จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม: วัตถุประสงค์ของการศึกษาและการประยุกต์ใช้ - ชีววิทยา

จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อมเป็นวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาความหลากหลายและการทำงานของจุลินทรีย์ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติของพวกเขาและการประยุกต์ใช้ความสามารถในการเผาผลาญอาหารของพวกเขาในการบำบัดทางชีวภาพของดินและน้ำที่ปนเปื้อน โดยปกติจะแบ่งออกเป็นสาขาวิชา: นิเวศวิทยาจุลินทรีย์ธรณีวิทยาและการบำบัดทางชีวภาพ

จุลชีววิทยา (mikros: small, bios: life, logos: study), การศึกษาในลักษณะสหวิทยาการเกี่ยวกับกลุ่มสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่มีขนาดเล็กและหลากหลาย (ตั้งแต่ 1 ถึง 30 µm) ซึ่งมองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลเท่านั้น (มองไม่เห็นด้วยตามนุษย์ )

รูปที่ 1. ด้านซ้าย: กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเครื่องมือที่ช่วยให้มองเห็นสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กภายใต้การขยาย (ที่มา: https://pxhere.com/es/photo/1192464) ขวา: บอร์ดอิเล็กตรอนของแบคทีเรียที่กระจายอยู่ทั่วไปในสกุล Pseudomonas (โดย: CDC, มารยาท: ห้องสมุดภาพสาธารณสุข)

สิ่งมีชีวิตที่รวมกลุ่มกันในสาขาจุลชีววิทยามีความแตกต่างกันในหลายประเด็นที่สำคัญและอยู่ในหมวดหมู่อนุกรมวิธานที่แตกต่างกันมาก พวกมันมีอยู่ในเซลล์ที่แยกหรือเกี่ยวข้องและสามารถ:

โปรคาริโอตที่สำคัญ (สิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวที่ไม่มีนิวเคลียสที่กำหนด) เช่นยูแบคทีเรียและอาร์เคียแบคทีเรีย
ยูคาริโอตอย่างง่าย (สิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์เดียวที่มีนิวเคลียสที่กำหนด) เช่นยีสต์เชื้อราเส้นใยสาหร่ายขนาดเล็กและโปรโตซัว
ไวรัส (ซึ่งไม่ใช่เซลล์ แต่เป็นกล้องจุลทรรศน์)

จุลินทรีย์มีความสามารถในการดำเนินกระบวนการที่สำคัญทั้งหมด (การเจริญเติบโตการเผาผลาญการสร้างพลังงานและการสืบพันธุ์) โดยไม่ขึ้นกับเซลล์อื่นที่มีชั้นเดียวกันหรือต่างกัน

ลักษณะจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้อง

ปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมภายนอก

สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่มีชีวิตอิสระจะสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมภายนอกเป็นพิเศษ นอกจากนี้พวกมันยังมีทั้งขนาดเซลล์ที่เล็กมาก (ซึ่งส่งผลต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยาและความยืดหยุ่นในการเผาผลาญ) และอัตราส่วนของพื้นผิว / ปริมาตรที่สูงซึ่งสร้างปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมอย่างกว้างขวาง

ด้วยเหตุนี้ทั้งการอยู่รอดและการกระจายของจุลินทรีย์ในระบบนิเวศจึงขึ้นอยู่กับความสามารถในการปรับตัวทางสรีรวิทยาให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงบ่อย

การเผาผลาญอาหาร

อัตราส่วนพื้นผิว / ปริมาตรที่สูงทำให้เกิดอัตราการเผาผลาญของจุลินทรีย์สูง สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับอัตราการเติบโตและการแบ่งเซลล์อย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ในธรรมชาติยังมีความหลากหลายในการเผาผลาญของจุลินทรีย์

จุลินทรีย์ถือได้ว่าเป็นเครื่องจักรทางเคมีซึ่งเปลี่ยนสารต่างๆทั้งภายในและภายนอก เนื่องจากกิจกรรมของเอนไซม์ซึ่งเร่งอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เฉพาะเจาะจง

การปรับตัวให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

โดยทั่วไปจุลินทรีย์ของจุลินทรีย์นั้นมีพลวัตและไม่เหมือนกันตามชนิดและปริมาณของสารอาหารที่มีอยู่ตลอดจนสภาวะทางเคมีฟิสิกส์

มีระบบนิเวศของจุลินทรีย์:

ภาคพื้นดิน (บนหินและดิน)
สัตว์น้ำ (ในมหาสมุทรสระน้ำทะเลสาบแม่น้ำน้ำพุร้อนชั้นหินอุ้มน้ำ)
เกี่ยวข้องกับสิ่งมีชีวิตที่สูงขึ้น (พืชและสัตว์)

สภาพแวดล้อมที่รุนแรง

จุลินทรีย์พบได้ในทุกสภาพแวดล้อมบนโลกไม่ว่าจะเป็นสิ่งมีชีวิตที่คุ้นเคยหรือไม่ก็ตาม

สภาพแวดล้อมที่มีสภาวะรุนแรงโดยคำนึงถึงอุณหภูมิความเค็ม pH และความพร้อมของน้ำ (ท่ามกลางทรัพยากรอื่น ๆ ) มีจุลินทรีย์ "Extremophilic" สิ่งเหล่านี้มักจะเป็นอาร์เคีย (หรืออาร์เคียแบคทีเรีย) ซึ่งเป็นโดเมนทางชีววิทยาหลักที่แตกต่างจากแบคทีเรียและยูคาเรียที่เรียกว่าอาร์เคีย

รูปที่ 2. ที่อยู่อาศัยของจุลินทรีย์ Extremophilic ซ้าย: น้ำพุร้อนในอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตนซึ่งมีการศึกษาจุลินทรีย์ที่ทนความร้อนได้ (ที่มา: Jim Peaco, National Park Service, Wikimedia Commons) ขวา: แอนตาร์กติกาซึ่งเป็นสถานที่ที่มีการศึกษาจุลินทรีย์ทางจิตเวช (ที่มา: PxHere

จุลินทรีย์ Extremophilic

ในบรรดาจุลินทรีย์ Extremophilic ที่หลากหลาย ได้แก่ :

Thermophiles: มีการเติบโตที่เหมาะสมที่อุณหภูมิสูงกว่า 40 ° C (ที่อาศัยอยู่ในบ่อน้ำพุร้อน)
Psychrophiles: การเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่อุณหภูมิต่ำกว่า 20 ° C (ผู้ที่อาศัยอยู่ในสถานที่ที่มีน้ำแข็ง)
Acidophilic: มีการเจริญเติบโตที่เหมาะสมภายใต้สภาวะที่มี pH ต่ำใกล้เคียงกับ 2 (กรด) มีอยู่ในน้ำพุร้อนที่มีฤทธิ์เป็นกรดและรอยแยกของภูเขาไฟใต้น้ำ
Halophiles: ต้องการเกลือ (NaCl) ที่มีความเข้มข้นสูงในการเจริญเติบโต (เช่นเดียวกับในน้ำเกลือ)
Xerophiles: สามารถทนต่อความแห้งแล้งได้นั่นคือกิจกรรมทางน้ำต่ำ (ผู้ที่อาศัยอยู่ในทะเลทรายเช่น Atacama ในชิลี)

อณูชีววิทยาประยุกต์กับจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

การแยกจุลินทรีย์และการเพาะเลี้ยง

ในการศึกษาลักษณะทั่วไปและความสามารถในการเผาผลาญของจุลินทรีย์ต้องแยกจากสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและเก็บไว้ในวัฒนธรรมบริสุทธิ์ (ปราศจากจุลินทรีย์อื่น ๆ ) ในห้องปฏิบัติการ

รูปที่ 3. การแยกจุลินทรีย์ในห้องปฏิบัติการ ซ้าย: เชื้อราใยเจริญเติบโตบนอาหารเลี้ยงเชื้อที่เป็นของแข็ง (ที่มา: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457) ขวา: การแยกสายพันธุ์แบคทีเรียโดยเทคนิคการเพาะเมล็ดพร่อง (ที่มา: Drhx จาก Wikimedia Commons)

มีเพียง 1% ของจุลินทรีย์ที่มีอยู่ในธรรมชาติเท่านั้นที่ถูกแยกและเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการ เนื่องจากขาดความรู้เกี่ยวกับความต้องการทางโภชนาการที่เฉพาะเจาะจงและความยากลำบากในการจำลองสภาพแวดล้อมที่มีอยู่มากมาย

เครื่องมืออณูชีววิทยา

การประยุกต์ใช้เทคนิคอณูชีววิทยาในด้านนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ทำให้สามารถสำรวจความหลากหลายทางชีวภาพของจุลินทรีย์ที่มีอยู่ได้โดยไม่จำเป็นต้องแยกและเพาะเลี้ยงในห้องปฏิบัติการ ยังทำให้สามารถระบุจุลินทรีย์ในจุลชีพตามธรรมชาติได้นั่นคือในแหล่งกำเนิด

สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการศึกษาจุลินทรีย์ Extremophilic ซึ่งสภาวะการเจริญเติบโตที่เหมาะสมมีความซับซ้อนในการจำลองในห้องปฏิบัติการ

ในทางกลับกันเทคโนโลยีรีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเอด้วยการใช้จุลินทรีย์ดัดแปลงพันธุกรรมทำให้สามารถกำจัดสารที่ก่อให้เกิดมลพิษจากสิ่งแวดล้อมในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพได้

ศึกษาพื้นที่จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

ตามที่ระบุไว้ในตอนแรกพื้นที่ต่างๆของการศึกษาจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม ได้แก่ สาขาวิชานิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ธรณีวิทยาและการบำบัดทางชีวภาพ

- นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์หลอมรวมจุลชีววิทยาเข้ากับทฤษฎีนิเวศวิทยาโดยการศึกษาความหลากหลายของบทบาทหน้าที่ของจุลินทรีย์ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ

จุลินทรีย์เป็นตัวแทนของมวลชีวภาพที่ใหญ่ที่สุดในโลกดังนั้นจึงไม่น่าแปลกใจที่หน้าที่หรือบทบาททางนิเวศวิทยาของพวกมันมีผลต่อประวัติศาสตร์ระบบนิเวศของระบบนิเวศ

ตัวอย่างของอิทธิพลนี้คือการปรากฏตัวของสิ่งมีชีวิตแบบแอโรบิคเนื่องจากการสะสมของออกซิเจน (O ₂ ) ในบรรยากาศดั้งเดิมซึ่งเกิดจากกิจกรรมสังเคราะห์แสงของไซยาโนแบคทีเรีย

สาขาการวิจัยนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์จะเปลี่ยนไปตามสาขาวิชาอื่น ๆ ทั้งหมดของจุลชีววิทยาและการศึกษา:

ความหลากหลายของจุลินทรีย์และประวัติการวิวัฒนาการ
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ในประชากรและระหว่างประชากรในชุมชน
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับพืช
Phytopathogens (แบคทีเรียเชื้อราและไวรัส)
ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับสัตว์
ชุมชนจุลินทรีย์องค์ประกอบและกระบวนการสืบทอด
การปรับตัวของจุลินทรีย์ให้เข้ากับสภาพแวดล้อม
ประเภทของที่อยู่อาศัยของจุลินทรีย์ (บรรยากาศ - อีโคสเฟียร์, ไฮโดร - อีโคสเฟียร์, ลิโธ - อีโคสเฟียร์และที่อยู่อาศัยสุดขั้ว)

-Geomicrobiology

ธรณีชีววิทยาศึกษากิจกรรมของจุลินทรีย์ที่มีผลต่อกระบวนการทางธรณีวิทยาและธรณีเคมีบนบก (วงจรชีวเคมี)

สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นในชั้นบรรยากาศไฮโดรสเฟียร์และธรณีภาคโดยเฉพาะในสภาพแวดล้อมเช่นตะกอนล่าสุดแหล่งน้ำใต้ดินที่สัมผัสกับหินตะกอนและหินอัคนีและในเปลือกโลกที่ผุกร่อน

มีความเชี่ยวชาญในจุลินทรีย์ที่ทำปฏิกิริยากับแร่ธาตุในสิ่งแวดล้อมการละลายการเปลี่ยนรูปการตกตะกอนและอื่น ๆ

สาขาวิจัยธรณีชีววิทยา

การศึกษาทางธรณีวิทยา:

ปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์กับกระบวนการทางธรณีวิทยา (การก่อตัวของดินการสลายหินการสังเคราะห์และการย่อยสลายแร่ธาตุและเชื้อเพลิงฟอสซิล)
การก่อตัวของแร่ธาตุจากแหล่งกำเนิดจุลินทรีย์ไม่ว่าจะโดยการตกตะกอนหรือการสลายตัวในระบบนิเวศ (เช่นในชั้นหินอุ้มน้ำ)
การแทรกแซงของจุลินทรีย์ในวงจรชีวเคมีของธรณีภาค
ปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์ที่ก่อให้เกิดกลุ่มจุลินทรีย์ที่ไม่ต้องการบนพื้นผิว (biofouling) biofouling เหล่านี้อาจทำให้พื้นผิวเสื่อมสภาพได้ ตัวอย่างเช่นสามารถกัดกร่อนพื้นผิวโลหะ (biocorrosion)
หลักฐานฟอสซิลของปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์และแร่ธาตุจากสภาพแวดล้อมดั้งเดิม

ตัวอย่างเช่นสโตรมาโทไลต์เป็นโครงสร้างแร่ฟอสซิลที่แบ่งชั้นจากน้ำตื้น ประกอบด้วยคาร์บอเนตจากผนังของไซยาโนแบคทีเรียดั้งเดิม

รูปที่ 4 ทางด้านซ้าย: ฟอสซิลสโตรมาโทไลต์ในน้ำตื้น (ที่มาของรูปภาพซ้าย: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg) ขวา: รายละเอียดของสโตรมาโตไลต์ (แหล่งรูปภาพขวา: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG)

-Bioremediation

การบำบัดทางชีวภาพศึกษาการใช้สารชีวภาพ (จุลินทรีย์และ / หรือเอนไซม์และพืช) ในกระบวนการฟื้นฟูดินและน้ำที่ปนเปื้อนด้วยสารที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อม

รูปที่ 5. การปนเปื้อนของน้ำมันในป่าฝนอเมซอนเอกวาดอร์ ที่มา: กระทรวงต่างประเทศเอกวาดอร์ผ่าน Wikimedia Commons

ปัญหาสิ่งแวดล้อมหลายอย่างที่มีอยู่ในปัจจุบันสามารถแก้ไขได้ด้วยการใช้ส่วนประกอบของจุลินทรีย์ในระบบนิเวศของโลก

สาขาวิจัยของการบำบัดทางชีวภาพ

การศึกษาการบำบัดทางชีวภาพ:

ความสามารถในการเผาผลาญของจุลินทรีย์ที่ใช้ในกระบวนการสุขาภิบาลสิ่งแวดล้อม
ปฏิกิริยาระหว่างจุลินทรีย์กับมลพิษอนินทรีย์และซีโนไบโอติก (ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ที่เป็นพิษไม่ได้เกิดจากกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพตามธรรมชาติ) ในบรรดาสารประกอบซีโนไบโอติกที่ได้รับการศึกษามากที่สุด ได้แก่ ฮาโลคาร์บอนไนโตรอะโรเมติกส์โพลีคลอรีนไบฟีนิลไดออกซินอัลคิลเบนซิลซัลโฟเนตปิโตรเลียมไฮโดรคาร์บอนและสารกำจัดศัตรูพืช ในบรรดาธาตุอนินทรีย์ที่ศึกษามากที่สุด ได้แก่ โลหะหนัก
ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของมลพิษสิ่งแวดล้อมในแหล่งกำเนิดและในห้องปฏิบัติการ

การประยุกต์ใช้จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม

ในการประยุกต์ใช้วิทยาศาสตร์มากมายนี้เราสามารถอ้างอิง:

การค้นพบวิถีการเผาผลาญของจุลินทรีย์ใหม่ที่มีศักยภาพในการนำไปใช้ในกระบวนการที่มีมูลค่าทางการค้า
การสร้างความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการของจุลินทรีย์ใหม่
การวิเคราะห์ชั้นหินอุ้มน้ำและแหล่งน้ำดื่มสาธารณะ
การละลายหรือการชะล้าง (การชะล้างทางชีวภาพ) ของโลหะในตัวกลางเพื่อการกู้คืน
Biohydrometallurgy หรือ biomining ของโลหะหนักในกระบวนการบำบัดทางชีวภาพของพื้นที่ปนเปื้อน
การควบคุมทางชีวภาพของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับการกัดกร่อนทางชีวภาพของภาชนะบรรจุกากกัมมันตภาพรังสีที่ละลายในชั้นหินอุ้มน้ำใต้ดิน
การสร้างประวัติศาสตร์ภาคพื้นดินแบบดั้งเดิมสภาพแวดล้อมทางทะเลและรูปแบบชีวิตดั้งเดิม
การสร้างแบบจำลองที่มีประโยชน์ในการค้นหาสิ่งมีชีวิตฟอสซิลบนดาวเคราะห์ดวงอื่นเช่นดาวอังคาร
การสุขาภิบาลบริเวณที่ปนเปื้อนสารซีโนไบโอติกหรือสารอนินทรีย์เช่นโลหะหนัก

อ้างอิง

Ehrlich, HL และ Newman, DK (2009). Geomicrobiology พิมพ์ครั้งที่ห้า CRC Press. หน้า 630
มาลิก, อ. (2547). การบำบัดทางชีวภาพของโลหะผ่านเซลล์ที่กำลังเติบโต สิ่งแวดล้อมนานาชาติ, 30 (2), 261–278 ดอย: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
McKinney, RE (2004). จุลชีววิทยาควบคุมมลพิษสิ่งแวดล้อม. M. Dekker. หน้า 453
เพรสคอตต์, LM (2002). จุลชีววิทยา รุ่นที่ห้า McGraw-Hill Science / Engineering / Math หน้า 1147
Van den Burg, B. (2003). Extremophiles เป็นแหล่งของเอนไซม์ใหม่ ความคิดเห็นปัจจุบันทางจุลชีววิทยา, 6 (3), 213–218. ดอย: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
Wilson, SC และ Jones, KC (1993) การบำบัดทางชีวภาพของดินที่ปนเปื้อนด้วยไฮโดรคาร์บอนโพลีนิวเคลียร์อะโรมาติก (PAHs): บทวิจารณ์ มลพิษสิ่งแวดล้อม, 81 (3), 229–249 ดอย: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม: วัตถุประสงค์ของการศึกษาและการประยุกต์ใช้ - ชีววิทยา - 2026