كائن علم الأحياء الدقيقة البيئي للدراسة والتطبيقات

ال علم الأحياء الدقيقة البيئية هو العلم الذي يدرس تنوع ووظيفة الكائنات الحية الدقيقة في بيئاتها الطبيعية وتطبيقات قدراتها الأيضية في عمليات المعالجة الحيوية للتربة والمياه الملوثة. وعادة ما يتم تقسيمها إلى تخصصات: البيئة الميكروبية ، الجيولوجيا البيولوجية والمعالجة الحيوية.

علم الأحياء الدقيقة (MIKROS: صغير, السير: الحياة, الشعارات: دراسة) ، دراسات بطريقة متعددة التخصصات ، مجموعة واسعة ومتنوعة من الكائنات المجهرية أحادية الخلية (من 1 إلى 30 ميكرون) ، مرئية فقط من خلال المجهر الضوئي (غير مرئي للعين البشرية).

تختلف الكائنات المُجمَّعة في مجال علم الأحياء الدقيقة في العديد من الجوانب المهمة وتنتمي إلى فئات تصنيفية مختلفة جدًا. توجد كخلايا معزولة أو مرتبطة ويمكن أن تكون:

• بدائيات النوى الرئيسية (كائنات أحادية الخلية بدون نواة محددة) ، مثل البكتيريا والبكتيريا.
• حقيقيات النوى البسيطة (كائنات أحادية الخلية ذات نواة محددة) ، مثل الخمائر والفطريات الخيطية والطحالب الدقيقة والطفيليات.
• الفيروسات (غير الخلوية ، ولكن المجهرية).

الكائنات الحية الدقيقة قادرة على أداء جميع عملياتها الحيوية (النمو ، والتمثيل الغذائي ، وتوليد الطاقة والتكاثر) ، بشكل مستقل عن الخلايا الأخرى من نفس الفئة أو مختلفة.

مؤشر

• 1 الخصائص الميكروبية ذات الصلة
  • 1.1 التفاعل مع البيئة الخارجية
  • 1.2 الأيض
  • 1.3 التكيف مع بيئات متنوعة للغاية
  • 1.4 البيئات القاسية
  • 1.5 الكائنات الحية الدقيقة المتطرفة
• 2 البيولوجيا الجزيئية المطبقة على الأحياء الدقيقة البيئية
  • 2.1 العزلة والثقافة الميكروبية
  • 2.2 أدوات البيولوجيا الجزيئية
• 3 مجالات دراسة علم الأحياء المجهرية البيئية
  • 3.1 - علم البيئة الميكروبية
  • 3.2-جيولوجي علم الأحياء
  • 3.3 - المعالجة البيولوجية
• 4 تطبيقات علم الأحياء المجهرية البيئية
• 5 المراجع

الخصائص الميكروبية ذات الصلة

التفاعل مع البيئة الخارجية

تتعرض الكائنات أحادية الخلية للحياة الحرة بشكل خاص للبيئة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم حجم خلية صغير جدًا (مما يؤثر على التشكل ومرونة الأيض) ، ونسبة سطح / حجم عالية ، مما يولد تفاعلات مكثفة مع بيئتهم.

نتيجة لهذا ، يعتمد كل من البقاء والتوزيع الإيكولوجي الميكروبي على قدرتهما على التكيف من الناحية الفسيولوجية مع التغيرات البيئية المتكررة.

الأيض

نسبة سطح / حجم عالية يولد معدلات التمثيل الغذائي الميكروبية عالية. يرتبط هذا بمعدل النمو السريع وانقسام الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، هناك تنوع كبير في التمثيل الغذائي الميكروبي في الطبيعة.

الكائنات الحية الدقيقة يمكن اعتبارها آلات كيميائية ، والتي تحول المواد المختلفة داخل وخارج. ويرجع ذلك إلى نشاطها الأنزيمي ، الذي يسرع سرعات التفاعلات الكيميائية المحددة.

التكيف مع بيئات متنوعة للغاية

بشكل عام ، فإن الموائل الميكروبية الميكروبية ديناميكية وغير متجانسة فيما يتعلق بنوع وكمية العناصر الغذائية الموجودة ، وكذلك ظروفها الفيزيائية والكيميائية.

هناك نظم بيئية ميكروبية:

• الأرضية (في الصخور والتربة).
• مائية (في المحيطات ، البرك ، البحيرات ، الأنهار ، الينابيع الساخنة ، الخزانات المائية).
• يرتبط بالكائنات الحية العليا (النباتات والحيوانات).

البيئات القاسية

توجد الكائنات الحية الدقيقة في جميع البيئات تقريبًا على كوكب الأرض ، مألوفة أو غير مألوفة في أشكال الحياة العليا.

البيئات ذات الظروف القاسية فيما يتعلق بدرجة الحرارة والملوحة ودرجة الحموضة وتوافر المياه (من بين الموارد الأخرى) ، تقدم الكائنات الحية الدقيقة "الشديدة الحساسية". هذه هي في الغالب archaea (أو archaebacteria) ، والتي تشكل المجال البيولوجي الرئيسي متباينة من البكتيريا و Eukarya ، ودعا Archaea..

الكائنات الحية الدقيقة المتطرفة

من بين مجموعة واسعة من الكائنات الحية الدقيقة المتطرفة ، هي:

• مواقد حرارية: تقدم النمو الأمثل عند درجات حرارة تزيد عن 40 درجة مئوية (سكان الينابيع الحرارية).
• Psychophilic: النمو الأمثل في درجات حرارة أقل من 20 درجة مئوية (سكان الأماكن التي تحتوي على الجليد).
• Acidófilos: من النمو الأمثل في ظروف انخفاض الرقم الهيدروجيني ، ما يقرب من 2 (حمض). موجودة في المياه الحرارية الحمضية والشقوق البركانية تحت الماء.
• الهالوفيلات: التي تتطلب تركيزات عالية من الملح (NaCl) لتنمو (كما في المحاليل الملحية).
• Xerophiles: قادرة على تحمل الجفاف ، أي انخفاض نشاط المياه (سكان الصحارى مثل Atacama في شيلي).

البيولوجيا الجزيئية المطبقة على الأحياء الدقيقة البيئية

العزلة والثقافة الميكروبية

لدراسة الخصائص العامة والقدرات الأيضية للكائنات الحية الدقيقة ، يجب أن تكون: معزولة عن بيئتها الطبيعية وتحفظ في ثقافة نقية (خالية من الكائنات الحية الدقيقة الأخرى) في المختبر.

فقط 1 ٪ من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الطبيعة تم عزلها وزرعها في المختبر. ويرجع ذلك إلى جهل متطلباتها الغذائية المحددة وصعوبة محاكاة مجموعة واسعة من الظروف البيئية الحالية.

أدوات البيولوجيا الجزيئية

لقد سمح لنا تطبيق تقنيات البيولوجيا الجزيئية في مجال علم البيئة الميكروبية باستكشاف التنوع البيولوجي الميكروبي الحالي ، دون الحاجة إلى عزله وثقافته في المختبر. حتى أنه سمح بتحديد الكائنات الحية الدقيقة في الأحياء الدقيقة الطبيعية ، وهذا هو القول, في الموقع.

هذا مهم بشكل خاص في دراسة الكائنات الحية الدقيقة الشديدة التطرف ، التي تتسم ظروف نموها المثلى بالتعقيد في المختبر.

من ناحية أخرى ، فإن تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف باستخدام الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيا قد سمحت بإزالة الملوثات من البيئة في عمليات المعالجة البيولوجية..

مجالات دراسة علم الأحياء الدقيقة البيئية

كما هو موضح في البداية ، تشمل المجالات المختلفة لدراسة علم الأحياء المجهرية البيئية تخصصات علم الأحياء المجهرية ، والجيولوجيا الجيولوجية والمعالجة البيولوجية.

-علم البيئة الميكروبية

البيئة الميكروبية تدمج علم الأحياء الدقيقة بالنظرية البيئية ، من خلال دراسة تنوع الأدوار الوظيفية الميكروبية في بيئتها الطبيعية.

الكائنات الحية الدقيقة تمثل أكبر كتلة حيوية على كوكب الأرض ، لذلك ليس من المستغرب أن أدوارها أو أدوارها البيئية تؤثر على التاريخ البيئي للأنظمة الإيكولوجية.

مثال على هذا التأثير هو ظهور أشكال الحياة الهوائية بفضل تراكم الأكسجين (OR₂) في الجو البدائي ، المتولدة من نشاط التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء.

مجالات البحث في علم البيئة الميكروبية

البيئة الميكروبية مستعرضة لجميع التخصصات الأخرى في علم الأحياء المجهرية ، والدراسات:

• التنوع الميكروبي وتاريخها التطوري.
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة للسكان وبين السكان في المجتمع.
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والنباتات.
• مُمْرضات فيتوب (البكتيريا والفطريات والفيروسات).
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والحيوانات.
• المجتمعات الميكروبية ، وتكوينها وعمليات الخلافة.
• التعديلات الميكروبية للظروف البيئية.
• أنواع الموائل الميكروبية (atmo-ecosphere ، hydro-ecosphere ، litho-ecosphere والموائل الشديدة).

-علم الأحياء الدقيقة الجيولوجية

علم الجيولوجيا الجيولوجية يدرس الأنشطة الميكروبية التي تؤثر على العمليات الجيوكيميائية الجيولوجية (دورات الجيوكيمياء الأرضية).

وتحدث هذه في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الجليدي ، خاصة في البيئات مثل الرسوبيات الحديثة وأجسام المياه الجوفية التي تتلامس مع الصخور الرسوبية والبركانية وفي قشرة الأرض التي تتعرض للعوامل الجوية.

وهي متخصصة في الكائنات الحية الدقيقة التي تتفاعل مع المعادن في بيئتها ، وحلها ، وتحويلها ، عجل بها ، من بين أمور أخرى..

مجالات البحث الجيولوجي

دراسات الجيولوجيا الجيولوجية:

• التفاعلات الميكروبية مع العمليات الجيولوجية (تكوين التربة ، تكسير الصخور ، توليف المعادن والوقود الأحفوري).
• تكوين المعادن ذات الأصل الميكروبي ، إما عن طريق الترسيب أو الذوبان في النظام البيئي (على سبيل المثال ، في طبقات المياه الجوفية).
• التدخل الميكروبي في دورات البيوجيوكيميائية للغلاف الأرضي.
• التفاعلات الميكروبية التي تشكل كتل غير مرغوب فيها من الكائنات الحية الدقيقة على سطح (التزجيج الأحيائي). يمكن أن تولد هذه المواد الأحيائية تدهور الأسطح التي تسكنها. على سبيل المثال ، يمكنهم تآكل الأسطح المعدنية (التآكل البيولوجي).
• دليل حفري على التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والمعادن في بيئتها البدائية.

على سبيل المثال ، ستروماتوليت هي هياكل معدنية أحفورية طبقية للمياه الضحلة. تتشكل من كربونات ، قادمة من جدران البكتيريا الزرقاء البدائية.

-المعالجة البيولوجية

تدرس المعالجة البيولوجية تطبيق العوامل البيولوجية (الكائنات الحية المجهرية و / أو إنزيماتها ونباتاتها) ، في عمليات استعادة التربة والمياه الملوثة بمواد خطرة على صحة الإنسان والبيئة.

يمكن حل العديد من المشكلات البيئية الحالية باستخدام المكون الميكروبي للنظام البيئي العالمي.

مجالات البحث في العلاج الحيوي

دراسات العلاج الحيوي:

• القدرات الأيضية الجرثومية المطبقة في عمليات الصرف الصحي البيئي.
• التفاعلات الميكروبية مع الملوثات غير العضوية وكره الأجانب (المنتجات الاصطناعية السامة ، التي لا تولدها العمليات الحيوية الطبيعية). من بين المركبات الأكثر إثارة للخلفيات الحيوية هي الهالوكربونات ، النيتروميات ، ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، الديوكسين ، سلفونات الألكيل بنزيل ، الهيدروكربونات البترولية والمبيدات. من بين العناصر غير العضوية الأكثر دراسة ، تم العثور على المعادن الثقيلة.
• التحلل البيولوجي للملوثات البيئية في الموقع وفي المختبر.

تطبيقات علم الأحياء الدقيقة البيئية

من بين التطبيقات المتعددة لهذا العلم الواسع ، يمكننا أن نذكر:

• اكتشاف مسارات استقلابية ميكروبية جديدة مع تطبيقات محتملة في عمليات ذات قيمة تجارية.
• إعادة بناء العلاقات التطورية الميكروبية.
• تحليل طبقات المياه الجوفية وإمدادات مياه الشرب العامة.
• حل أو ترشيح (bioleaching) من المعادن في المتوسط ​​، لاسترداد.
• تعدين المعادن الحيوية أو الميكانيكا الحيوية للمعادن الثقيلة ، في عمليات المعالجة البيولوجية للمناطق الملوثة.
• المكافحة الحيوية للكائنات الحية الدقيقة المشاركة في التآكل البيولوجي لحاويات النفايات المشعة الذائبة في طبقات المياه الجوفية.
• إعادة بناء التاريخ الأرضي البدائي ، وبيئة الحفريات القديمة والأشكال البدائية للحياة.
• بناء نماذج مفيدة في البحث عن حياة متحجرة على كواكب أخرى ، مثل المريخ.
• الصرف الصحي للمناطق الملوثة بمواد غير حية للأجانب أو غير عضوية ، مثل المعادن الثقيلة.

مراجع

1. إيرليش ، هـ. ل. ونيومان ، دي. ك. (2009). علم الأحياء الدقيقة الجيولوجية. الطبعة الخامسة ، CRC Press. ص 630.
2. مالك ، أ. (2004). المعالجة البيولوجية المعدنية من خلال الخلايا المتنامية. منظمة البيئة الدولية ، 30 (2) ، 261-278. Doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. مكيني ، آر. (2004). علم الأحياء الدقيقة لمكافحة التلوث البيئي. م. ديكر ص 453.
4. بريسكوت ، م. (2002). علم الأحياء الدقيقة. الطبعة الخامسة ، مكجرو العلوم / الهندسة / الرياضيات. ص 1147.
5. Van den Burg، B. (2003). المتطرفة كمصدر للأنزيمات الجديدة. الرأي الحالي في علم الأحياء الدقيقة ، 6 (3) ، 213-218. Doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson، S.C، and Jones، K.C. (1993). المعالجة البيولوجية للتربة الملوثة بالهيدروكربونات العطرية متعددة النوى: مراجعة. التلوث البيئي ، 81 (3) ، 229-249. Doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.