorganizmy

Medzi najrôznejšie extremofilné mikroorganizmy patria:

• Termofily: ktoré vykazujú optimálny rast pri teplotách nad 40 ° C (obyvatelia termálnych prameňov).
• Psychrofily: optimálny rast pri teplotách pod 20 ° C (obyvatelia miest s ľadom).
• Acidofilný: s optimálnym rastom v podmienkach nízkeho pH, blízko 2 (kyselina). Prítomný v kyslých horúcich prameňoch a podvodných sopečných štrbinách.
• Halofily: na to, aby rast (ako v soľankách) vyžadoval vysoké koncentrácie soli (NaCl).
• Xerofily: sú schopné odolať suchu, tj nízkej vodnej aktivite (obyvatelia púští ako Atacama v Čile).

Molekulárna biológia aplikovaná na mikrobiológiu prostredia

Mikrobiálna izolácia a kultivácia

Na štúdium všeobecných charakteristík a metabolických kapacít mikroorganizmu musí byť: izolovaný zo svojho prírodného prostredia a uchovávaný v čistej kultúre (bez iných mikroorganizmov) v laboratóriu.

Obrázok 3. Mikrobiálna izolácia v laboratóriu. Vľavo: vláknité huby rastúce na pevnom kultivačnom médiu (Zdroj: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Vpravo: izolácia bakteriálneho kmeňa technikou očkovania vyčerpania (Zdroj: Drhx, od Wikimedia Commons).

V laboratóriu sa izolovalo a pestovalo iba 1% mikroorganizmov, ktoré existujú v prírode. Je to kvôli nedostatku znalostí o ich špecifických výživových požiadavkách a ťažkosti so simuláciou obrovskej rozmanitosti existujúcich environmentálnych podmienok.

Molecular Biology Tools

Aplikácia techník molekulárnej biológie v oblasti mikrobiálnej ekológie umožnila preskúmať existujúcu mikrobiálnu biodiverzitu bez potreby jej izolácie a kultivácie v laboratóriu. Umožnil dokonca identifikovať mikroorganizmy v ich prirodzených mikrohabitatoch, to znamená in situ.

Toto je obzvlášť dôležité pri štúdiu extrémemofilných mikroorganizmov, ktorých optimálne podmienky rastu sú zložité na simuláciu v laboratóriu.

Na druhej strane technológia rekombinantnej DNA s použitím geneticky modifikovaných mikroorganizmov umožnila elimináciu znečisťujúcich látok z prostredia v bioremediačných procesoch.

Študijné oblasti mikrobiológie životného prostredia

Ako bolo pôvodne naznačené, medzi rôzne oblasti štúdia mikrobiológie životného prostredia patria disciplíny mikrobiálnej ekológie, geomikrobiológie a bioremediácie.

-Mikrobiálna ekológia

Mikrobiálna ekológia spája mikrobiológiu s ekologickou teóriou prostredníctvom štúdia diverzity mikrobiálnych funkčných úloh v ich prirodzenom prostredí.

Mikroorganizmy predstavujú najväčšiu biomasu na planéte Zem, preto nie je prekvapujúce, že ich ekologické funkcie alebo úlohy ovplyvňujú ekologickú históriu ekosystémov.

Príkladom tohto vplyvu je výskyt aeróbnych foriem života vďaka akumulácii kyslíka (O ₂ ) v primitívnej atmosfére, ktorá sa vytvára fotosyntetickou aktivitou cyanobaktérií.

Výskumné oblasti mikrobiálnej ekológie

Mikrobiálna ekológia je prierezová k všetkým ostatným disciplínam mikrobiológie a študuje:

• Mikrobiálna diverzita a jej evolučná história.
• Interakcie medzi mikroorganizmami v populácii a medzi populáciami v komunite.
• Interakcie medzi mikroorganizmami a rastlinami.
• Fytopatogény (bakteriálne, hubové a vírusové).
• Interakcie medzi mikroorganizmami a zvieratami.
• Mikrobiálne spoločenstvá, ich zloženie a procesy sukcesie.
• Mikrobiálne prispôsobenie podmienkam prostredia.
• Druhy mikrobiálnych biotopov (atmosféra-ekosféra, hydroekosféra, litoekosféra a extrémne biotopy).

-Geomicrobiology

Geomikrobiológia študuje mikrobiálne aktivity, ktoré ovplyvňujú geologické a geochemické procesy na zemi (biogeochemické cykly).

Vyskytujú sa v atmosfére, hydrosfére a geosfére, konkrétne v prostrediach, ako sú nedávne sedimenty, útvary podzemnej vody v kontakte so sedimentárnymi a vyvrelými horninami a v zvetrávanej zemskej kôre.

Špecializuje sa na mikroorganizmy, ktoré interagujú s minerálmi v ich prostredí, okrem iného sa rozpúšťajú, transformujú, zrážajú.

Oblasti výskumu geomikrobiológie

Geomikrobiologické štúdie:

• Mikrobiálne interakcie s geologickými procesmi (tvorba pôdy, rozklad horniny, syntéza a degradácia minerálov a fosílnych palív).
• Tvorba minerálov mikrobiálneho pôvodu, buď zrážaním alebo rozpúšťaním v ekosystéme (napríklad vo zvodnených vrstvách).
• Mikrobiálna intervencia v biogeochemických cykloch geosféry.
• Mikrobiálne interakcie, ktoré tvoria nežiaduce zhluky mikroorganizmov na povrchu (biologické znečistenie). Toto biologické znečistenie môže spôsobiť poškodenie povrchov, ktoré obývajú. Napríklad môžu korodovať kovové povrchy (biokorózia).
• Fosílne dôkazy o interakciách medzi mikroorganizmami a minerálmi z ich primitívneho prostredia.

Napríklad stromatolity sú vrstvené fosílne minerálne štruktúry z plytkých vôd. Sú tvorené z uhličitanov zo stien primitívnych cyanobaktérií.

Obrázok 4. Vľavo: fosílne stromatolity v plytkej vode (ľavý zdroj fotografií: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Vpravo: detail stromatolitov (zdroj pravej fotografie: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediation

Bioremediačné štúdie skúmajú aplikáciu biologických činiteľov (mikroorganizmov a / alebo ich enzýmov a rastlín) v procesoch regenerácie pôdy a vody kontaminovanej látkami nebezpečnými pre ľudské zdravie a životné prostredie.

Obrázok 5. Kontaminácia ropou v ekvádorskom amazonskom dažďovom pralese. Zdroj: Ekvádorské ministerstvo zahraničných vecí, prostredníctvom Wikimedia Commons

Mnohé z environmentálnych problémov, ktoré v súčasnosti existujú, možno vyriešiť použitím mikrobiálnej zložky globálneho ekosystému.

Oblasti výskumu bioremediácie

Štúdie bioremediácie:

• Mikrobiálne metabolické kapacity použiteľné v procesoch hygieny prostredia.
• Mikrobiálne interakcie s anorganickými a xenobiotickými znečisťujúcimi látkami (toxické syntetické produkty, ktoré sa nevytvárajú prírodnými biosyntetickými procesmi). Medzi najviac študované xenobiotické zlúčeniny patria halogénované uhľovodíky, nitroaromatiká, polychlórované bifenyly, dioxíny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhľovodíky a pesticídy. Medzi najviac študované anorganické prvky patria ťažké kovy.
• Biologická odbúrateľnosť látok znečisťujúcich životné prostredie in situ a v laboratóriu.

Aplikácie environmentálnej mikrobiológie

Spomedzi mnohých aplikácií tejto obrovskej vedy môžeme uviesť:

• Objav nových mikrobiálnych metabolických ciest s potenciálnymi aplikáciami v procesoch komerčnej hodnoty.
• Rekonštrukcia mikrobiálnych fylogenetických vzťahov.
• Analýza zásobníkov vody a verejných zásob pitnej vody.
• Rozpustenie alebo vylúhovanie (biologické vylúhovanie) kovov v médiu na ich regeneráciu.
• Biohydrometalurgia alebo biominizácia ťažkých kovov v bioremediačných procesoch kontaminovaných oblastí.
• Biokontroly mikroorganizmov podieľajúcich sa na biologickej korózii nádob na rádioaktívny odpad rozpustených v podzemných kolektoroch.
• Rekonštrukcia primitívnej pozemskej histórie, podnebia a primitívnych foriem života.
• Konštrukcia užitočných modelov pri hľadaní fosílneho života na iných planétach, ako je Mars.
• Sanitácia oblastí kontaminovaných xenobiotickými alebo anorganickými látkami, ako sú ťažké kovy.

Referencie

1. Ehrlich, HL a Newman, DK (2009). Geomikrobiologie. Piate vydanie, CRC Press. str. 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediácia kovov prostredníctvom rastúcich buniek. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10,016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Mikrobiológia na kontrolu znečistenia životného prostredia. M. Dekker. str. 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiológie. Piate vydanie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremofily ako zdroj nových enzýmov. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10,016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, a Jones, KC (1993). Bioremediácia pôdy kontaminovanej viacjadrovými aromatickými uhľovodíkmi (PAH): prehľad. Environmental Pollution, 81 (3), 229–249. doi: 10,016 / 0269-7491 (93) 90206-4.