Oggetto di studio e applicazioni di microbiologia ambientale

Il microbiologia ambientale è la scienza che studia la diversità e la funzione dei microrganismi nei loro ambienti naturali e le applicazioni delle loro capacità metaboliche nei processi di biorisanamento di suoli e acque contaminati. Di solito è suddiviso nelle discipline di: ecologia microbica, geomicrobiologia e biorisanamento.

Microbiologia (mikros: piccolo, bios: tutta la vita, loghi: studio), studia in modo interdisciplinare un gruppo ampio e diversificato di organismi unicellulari microscopici (da 1 a 30 µm), visibili solo al microscopio ottico (invisibili all'occhio umano).

Gli organismi raggruppati nel campo della microbiologia sono dissimili per molti aspetti importanti e appartengono a categorie tassonomiche molto diverse. Esistono come cellule isolate o associate e possono essere:

• Principali procarioti (organismi unicellulari senza un nucleo definito), come eubatteri e archeobatteri.
• Eucarioti semplici (organismi unicellulari con nuclei definiti), come lieviti, funghi filamentosi, microalghe e protozoi.
• Virus (che non sono cellulari, ma sono microscopici).

I microrganismi sono in grado di svolgere tutti i loro processi vitali (crescita, metabolismo, generazione e riproduzione di energia), indipendentemente da altre cellule della stessa o diversa classe.

Indice articolo

• 1 Caratteristiche microbiche rilevanti
  • 1.1 Interazione con l'ambiente esterno
  • 1.2 Metabolismo
  • 1.3 Adattamento ad ambienti molto diversi
  • 1.4 Ambienti estremi
  • 1.5 Microrganismi estremofili
• 2 Biologia molecolare applicata alla microbiologia ambientale
  • 2.1 Isolamento e coltura microbica
  • 2.2 Strumenti di biologia molecolare
• 3 Aree di studio della microbiologia ambientale
  • 3.1 -Ecologia microbica
  • 3.2 -Geomicrobiologia
  • 3.3 -Biorisanamento
• 4 Applicazioni della microbiologia ambientale
• 5 Riferimenti

Caratteristiche microbiche rilevanti

Interazione con l'ambiente esterno

Gli organismi unicellulari a vita libera sono particolarmente esposti all'ambiente esterno. Inoltre, hanno sia una dimensione cellulare molto piccola (che influisce sulla loro morfologia e flessibilità metabolica), sia un elevato rapporto superficie / volume, che genera ampie interazioni con il loro ambiente..

Per questo motivo sia la sopravvivenza che la distribuzione ecologica microbica dipendono dalla loro capacità di adattamento fisiologico a frequenti variazioni ambientali..

Metabolismo

L'elevato rapporto superficie / volume genera alti tassi metabolici microbici. Ciò è correlato al suo rapido tasso di crescita e divisione cellulare. Inoltre, in natura esiste un'ampia diversità metabolica microbica..

I microrganismi possono essere considerati macchine chimiche, che trasformano varie sostanze sia all'interno che all'esterno. Ciò è dovuto alla sua attività enzimatica, che accelera i tassi di reazioni chimiche specifiche..

Adattamento ad ambienti molto diversi

In generale, il microhabitat microbico è dinamico ed eterogeneo rispetto al tipo e alla quantità di nutrienti presenti, nonché alle loro condizioni fisico-chimiche..

Esistono ecosistemi microbici:

• Terrestre (su rocce e suolo).
• Acquatico (in oceani, stagni, laghi, fiumi, sorgenti termali, falde acquifere).
• Associato con organismi superiori (piante e animali).

Ambienti estremi

I microrganismi si trovano praticamente in ogni ambiente del pianeta Terra, familiari o meno a forme di vita superiori.

Ambienti con condizioni estreme rispetto a temperatura, salinità, pH e disponibilità di acqua (tra le altre risorse), presentano microrganismi "estremofili". Questi sono generalmente per lo più archaea (o archeobatteri), che formano un dominio biologico primario differenziato da quello dei batteri e degli eucarya, chiamato Archaea..

Microrganismi estremofili

Tra l'ampia varietà di microrganismi estremofili, ci sono:

• Termofili: mostra una crescita ottimale a temperature superiori a 40 ° C (abitanti delle sorgenti termali).
• Psicrofili: di crescita ottimale a temperature inferiori a 20 ° C (abitanti di luoghi con ghiaccio).
• Acidofilo: di crescita ottimale in condizioni di pH basso, prossimo a 2 (acido). Presente nelle sorgenti calde acide e nelle fessure vulcaniche sottomarine.
• Alofili: richiedono alte concentrazioni di sale (NaCl) per crescere (come nelle salamoie).
• Xerofili: in grado di resistere alla siccità, cioè alla bassa attività dell'acqua (abitanti di deserti come Atacama in Cile).

Biologia molecolare applicata alla microbiologia ambientale

Isolamento microbico e coltura

Per studiare le caratteristiche generali e le capacità metaboliche di un microrganismo, deve essere: isolato dal suo ambiente naturale e conservato in coltura pura (esente da altri microrganismi) in laboratorio.

Solo l'1% dei microrganismi esistenti in natura è stato isolato e coltivato in laboratorio. Ciò è dovuto alla mancanza di conoscenza delle loro specifiche esigenze nutrizionali e alla difficoltà di simulare la grande varietà di condizioni ambientali esistenti..

Strumenti di biologia molecolare

L'applicazione delle tecniche di biologia molecolare al campo dell'ecologia microbica ha permesso di esplorare la biodiversità microbica esistente, senza la necessità del suo isolamento e coltivazione in laboratorio. Ha persino permesso di identificare i microrganismi nei loro microhabitat naturali, cioè,, sul posto.

Ciò è particolarmente importante nello studio dei microrganismi estremofili, le cui condizioni di crescita ottimali sono complesse da simulare in laboratorio..

D'altra parte, la tecnologia del DNA ricombinante con l'utilizzo di microrganismi geneticamente modificati ha consentito l'eliminazione di sostanze inquinanti dall'ambiente nei processi di biorisanamento..

Aree di studio della microbiologia ambientale

Come inizialmente indicato, le diverse aree di studio della microbiologia ambientale comprendono le discipline dell'ecologia microbica, della geomicrobiologia e del biorisanamento..

-Ecologia microbica

L'ecologia microbica fonde la microbiologia con la teoria ecologica, attraverso lo studio della diversità dei ruoli funzionali microbici nel loro ambiente naturale.

I microrganismi rappresentano la più grande biomassa sul pianeta Terra, quindi non sorprende che le loro funzioni o ruoli ecologici influenzino la storia ecologica degli ecosistemi..

Un esempio di questa influenza è la comparsa di forme di vita aerobiche grazie all'accumulo di ossigeno (O_Due) nell'atmosfera primitiva, generata dall'attività fotosintetica dei cianobatteri.

Campi di ricerca dell'ecologia microbica

L'ecologia microbica è trasversale a tutte le altre discipline della microbiologia e studia:

• Diversità microbica e sua storia evolutiva.
• Interazioni tra microrganismi in una popolazione e tra popolazioni in una comunità.
• Interazioni tra microrganismi e piante.
• Fitopatogeni (batterici, fungini e virali).
• Interazioni tra microrganismi e animali.
• Comunità microbiche, loro composizione e processi di successione.
• Adattamenti microbici alle condizioni ambientali.
• I tipi di habitat microbici (atmosfera-ecosfera, idro-ecosfera, lito-ecosfera e habitat estremi).

-Geomicrobiologia

La geomicrobiologia studia le attività microbiche che influenzano i processi geologici e geochimici terrestri (cicli biogeochimici).

Questi si verificano nell'atmosfera, nell'idrosfera e nella geosfera, in particolare in ambienti come sedimenti recenti, corpi idrici sotterranei a contatto con rocce sedimentarie ed ignee e nella crosta terrestre alterata..

È specializzato in microrganismi che interagiscono con i minerali nel loro ambiente, dissolvendoli, trasformandoli, precipitandoli, tra gli altri..

Campi di ricerca della geomicrobiologia

Studi di geomicrobiologia:

• Interazioni microbiche con processi geologici (formazione del suolo, disgregazione rocciosa, sintesi e degradazione di minerali e combustibili fossili).
• La formazione di minerali di origine microbica, sia per precipitazione che per dissoluzione nell'ecosistema (ad esempio, nelle falde acquifere).
• Intervento microbico nei cicli biogeochimici della geosfera.
• Interazioni microbiche che formano ammassi indesiderati di microrganismi su una superficie (biofouling). Questi biofouling possono causare il deterioramento delle superfici in cui abitano. Ad esempio, possono corrodere le superfici metalliche (bio-corrosione).
• Prove fossili di interazioni tra microrganismi e minerali dal loro ambiente primitivo.

Ad esempio, le stromatoliti sono strutture minerali fossili stratificate provenienti da acque poco profonde. Sono costituiti da carbonati, provenienti dalle pareti di cianobatteri primitivi.

-Biorimedio

Il biorisanamento studia l'applicazione di agenti biologici (microrganismi e / o loro enzimi e piante), nei processi di recupero di suoli e acque contaminati da sostanze pericolose per la salute umana e l'ambiente..

Molti dei problemi ambientali attualmente esistenti possono essere risolti con l'uso della componente microbica dell'ecosistema globale..

Campi di ricerca del biorisanamento

Studi di biorisanamento:

• Le capacità metaboliche microbiche applicabili nei processi di igienizzazione ambientale.
• Interazioni microbiche con inquinanti inorganici e xenobiotici (prodotti sintetici tossici, non generati da processi biosintetici naturali). Tra i composti xenobiotici più studiati vi sono alocarburi, nitroaromatici, policlorodifenili, diossine, alchilbenzil solfonati, idrocarburi del petrolio e pesticidi. Tra gli elementi inorganici più studiati ci sono i metalli pesanti.
• La biodegradabilità degli inquinanti ambientali sul posto e in laboratorio.

Applicazioni della microbiologia ambientale

Tra le tante applicazioni di questa vasta scienza, possiamo citare:

• La scoperta di nuove vie metaboliche microbiche con potenziali applicazioni nei processi di valore commerciale.
• Ricostruzione delle relazioni filogenetiche microbiche.
• Analisi delle falde acquifere e degli approvvigionamenti di acqua potabile pubblica.
• Dissoluzione o lisciviazione (bioleaching) di metalli nel mezzo, per il loro recupero.
• Bioidrometallurgia o biomining di metalli pesanti, nei processi di biorisanamento di aree contaminate.
• Biocontrollo dei microrganismi coinvolti nella biocorrosione dei contenitori di rifiuti radioattivi disciolti nelle falde acquifere sotterranee.
• Ricostruzione della storia terrestre primitiva, del paleoambiente e delle forme di vita primordiali.
• Costruzione di modelli utili nella ricerca di vita fossilizzata su altri pianeti, come Marte.
• Sanificazione di aree contaminate da sostanze xenobiotiche o inorganiche, come metalli pesanti.

Riferimenti

1. Ehrlich, H. L. e Newman, D. K. (2009). Geomicrobiologia. Quinta edizione, CRC Press. pagg 630.
2. Malik, A. (2004). Biorisanamento del metallo attraverso la crescita delle cellule. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
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4. Prescott, L. M. (2002). Microbiologia. Quinta edizione, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pagg 1147.
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