VI SINH MÔI TRƯỜNG: ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG - SINH HỌC - 2026

Các Vi sinh vật môi trường là ngành khoa học nghiên cứu sự đa dạng và chức năng của các vi sinh vật trong môi trường và các ứng dụng về khả năng trao đổi chất của họ tự nhiên của chúng trong xử lý sinh học của đất và nước bị ô nhiễm. Nó thường được chia thành các lĩnh vực: sinh thái vi sinh vật, vi sinh địa chất và xử lý sinh học.

Vi sinh vật học (mikros: nhỏ, bios: sự sống, biểu tượng: nghiên cứu), nghiên cứu theo cách liên ngành một nhóm rộng và đa dạng các sinh vật đơn bào cực nhỏ (từ 1 đến 30 µm), chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi quang học (mắt người không nhìn thấy được ).

Hình 1. Bên trái: kính hiển vi quang học, một công cụ cho phép quan sát các vi sinh vật dưới độ phóng đại (Nguồn: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Phải: ảnh hiển vi điện tử của các vi khuẩn phân bố rộng rãi trong chi Pseudomonas (Theo: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Các sinh vật được nhóm lại với nhau trong lĩnh vực vi sinh không giống nhau ở nhiều khía cạnh quan trọng và thuộc các phân loại phân loại rất khác nhau. Chúng tồn tại dưới dạng các tế bào cô lập hoặc liên kết và có thể là:

• Sinh vật nhân sơ chính (sinh vật đơn bào không có nhân xác định), chẳng hạn như vi khuẩn eubacteria và vi khuẩn khảo cổ.
• Sinh vật nhân chuẩn đơn giản (sinh vật đơn bào có nhân xác định), chẳng hạn như nấm men, nấm sợi, vi tảo và động vật nguyên sinh.
• Virus (không phải là tế bào, nhưng ở dạng vi mô).

Vi sinh vật có khả năng thực hiện tất cả các quá trình quan trọng của chúng (tăng trưởng, trao đổi chất, tạo năng lượng và sinh sản), độc lập với các tế bào khác cùng lớp hoặc khác lớp.

Các đặc điểm vi sinh vật có liên quan

Tương tác với môi trường bên ngoài

Các sinh vật đơn bào sống tự do đặc biệt tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Ngoài ra, chúng có cả kích thước tế bào rất nhỏ (ảnh hưởng đến hình thái và sự linh hoạt trong trao đổi chất) và tỷ lệ bề mặt / thể tích cao, tạo ra các tương tác rộng rãi với môi trường của chúng.

Do đó, cả sự tồn tại và sự phân bố sinh thái của vi sinh vật đều phụ thuộc vào khả năng thích nghi sinh lý của nó với các biến đổi môi trường thường xuyên.

Sự trao đổi chất

Tỷ lệ bề mặt / thể tích cao tạo ra tỷ lệ trao đổi chất của vi sinh vật cao. Điều này liên quan đến tốc độ phát triển và phân chia tế bào nhanh chóng của nó. Ngoài ra, trong tự nhiên có sự đa dạng trao đổi chất của vi sinh vật.

Vi sinh vật có thể được coi là những cỗ máy hóa học, chúng biến đổi nhiều chất khác nhau cả bên trong và bên ngoài. Điều này là do hoạt động enzym của nó, làm tăng tốc độ của các phản ứng hóa học cụ thể.

Thích ứng với các môi trường rất đa dạng

Nói chung, vi sinh vật vi sinh vật có tính năng động và không đồng nhất đối với loại và số lượng chất dinh dưỡng hiện có, cũng như các điều kiện hóa lý của chúng.

Có các hệ sinh thái vi sinh vật:

• Trên cạn (trên đá và đất).
• Thủy sinh (trong đại dương, ao, hồ, sông, suối nước nóng, tầng chứa nước).
• Liên kết với sinh vật bậc cao (thực vật và động vật).

Môi trường khắc nghiệt

Thực tế, vi sinh vật được tìm thấy trong mọi môi trường trên hành tinh Trái đất, dù quen thuộc hay không với các dạng sống cao hơn.

Các môi trường có điều kiện khắc nghiệt liên quan đến nhiệt độ, độ mặn, độ pH và nguồn nước sẵn có (trong số các nguồn tài nguyên khác), có sự xuất hiện của các vi sinh vật "cực kỳ ưa thích". Những loài này có xu hướng chủ yếu là vi khuẩn cổ (hoặc vi khuẩn khảo cổ), tạo thành một vùng sinh học sơ cấp khác với vùng vi khuẩn và Eukarya, được gọi là Archaea.

Hình 2. Môi trường sống của các vi sinh vật ưa cực. Trái: Nước suối nóng ở Vườn Quốc gia Yellowstone, nơi các vi sinh vật ưa nhiệt đã được nghiên cứu (Nguồn: Jim Peaco, National Park Service, qua Wikimedia Commons). Phải: Nam Cực, một nơi mà các vi sinh vật psychrophilic đã được nghiên cứu (Nguồn: pxhere.com).

Vi sinh vật ưa nhiệt

Trong số rất nhiều loại vi sinh vật ưa thích, là:

• Loài ưa nhiệt: phát triển tối ưu ở nhiệt độ trên 40 ° C (cư dân của các suối nước nóng).
• Psychrophiles: phát triển tối ưu ở nhiệt độ dưới 20 ° C (cư dân ở những nơi có băng).
• Ưa axit: tăng trưởng tối ưu trong điều kiện pH thấp, gần bằng 2 (axit). Có mặt trong các suối nước nóng có tính axit và các khe núi lửa dưới nước.
• Halophiles: cần nồng độ muối cao (NaCl) để phát triển (như trong nước muối).
• Xerophiles: có khả năng chịu hạn, tức là hoạt động ít nước (cư dân sống trên sa mạc như Atacama ở Chile).

Sinh học phân tử ứng dụng cho vi sinh môi trường

Phân lập và nuôi cấy vi sinh vật

Để nghiên cứu các đặc điểm chung và khả năng trao đổi chất của vi sinh vật, vi sinh vật phải: được phân lập từ môi trường tự nhiên và được nuôi cấy thuần khiết (không có các vi sinh vật khác) trong phòng thí nghiệm.

Hình 3. Phân lập vi sinh vật trong phòng thí nghiệm. Bên trái: nấm sợi mọc trên môi trường nuôi cấy đặc (Nguồn: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dished-2035457). Đúng: phân lập một dòng vi khuẩn bằng kỹ thuật gieo hạt cạn kiệt (Nguồn: Drhx, từ Wikimedia Commons).

Chỉ 1% vi sinh vật tồn tại trong tự nhiên được phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Điều này là do thiếu kiến ​​thức về các yêu cầu dinh dưỡng cụ thể của nó và khó khăn trong việc mô phỏng nhiều điều kiện môi trường hiện có.

Công cụ sinh học phân tử

Việc áp dụng các kỹ thuật sinh học phân tử vào lĩnh vực sinh thái vi sinh vật đã làm cho nó có thể khám phá sự đa dạng sinh học vi sinh vật hiện có mà không cần phải phân lập và nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Nó thậm chí còn giúp xác định được vi sinh vật trong các vi sinh vật tự nhiên của chúng, tức là tại chỗ.

Điều này đặc biệt quan trọng trong việc nghiên cứu các vi sinh vật ưa nhiệt, chúng có các điều kiện sinh trưởng tối ưu rất phức tạp để mô phỏng trong phòng thí nghiệm.

Mặt khác, công nghệ DNA tái tổ hợp với việc sử dụng vi sinh vật biến đổi gen đã cho phép loại bỏ các chất gây ô nhiễm ra khỏi môi trường trong các quá trình xử lý sinh học.

Lĩnh vực nghiên cứu vi sinh môi trường

Như đã chỉ ra ban đầu, các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau của vi sinh môi trường bao gồm các lĩnh vực sinh thái vi sinh vật, địa chất vi sinh và xử lý sinh học.

-Sinh thái vi sinh vật

Sinh thái học vi sinh vật hợp nhất vi sinh vật học với lý thuyết sinh thái học, thông qua việc nghiên cứu sự đa dạng về vai trò chức năng của vi sinh vật trong môi trường tự nhiên của chúng.

Vi sinh vật đại diện cho sinh khối lớn nhất trên hành tinh Trái đất, vì vậy không có gì ngạc nhiên khi các chức năng hoặc vai trò sinh thái của chúng ảnh hưởng đến lịch sử sinh thái của hệ sinh thái.

Một ví dụ về sự ảnh hưởng này là sự xuất hiện của các dạng sống hiếu khí nhờ sự tích tụ oxy (O ₂ ) trong khí quyển nguyên thủy, được tạo ra bởi hoạt động quang hợp của vi khuẩn lam.

Lĩnh vực nghiên cứu sinh thái vi sinh vật

Sinh thái học vi sinh vật thay thế cho tất cả các lĩnh vực khác của vi sinh vật học và các nghiên cứu:

• Sự đa dạng của vi sinh vật và lịch sử tiến hóa của nó.
• Tương tác giữa các vi sinh vật trong một quần thể và giữa các quần thể trong một quần xã.
• Tương tác giữa vi sinh vật và thực vật.
• Phytopathogens (vi khuẩn, nấm và virus).
• Tương tác giữa vi sinh vật và động vật.
• Các quần xã vi sinh vật, thành phần của chúng và các quá trình diễn thế.
• Sự thích nghi của vi sinh vật với các điều kiện môi trường.
• Các dạng môi trường sống của vi sinh vật (sinh quyển khí quyển, sinh quyển thuỷ quyển, sinh thái thạch quyển và sinh cảnh cực đoan).

-Geomicrobiology

Địa vi sinh học nghiên cứu các hoạt động của vi sinh vật ảnh hưởng đến các quá trình địa chất và địa hóa trên cạn (các chu trình sinh địa hóa).

Chúng xảy ra trong khí quyển, thủy quyển và địa quyển, cụ thể là trong các môi trường như trầm tích gần đây, các khối nước ngầm tiếp xúc với đá trầm tích và đá lửa, và trong vỏ trái đất bị phong hóa.

Nó chuyên về các vi sinh vật tương tác với các khoáng chất trong môi trường của chúng, hòa tan, biến đổi, kết tủa chúng, trong số những chất khác.

Các lĩnh vực nghiên cứu địa sinh học

Nghiên cứu địa sinh vật học:

• Tương tác của vi sinh vật với các quá trình địa chất (hình thành đất, phá vỡ đá, tổng hợp và suy thoái khoáng chất và nhiên liệu hóa thạch).
• Sự hình thành các khoáng chất có nguồn gốc vi sinh vật, bằng cách kết tủa hoặc bằng cách hòa tan trong hệ sinh thái (ví dụ, trong các tầng chứa nước).
• Sự can thiệp của vi sinh vật vào các chu trình sinh địa hóa của địa quyển.
• Các tương tác của vi sinh vật tạo thành các đám vi sinh vật không mong muốn trên bề mặt (tạo màng sinh học). Những lớp màng sinh học này có thể gây ra sự suy giảm bề mặt mà chúng sinh sống. Ví dụ, chúng có thể ăn mòn bề mặt kim loại (ăn mòn sinh học).
• Bằng chứng hóa thạch về sự tương tác giữa vi sinh vật và khoáng chất từ ​​môi trường nguyên thủy của chúng.

Ví dụ, stromatolit là cấu trúc khoáng hóa thạch phân tầng từ vùng nước nông. Chúng được tạo thành từ cacbonat từ thành của vi khuẩn lam nguyên thủy.

Hình 4. Bên trái: hóa thạch stromatolites ở vùng nước nông (Nguồn ảnh bên trái: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg). Bên phải: chi tiết của các stromatolite (Nguồn ảnh bên phải: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Xử lý

Xử lý sinh học nghiên cứu việc áp dụng các tác nhân sinh học (vi sinh vật và / hoặc các enzym và thực vật của chúng), trong các quá trình phục hồi đất và nước bị ô nhiễm bởi các chất nguy hiểm cho sức khỏe con người và môi trường.

Hình 5. Ô nhiễm dầu trong rừng nhiệt đới Amazon của Ecuador. Nguồn: Bộ Ngoại giao Ecuador, qua Wikimedia Commons

Nhiều vấn đề môi trường hiện đang tồn tại có thể được giải quyết với việc sử dụng thành phần vi sinh vật của hệ sinh thái toàn cầu.

Các lĩnh vực nghiên cứu về xử lý sinh học

Nghiên cứu xử lý sinh học:

• Khả năng trao đổi chất của vi sinh vật áp dụng trong quá trình vệ sinh môi trường.
• Tương tác của vi sinh vật với các chất ô nhiễm vô cơ và xenobiotic (các sản phẩm tổng hợp độc hại, không được tạo ra bởi các quá trình sinh tổng hợp tự nhiên). Trong số các hợp chất xenobiotic được nghiên cứu nhiều nhất là halocarbon, nitroaromatics, polychlorinated biphenyls, dioxin, alkylbenzyl sulfonat, hydrocacbon dầu mỏ và thuốc trừ sâu. Trong số các nguyên tố vô cơ được nghiên cứu nhiều nhất là kim loại nặng.
• Khả năng phân hủy sinh học của các chất ô nhiễm môi trường tại chỗ và trong phòng thí nghiệm.

Các ứng dụng của vi sinh môi trường

Trong số nhiều ứng dụng của khoa học rộng lớn này, chúng tôi có thể trích dẫn:

• Việc phát hiện ra các con đường trao đổi chất mới của vi sinh vật có tiềm năng ứng dụng trong các quá trình có giá trị thương mại.
• Tái tạo các mối quan hệ phát sinh loài vi sinh vật.
• Phân tích các tầng chứa nước và nguồn cung cấp nước uống công cộng.
• Hòa tan hoặc rửa trôi (tẩy rửa sinh học) kim loại trong môi trường, để phục hồi chúng.
• Luyện kim sinh học hoặc khai thác kim loại nặng sinh học, trong các quá trình xử lý sinh học của các khu vực bị ô nhiễm.
• Kiểm soát sinh học các vi sinh vật tham gia vào quá trình ăn mòn sinh học các thùng chứa chất thải phóng xạ hòa tan trong các tầng chứa nước dưới đất.
• Tái hiện lịch sử nguyên thủy trên cạn, môi trường cổ sinh và các hình thức sống nguyên thủy.
• Xây dựng các mô hình hữu ích trong việc tìm kiếm sự sống hóa thạch trên các hành tinh khác, chẳng hạn như sao Hỏa.
• Vệ sinh các khu vực bị ô nhiễm xenobiotic hoặc các chất vô cơ, chẳng hạn như kim loại nặng.

Người giới thiệu

1. Ehrlich, HL và Newman, DK (2009). Địa chất vi sinh vật học. Ấn bản thứ năm, CRC Press. trang 630.
2. Malik, A. (2004). Xử lý sinh học kim loại thông qua các tế bào đang phát triển. Môi trường Quốc tế, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Vi sinh kiểm soát ô nhiễm môi trường. M. Dekker. trang 453.
4. Prescott, LM (2002). Vi trùng học. Ấn bản thứ năm, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. trang 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Các chất cực khô như một nguồn cung cấp các enzym mới. Ý kiến ​​hiện tại trong vi sinh vật học, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC và Jones, KC (1993). Xử lý sinh học đất bị ô nhiễm bởi các hydrocacbon thơm đa nhân (PAHs): Một đánh giá. Ô nhiễm Môi trường, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.