علم الأحياء الدقيقة البيئية: موضوع الدراسة والتطبيقات
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 المجهرية ( mikros : صغير ، السير : الحياة ، الشعارات: دراسة) ، يدرس 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 الحية المُجمَّعة في مجال علم الأحياء الدقيقة في العديد من الجوانب المهمة وتنتمي إلى فئات تصنيفية مختلفة جدًا. إنها موجودة كخلايا معزولة أو مرتبطة ويمكن أن تكون:
- بدائيات النوى الرئيسية (كائنات أحادية الخلية بدون نواة محددة) ، مثل البكتيريا والبكتيريا الأثرية.
- حقيقيات النوى البسيطة (كائنات أحادية الخلية ذات نواة محددة) ، مثل الخمائر والفطريات الخيطية والطحالب والطفيليات.
- الفيروسات (التي ليست الخلوية ، ولكن المجهرية).
الكائنات الحية الدقيقة قادرة على تنفيذ جميع عملياتها الحيوية (النمو ، والتمثيل الغذائي ، وتوليد الطاقة والتكاثر) ، بشكل مستقل عن الخلايا الأخرى من نفس الفئة أو مختلفة.
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 قدرتها على التكيف الفسيولوجي 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 الجرثومية ديناميكية وغير متجانسة فيما يتعلق بنوع وكمية العناصر الغذائية الموجودة ، وكذلك ظروفها الفيزيائية والكيميائية.
هناك نظم بيئية ميكروبية:
- الأرضية (في الصخور والتربة).
- المائية (في المحيطات ، البرك ، البحيرات ، الأنهار ، الينابيع الساخنة ، الخزانات المائية).
- يرتبط مع الكائنات 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 أعلى من 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 تشيلي).
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.
تم عزل 1 ٪ فقط من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الطبيعة 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 البيئة الميكروبية باستكشاف التنوع البيولوجي الميكروبي الحالي ، دون الحاجة إلى عزله وثقافته في المختبر. حتى أنها سمحت بتحديد الكائنات الحية الدقيقة في الأحياء الدقيقة الطبيعية ، أي في الموقع الطبيعي .
هذا مهم بشكل خاص في دراسة الكائنات الحية الدقيقة الشديدة التطرف ، التي تتسم ظروف النمو المثلى فيها بالتعقيد في المختبر.
من ناحية أخرى ، فإن تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف باستخدام الكائنات الحية الدقيقة المعدلة وراثيا 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 ، الجيولوجيا البيولوجية والمعالجة الحيوية.
- علم البيئة الميكروبية
البيئة الميكروبية تدمج علم الأحياء الدقيقة بالنظرية البيئية ، من خلال دراسة تنوع الأدوار الوظيفية الميكروبية في بيئتها الطبيعية.
تمثل الكائنات الحية الدقيقة 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 (O 2 ) في الجو البدائي ، الناتج عن نشاط التمثيل الضوئي في البكتيريا 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.
- المواد المسببة للأمراض النباتية (البكتيرية والفطرية والفيروسية).
- 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).
-Geomicrobiología
علم الجيولوجيا الجيولوجية يدرس الأنشطة الميكروبية التي تؤثر على العمليات الجيوكيميائية الجيوكيميائية الأرضية الجيوكيميائية.
وتحدث هذه في الغلاف الجوي ، والغلاف المائي والغلاف الجوي ، ولا سيما في بيئات مثل الرسوبيات الحديثة ، ومسطحات المياه الجوفية التي تتلامس مع الصخور الرسوبية والبركانية وفي قشرة الأرض المصابة.
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 ، تصنيع وتآكل 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.
-Biorremediación
تدرس المعالجة البيولوجية تطبيق العوامل البيولوجية (الكائنات الحية المجهرية و / أو إنزيماتها ونباتاتها) ، في عمليات استرجاع التربة والمياه الملوثة بمواد خطيرة 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 الميكروبية 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 أكثر المركبات التي تم دراستها للأجانب الحيوية الهالوكربونات ، النيتروميات ، ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، الديوكسين ، سلفونات ألكيل بنزيل ، هيدروكربونات البترول ومبيدات الآفات. من بين العناصر غير العضوية الأكثر درسًا 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 القيمة التجارية.
- إعادة بناء العلاقات التطورية الميكروبية.
- تحليل طبقات المياه الجوفية وإمدادات مياه الشرب العامة.
- حل أو ترشيح (bioleaching) من المعادن في المتوسط ، لاستعادتها.
- تعدين المعادن الحيوية أو التحليل الحيوي للمعادن الثقيلة ، في عمليات المعالجة الحيوية للمناطق الملوثة.
- المكافحة الحيوية للكائنات الحية الدقيقة المشاركة في التآكل البيولوجي لحاويات النفايات المشعة الذائبة في طبقات المياه الجوفية.
- إعادة بناء التاريخ الأرضي البدائي ، والبيئة القديمة والأشكال البدائية للحياة.
- بناء نماذج مفيدة في البحث عن الحياة المتحجرة في كواكب أخرى ، مثل المريخ.
- الصرف الصحي للمناطق الملوثة بمواد غير حية للأجانب أو غير عضوية ، مثل المعادن الثقيلة.
