MICROBIOLOGIA AMBIENTAL: OBJECTE D'ESTUDI I APLICACIONS - BIOLOGIA - 2025

La microbiologia ambiental és la ciència que estudia la diversitat i funció dels microorganismes en els seus ambients naturals i les aplicacions de les seves capacitats metabòliques en processos de bioremediació de sòls i aigües contaminades. Sol dividir-se en les disciplines de: ecologia microbiana, Geomicrobiologia i bioremediació.

La microbiologia (mikros: petit, vis: vida, logos: estudi), estudia de manera interdisciplinària un grup ampli i divers d'organismes unicel·lulars microscòpics (d'1 a 30 micres), visibles únicament a través de l'microscopi òptic (invisibles per a l'ull humà).

Figura 1. A l'esquerra: microscopi òptic, instrument que permet veure amb augment als microorganismes (Font: https://pxhere.com/es/photo/1192464). A la dreta: micrografia electrònica de bacteri d'àmplia distribució en la naturalesa de l'gènere Pseudomonas (By: CDC, Courtesy Public Health Image Library).

Els organismes agrupats en el camp de la microbiologia són dissímils en molts aspectes importants i pertanyen a categories taxonòmiques molt diferents. Hi com cèl·lules aïllades o associades i poden ser:

• Procariontes principals (organismes unicel·lulars sense nucli definit), com eubacteris i arqueobacteris.
• Eucariotes simples (organismes unicel·lulars amb nucli definit), com llevats, fongs filamentosos, microalgues i protozous.
• Virus (que no són mòbils, però si microscòpics).

Els microorganismes són capaços de realitzar tots els seus processos vitals (creixement, metabolisme, generació d'energia i reproducció), independentment d'altres cèl·lules de la seva mateixa classe o diferents.

Característiques microbianes rellevants

Interacció amb el medi extern

Els organismes unicel·lulars de vida lliure es troben particularment exposats a el medi extern. A més, presenten tant una mida cel·lular molt petit (que incideix en la seva morfologia i flexibilitat metabòlica), com una alta relació superfície / volum, que genera àmplies interaccions amb el seu entorn.

A causa d'això, tant la supervivència com la distribució ecològica microbiana, depenen de la seva capacitat d'adaptació fisiològica a les freqüents variacions ambientals.

metabolisme

L'alta relació superfície / volum genera altes taxes metabòliques microbianes. Això es relaciona al seu ràpid ritme de creixement i de divisió cel·lular. A més, en la naturalesa hi ha una àmplia diversitat metabòlica microbiana.

Els microorganismes poden ser considerats màquines químiques, que transformen diverses substàncies tant al seu interior com a l'exterior. Això es deu a la seva activitat enzimàtica, que accelera velocitats de reaccions químiques específiques.

Adaptació a ambients molt diversos

En general el microhàbitat microbià és dinàmic i heterogeni pel que fa a el tipus i quantitat de nutrients presents, així com a les seves condicions fisicoquímiques.

Hi ecosistemes microbians:

• Terrestres (en roques i sòl).
• Aquàtics (en oceans, estanys, llacs, rius, fonts termals, aqüífers).
• Associats a organismes superiors (plantes i animals).

ambients extrems

Els microorganismes es troben pràcticament en tots els ambients de la planeta Terra, familiars o no per les formes de vida superiors.

Els ambients amb condicions extremes pel que fa a temperatura, salinitat, pH i disponibilitat d'aigua (entre d'altres recursos), presenten microorganismes "extremòfils". Aquests solen ser majoritàriament arqueobacteris (o arqueobacteris), les quals formen un domini biològic primari diferenciat a el de Bacteri i Eukarya, anomenat Archaea.

Figura 2. Hàbitats dels microorganismes extremòfils. A l'esquerra: Aigua termal al Parc Nacional de Yellowstone, lloc on s'han estudiat microorganismes termòfils (Font: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). A la dreta: Antàrtica lloc on s'han estudiat microorganismes psicròfils (Font: pxhere.com).

microorganismes extremòfils

Entre l'àmplia varietat de microorganismes extremòfils, es troben:

• Termòfils: que presenten òptim creixement a temperatures superiors a 40 ° C (habitants de deus termals).
• Psicròfils: de creixement òptim a temperatures menors a 20 ° C (habitants de llocs amb gel).
• Acidòfiles: de creixement òptim en condicions de pH baix, proper a 2 (àcid). Presents en aigües termals àcides i esquerdes volcàniques submarines.
• Halòfils: que requereixen altes concentracions de sal (NaCl) per créixer (com en les salmorres).
• Xeròfils: capaços de suportar la sequera, és a dir, la baixa activitat d'aigua (habitants de deserts com el d'Atacama a Xile).

Biologia molecular aplicada a microbiologia ambiental

Aïllament i cultiu microbià

Per estudiar les característiques generals i capacitats metabòliques d'un microorganisme, aquest ha de ser: aïllat del seu ambient natural i mantingut en cultiu pur (lliure d'altres microorganismes) al laboratori.

Figura 3. Aïllament microbià al laboratori. A l'esquerra: fongs filamentosos creixent enmig de cultiu sòlid (Font: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). A la dreta: aïllament d'una soca bacteriana per la tècnica de sembra per esgotament (Font: Drhx, from Wikimedia Commons).

Només un 1% dels microorganismes existents a la natura ha estat aïllat i cultivat en laboratori. Això a causa de el desconeixement dels seus requeriments nutricionals específics ia la dificultat de simular la vasta varietat de condicions ambientals existents.

Eines de biologia molecular

L'aplicació de tècniques de biologia molecular a el camp de l'ecologia microbiana, ha permès explorar la biodiversitat microbiana existent, sense necessitat del seu aïllament i cultiu en laboratori. Fins i tot ha permès identificar microorganismes en els seus microhàbitats naturals, és a dir, in situ.

Això resulta particularment important en l'estudi de microorganismes extremòfils, les condicions òptimes de creixement són complexes de simular al laboratori.

D'altra banda, la tecnologia de l'ADN recombinant amb l'ús de microorganismes modificats genèticament, ha permès l'eliminació de substàncies contaminants de l'ambient en processos de bioremediació.

Àrees d'estudi de la microbiologia ambiental

Com es va indicar inicialment, les diferents àrees d'estudi de la microbiologia ambiental inclouen les disciplines de l'ecologia microbiana, Geomicrobiologia i bioremediació.

-Ecologia microbiana

L'ecologia microbiana fusiona la microbiologia amb la teoria ecològica, a través d'l'estudi de la diversitat dels rols funcionals microbians en el seu ambient natural.

Els microorganismes representen la major biomassa al planeta Terra, per això no és estrany que les seves funcions o rols ecològics afectin la història ecològica dels ecosistemes.

Un exemple d'aquesta influència és l'aparició de formes de vida aeròbiques gràcies a l'acumulació d'oxigen (O ₂) en l'atmosfera primitiva, generat per l'activitat fotosintètica de les cianobacteris.

Camps d'investigació de l'ecologia microbiana

L'ecologia microbiana és transversal a totes les altres disciplines de la microbiologia, i estudia:

• La diversitat microbiana i la seva història evolutiva.
• Les interaccions entre microorganismes d'una població i entre poblacions en una comunitat.
• Les interaccions entre microorganismes i plantes.
• Els fitopatògens (bacterians, fúngics i virals).
• Les interaccions entre microorganismes i animals.
• Les comunitats microbianes, la seva composició i els processos de successió.
• Les adaptacions microbianes a les condicions ambientals.
• Els tipus d'hàbitats microbians (Atmo-ecosfera, hidro-ecosfera, lito-ecosfera i hàbitats extrems).

-Geomicrobiología

La Geomicrobiologia estudia les activitats microbianes que afecten els processos geològics i geoquímics (cicles biogeoquímics) terrestres.

Aquests ocorren en l'atmosfera, hidrosfera i geosfera, específicament en ambients com sediments recents, cossos d'aigua subterrània en contacte amb roques sedimentàries i ígnies i en l'escorça terrestre meteoritzada.

S'especialitza en microorganismes que interactuen amb minerals en el seu ambient, dissolent, transformant-los, precipitant, entre d'altres.

Camps de recerca de la Geomicrobiologia

La Geomicrobiologia estudia:

• Les interaccions microbianes amb els processos geològics (formació de sòls, ruptura de roques, síntesi i degradació de minerals i de combustibles fòssils).
• La formació de minerals d'origen microbià, sigui per precipitació o per dissolució en l'ecosistema (per exemple, en aqüífers).
• Intervenció microbiana en cicles biogeoquímics de la geosfera.
• Interaccions microbianes que formen cúmuls indesitjats de microorganismes sobre una superfície (bioincrustaciones). Aquestes bioincrustaciones poden generar deteriorament de les superfícies que habiten. Per exemple, poden corroir superfícies metàl·liques (biocorrosión).
• Evidències fòssils d'interaccions entre microorganismes i minerals del seu ambient primitiu.

Per exemple, els estromatòlits són estructures minerals fòssils estratificades d'aigües someres. Estan constituïdes per carbonats, provinents de les parets de cianobacteris primitives.

Figura 4. A l'esquerra: estromatòlits fòssils en aigües someres (Font foto esquerra: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). A la dreta: detall dels estromatòlits (Font foto dreta:

-Biorremediación

La bioremediació estudia l'aplicació d'agents biològics (microorganismes i / o els seus enzims i plantes), en processos de recuperació de sòls i aigües contaminades amb substàncies perilloses per a la salut humana i l'ambient.

Figura 5. Contaminació amb petroli a la selva amazònica equatoriana. Font: Cancelleria Equador, via Wikimedia Commons

Molts dels problemes ambientals existents actualment, poden solucionar-se amb l'ús de l'component microbià de l'ecosistema global.

Camps de recerca de la bioremediació

La Bioremediació estudia:

• Les capacitats metabòliques microbianes aplicables en processos de sanejament ambiental.
• Interaccions microbianes amb contaminants inorgànics i xenobiòtics (productes sintètics tòxics, no generats per processos biosintètics naturals). Entre els compostos xenobiòtics més estudiats, es troben els halocarburs, nitroaromàtics, bifenils policlorats, dioxines, sulfonats alquilbencílicos, hidrocarburs de l'petroli i plaguicides. Entre els elements inorgànics més estudiats, es troben els metalls pesats.
• La biodegradabilitat de contaminants ambientals in situ i en laboratori.

Aplicacions de la microbiologia ambiental

Entre les múltiples aplicacions d'aquesta vasta ciència, podem citar:

• El descobriment de noves rutes metabòliques microbianes amb potencials aplicacions en processos de valor comercial.
• La reconstrucció de les relacions filogenètiques microbianes.
• L'anàlisi d'aqüífers i subministraments d'aigua potable púbics.
• Dissolució o lixiviació (biolixiviació) de metalls en el medi, per a la seva recuperació.
• Biohidrometalurgia o biominería de metalls pesants, en processos de bioremediació de zones contaminades.
• Biocontrol de microorganismes implicats en la biocorrosión de contenidors de deixalles radioactives dissolts en aqüífers subterranis.
• Reconstrucció de la història primitiva terrestre, el paleoambient i les formes primigènies de vida.
• Construcció de models útils en la recerca de vida fossilitzada en altres planetes, com Mart.
• Sanejament d'àrees contaminades amb substàncies xenobióticas o inorgàniques, com metalls pesats.

referències

1. Ehrlich, HL and Newman, DK (2009). Geomicrobiology. Fifth edition, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Metall bioremediation through growing cells. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Environmental Pollution Control Microbiology. M. Dekker. pp 453.
4. Prescott, LM (2002). Microbiology. Fifth edition, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extremophiles es a source for novell enzymes. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00.060-2.
6. Wilson, SC, and Jones, KC (1993). Bioremediation of soil contaminated with polynuclear aromatic hydrocarbons (PAH): A review. Environmental Pollution, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.