UMWELTMIKROBIOLOGIE: UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND UND ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die Umweltmikrobiologie ist die Wissenschaft, die die Vielfalt und Funktion von Mikroorganismen in ihrer natürlichen Umgebung und die Anwendung ihrer metabolischen Fähigkeiten bei der biologischen Sanierung von kontaminiertem Boden und Wasser untersucht. Es ist in der Regel in die Disziplinen unterteilt: mikrobielle Ökologie, Geomikrobiologie und Bioremediation.

Mikrobiologie (Mikros: klein, Bios: Leben, Logos: Studie), untersucht auf interdisziplinäre Weise eine breite und vielfältige Gruppe mikroskopisch kleiner einzelliger Organismen (von 1 bis 30 µm), die nur durch das optische Mikroskop (für das menschliche Auge unsichtbar) sichtbar sind ).

Abbildung 1. Links: Optisches Mikroskop, ein Instrument, mit dem Mikroorganismen unter Vergrößerung betrachtet werden können (Quelle: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Rechts: elektronenmikroskopische Aufnahme weit verbreiteter Bakterien der Gattung Pseudomonas (Von: CDC, mit freundlicher Genehmigung der Public Health Image Library).

Organismen, die auf dem Gebiet der Mikrobiologie zusammengefasst sind, unterscheiden sich in vielen wichtigen Punkten und gehören zu sehr unterschiedlichen taxonomischen Kategorien. Sie existieren als isolierte oder assoziierte Zellen und können sein:

• Hauptprokaryoten (einzellige Organismen ohne definierten Kern) wie Eubakterien und Archaebakterien.
• Einfache Eukaryoten (einzellige Organismen mit einem definierten Kern) wie Hefen, Fadenpilze, Mikroalgen und Protozoen.
• Viren (die nicht zellulär, sondern mikroskopisch sind).

Mikroorganismen sind in der Lage, alle ihre lebenswichtigen Prozesse (Wachstum, Stoffwechsel, Energieerzeugung und -reproduktion) unabhängig von anderen Zellen derselben oder einer anderen Klasse auszuführen.

Relevante mikrobielle Eigenschaften

Interaktion mit der äußeren Umgebung

Frei lebende einzellige Organismen sind besonders der äußeren Umgebung ausgesetzt. Darüber hinaus haben sie sowohl eine sehr kleine Zellgröße (die ihre Morphologie und metabolische Flexibilität beeinflusst) als auch ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, was zu umfangreichen Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung führt.

Aus diesem Grund hängen sowohl das Überleben als auch die mikrobielle ökologische Verteilung von seiner Fähigkeit zur physiologischen Anpassung an häufige Umweltschwankungen ab.

Stoffwechsel

Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen erzeugt hohe mikrobielle Stoffwechselraten. Dies hängt mit seiner schnellen Wachstumsrate und Zellteilung zusammen. Darüber hinaus gibt es in der Natur eine große mikrobielle Stoffwechselvielfalt.

Mikroorganismen können als chemische Maschinen betrachtet werden, die verschiedene Substanzen sowohl innen als auch außen umwandeln. Dies ist auf seine enzymatische Aktivität zurückzuführen, die die Geschwindigkeit spezifischer chemischer Reaktionen beschleunigt.

Anpassung an sehr unterschiedliche Umgebungen

Im Allgemeinen ist das mikrobielle Mikrohabitat dynamisch und heterogen in Bezug auf Art und Menge der vorhandenen Nährstoffe sowie deren physikochemische Bedingungen.

Es gibt mikrobielle Ökosysteme:

• Terrestrisch (auf Felsen und Erde).
• Aquatisch (in Ozeanen, Teichen, Seen, Flüssen, heißen Quellen, Grundwasserleitern).
• Assoziiert mit höheren Organismen (Pflanzen und Tiere).

Extreme Umgebungen

Mikroorganismen kommen in praktisch jeder Umgebung auf dem Planeten Erde vor, die höheren Lebensformen vertraut ist oder nicht.

Umgebungen mit extremen Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Salzgehalt, pH-Wert und Wasserverfügbarkeit (unter anderem) weisen "extremophile" Mikroorganismen auf. Dies sind meistens Archaeen (oder Archaebakterien), die eine primäre biologische Domäne bilden, die sich von der von Bakterien und Eukarya unterscheidet, die Archaeen genannt werden.

Figure 2. Lebensräume der extremophilen Mikroorganismen. Links: Heißes Quellwasser im Yellowstone-Nationalpark, in dem thermophile Mikroorganismen untersucht wurden (Quelle: Jim Peaco, National Park Service, über Wikimedia Commons). Rechts: Antarktis, ein Ort, an dem psychrophile Mikroorganismen untersucht wurden (Quelle: pxhere.com).

Extremophile Mikroorganismen

Unter der Vielzahl extremophiler Mikroorganismen sind:

• Thermophile: die ein optimales Wachstum bei Temperaturen über 40 ° C aufweisen (Bewohner von Thermalquellen).
• Psychrophile: von optimalem Wachstum bei Temperaturen unter 20 ° C (Bewohner von Orten mit Eis).
• Acidophil: mit optimalem Wachstum unter Bedingungen eines niedrigen pH-Werts nahe 2 (Säure). In sauren heißen Quellen und vulkanischen Unterwasserspalten vorhanden.
• Halophile: Zum Wachsen sind hohe Salzkonzentrationen (NaCl) erforderlich (wie in Salzlaken).
• Xerophile: Dürreperioden, dh geringe Wasseraktivität (Bewohner von Wüsten wie der Atacama in Chile).

Molekularbiologie in der Umweltmikrobiologie

Mikrobielle Isolierung und Kultur

Um die allgemeinen Eigenschaften und Stoffwechselkapazitäten eines Mikroorganismus zu untersuchen, muss er: aus seiner natürlichen Umgebung isoliert und im Labor in Reinkultur (frei von anderen Mikroorganismen) aufbewahrt werden.

Abbildung 3. Mikrobielle Isolierung im Labor. Links: Fadenpilze, die auf festem Kulturmedium wachsen (Quelle: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Rechts: Isolierung eines Bakterienstamms durch die Depletion-Seeding-Technik (Quelle: Drhx, aus Wikimedia Commons).

Nur 1% der in der Natur vorhandenen Mikroorganismen wurde isoliert und im Labor kultiviert. Dies ist auf das mangelnde Wissen über ihre spezifischen Ernährungsbedürfnisse und die Schwierigkeit zurückzuführen, die große Vielfalt der vorhandenen Umweltbedingungen zu simulieren.

Molekularbiologische Werkzeuge

Die Anwendung molekularbiologischer Techniken auf dem Gebiet der mikrobiellen Ökologie hat es ermöglicht, die vorhandene mikrobielle Biodiversität zu erforschen, ohne dass sie im Labor isoliert und kultiviert werden muss. Es hat sogar ermöglicht, Mikroorganismen in ihren natürlichen Mikrohabitaten, dh in situ, zu identifizieren.

Dies ist besonders wichtig bei der Untersuchung extremophiler Mikroorganismen, deren optimale Wachstumsbedingungen im Labor komplex zu simulieren sind.

Andererseits hat die rekombinante DNA-Technologie unter Verwendung genetisch veränderter Mikroorganismen die Beseitigung von Schadstoffen aus der Umwelt bei Bioremediationsprozessen ermöglicht.

Untersuchungsgebiete der Umweltmikrobiologie

Wie eingangs erwähnt, umfassen die verschiedenen Studienbereiche der Umweltmikrobiologie die Disziplinen mikrobielle Ökologie, Geomikrobiologie und Bioremediation.

-Mikrobielle Ökologie

Die mikrobielle Ökologie verbindet die Mikrobiologie mit der ökologischen Theorie, indem sie die Vielfalt der mikrobiellen Funktionsrollen in ihrer natürlichen Umgebung untersucht.

Mikroorganismen stellen die größte Biomasse auf dem Planeten Erde dar, daher ist es nicht verwunderlich, dass ihre ökologischen Funktionen oder Rollen die ökologische Geschichte von Ökosystemen beeinflussen.

Ein Beispiel für diesen Einfluss ist das Auftreten aerober Lebensformen dank der Anreicherung von Sauerstoff (O ₂ ) in der primitiven Atmosphäre, die durch die photosynthetische Aktivität von Cyanobakterien erzeugt wird.

Forschungsfelder der mikrobiellen Ökologie

Die mikrobielle Ökologie ist transversal zu allen anderen Disziplinen der Mikrobiologie und Studien:

• Mikrobielle Vielfalt und ihre Evolutionsgeschichte.
• Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen in einer Population und zwischen Populationen in einer Gemeinschaft.
• Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Pflanzen.
• Phytopathogene (bakteriell, pilzlich und viral).
• Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Tieren.
• Die mikrobiellen Gemeinschaften, ihre Zusammensetzung und die Nachfolgeprozesse.
• Mikrobielle Anpassungen an Umweltbedingungen.
• Die Arten von mikrobiellen Lebensräumen (Atmosphäre-Ökosphäre, Hydro-Ökosphäre, Litho-Ökosphäre und extreme Lebensräume).

-Geomikrobiologie

Die Geomikrobiologie untersucht die mikrobiellen Aktivitäten, die terrestrische geologische und geochemische Prozesse (biogeochemische Zyklen) beeinflussen.

Diese treten in der Atmosphäre, in der Hydrosphäre und in der Geosphäre auf, insbesondere in Umgebungen wie neueren Sedimenten, Grundwasserkörpern, die mit sedimentären und magmatischen Gesteinen in Kontakt stehen, und in der verwitterten Erdkruste.

Es ist spezialisiert auf Mikroorganismen, die mit Mineralien in ihrer Umgebung interagieren, diese unter anderem auflösen, umwandeln und ausfällen.

Forschungsfelder der Geomikrobiologie

Geomikrobiologische Studien:

• Mikrobielle Wechselwirkungen mit geologischen Prozessen (Bodenbildung, Gesteinsabbau, Synthese und Abbau von Mineralien und fossilen Brennstoffen).
• Die Bildung von Mineralien mikrobiellen Ursprungs, entweder durch Ausfällung oder durch Auflösung im Ökosystem (z. B. in Grundwasserleitern).
• Mikrobielle Intervention in biogeochemischen Kreisläufen der Geosphäre.
• Mikrobielle Wechselwirkungen, die auf einer Oberfläche unerwünschte Klumpen von Mikroorganismen bilden (Biofouling). Diese Biofouling können zu einer Verschlechterung der Oberflächen führen, auf denen sie leben. Beispielsweise können sie Metalloberflächen angreifen (Biokorrosion).
• Fossile Hinweise auf Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Mineralien aus ihrer primitiven Umgebung.

Zum Beispiel sind Stromatolithen geschichtete fossile Mineralstrukturen aus seichten Gewässern. Sie bestehen aus Carbonaten aus den Wänden primitiver Cyanobakterien.

Abbildung 4. Links: fossile Stromatolithen im flachen Wasser (linke Fotoquelle: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Rechts: Detail der Stromatolithen (rechte Fotoquelle: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediation

Die biologische Sanierung untersucht die Anwendung biologischer Arbeitsstoffe (Mikroorganismen und / oder deren Enzyme und Pflanzen) bei der Rückgewinnung von Böden und Wasser, die mit für die menschliche Gesundheit und die Umwelt gefährlichen Substanzen kontaminiert sind.

Abbildung 5. Ölverschmutzung im ecuadorianischen Amazonas-Regenwald. Quelle: Ecuadorianisches Außenministerium, über Wikimedia Commons

Viele der derzeit bestehenden Umweltprobleme können mit der mikrobiellen Komponente des globalen Ökosystems gelöst werden.

Forschungsfelder der Bioremediation

Bioremediationsstudien:

• Die mikrobiellen Stoffwechselkapazitäten, die in Umweltsanierungsprozessen anwendbar sind.
• Mikrobielle Wechselwirkungen mit anorganischen und xenobiotischen Schadstoffen (toxische synthetische Produkte, die nicht durch natürliche Biosyntheseprozesse erzeugt werden). Zu den am meisten untersuchten xenobiotischen Verbindungen gehören Halogenkohlenwasserstoffe, Nitroaromaten, polychlorierte Biphenyle, Dioxine, Alkylbenzylsulfonate, Erdölkohlenwasserstoffe und Pestizide. Zu den am meisten untersuchten anorganischen Elementen gehören Schwermetalle.
• Die biologische Abbaubarkeit von Umweltschadstoffen in situ und im Labor.

Anwendungen der Umweltmikrobiologie

Unter den vielen Anwendungen dieser riesigen Wissenschaft können wir zitieren:

• Die Entdeckung neuer mikrobieller Stoffwechselwege mit potenziellen Anwendungen in Prozessen von kommerziellem Wert.
• Rekonstruktion mikrobieller phylogenetischer Beziehungen.
• Die Analyse von Grundwasserleitern und öffentlicher Trinkwasserversorgung.
• Auflösen oder Auslaugen (Bioleaching) von Metallen im Medium zur Rückgewinnung.
• Biohydrometallurgie oder Biomining von Schwermetallen in Bioremediationsprozessen kontaminierter Gebiete.
• Biokontrolle von Mikroorganismen, die an der Biokorrosion radioaktiver Abfallbehälter in unterirdischen Grundwasserleitern beteiligt sind.
• Rekonstruktion der primitiven Erdgeschichte, der Paläoumgebung und der primitiven Lebensformen.
• Konstruktion nützlicher Modelle für die Suche nach versteinertem Leben auf anderen Planeten wie dem Mars.
• Hygiene von Bereichen, die mit xenobiotischen oder anorganischen Substanzen wie Schwermetallen kontaminiert sind.

Verweise

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