Lexikon
a környezeti mikrobiológia az ökológia és a környezetbiológia egyik ága. Kiemelten tárgyalja a mikroorganizmusok szerepét a földi ökológiai rendszerekben, különös tekintettel a biogeokémiai ciklusokban és a táplálékláncokban betöltött szerepére.
A Föld ökoszisztémájában rendkívüli módon elterjedtek a mikroorganizmusok, egy gramm átlagos talajban 109 db (milliárd) mikroorganizmus él, de jó minőségű, aktív talajokban ennek még százszorosa vagy ezerszerese is lehetséges.
A biomérnök, illetve az ökomérnök célja, hogy a mikroorganizmusokat és végtelen genetikai és biokémiai potenciáljukat technológiák szolgálatába állítsa és hogy a környezetben lejátszódó természetes folyamatokat, átalakító tevékenységeket mérnöki technológiákban hasznosítsa.
Hogy a mérnök a földi ökoszisztémával harmoniában tehesse ezt, ahhoz részletes ismereteket kell szereznie a földi ökológiai rendszerekről, erről a mai napig ismeretelen fekete dobozról.
A mikroorganizmusokat számtalan biotechnológiában hasznosítják a környezetmérnökök, ökomérnökök, így biológiai szennyvízkezelési technológiákban, szennyezett talajok kezelésében, hulladékok bontásában, például biogáztermelésre, komposztok előállítására. A környezetben szerepet játszó mikroorganizmusokat olyan biotechnológiákban is hasznosítják, ahol segítségükkel finomvegyszereket, különleges, például hőtűrő enzimeket vagy gyógyszereket, például antibiotikumokat állítanak elő.
A szennyezett környezet remediálásában hatékony mikroorganizmusok általában a környezetben kifejlődött, a szennyezőanyaghoz, vagy szennyezőanyagok keverékéhez szokott, adaptálódott mikroorganizmus-közösséget alkotnak. Ilyet az ember nem tud mesterségesen összeállítani, lévén, hogy töb száz mikroorganizmus optimális együttműködéséről van szó. Ha egy ilyen "finoman-hangolt" mikroorganizmus-közösséghez mesterségesen felszaporított fajokat adunk, folyamatosan követnünk kell a fajeloszlást és a folyamatokat, hogy ne borítsuk fel, illetve ne károsítsuk irreverzibillisen a természetes körülményeket.
A környezetben élő mikroorganizmusok végtelen genetikai és biokémiaia potenciálja még messze ki nem aknázott lehetőségeket rejt az emberiség számára az energiatermelésben, a hulladékhasznosításban és különleges, biológiailag aktív vegyületek előállításában.
A környezeti mikrobiológia történetének legfontosabb mérföldkövei:
1887. Winogradszki (Szergej) tanulmányozni kezdi a Beggiatoa nemzetséget ezzel megalapozza az autotróf szervezetekről, anyagcseréről szóló tanokat.
1888. Beijerinck (Martinus) kifejleszti a dúsítási technikát, azaz egyes fajok arányának szelektív megnövelését egy vegyes mikróbakultúrában.
1891. Winogradszki felfedezi a nitrifikációért felelős mikroorganizmusokat és az új tudás hasznosíthatóságát a mezőgazdálkodás során, amikoris a talaj nitrogéntartalma limitáló tényező lehet a növények tápanyagellátásban.
1904. Beijerinck előállítja a kén-oxidáló Thiobacillus denitrificans első tiszta kultúráját.
1904. Koning (Cornelius Johan) kimutatja és bizonyítja, hogy a gombáknak kulcsszerepe van a környezetben a holt szervesanyag bontásában.
1909. Orla-Jensen (Sigurd) javaslatára elkezdik a baktériumokat fiziológiai jellemzőik figyelembe vételével csoportosítani, osztályozni. Később ezen alapult a Bergey-féle osztályozási rendszer. Maga Orla-Jensen elsősorban a tejsavbaktériumokat kutatta és azonosításukra és megkülönböztetésükre alkalmas kritériumok létrehozásában játszott szerepet.
1920. Az Amerikai Bakteriológiai Társaság publikálta a baktériumok jellemzésének és osztályozásának alapjait és kiadta a Bergey kézikönyvet, 1923-ban.
1961. McCarthy (Brian) és Bolton (E. T.) kifejlesztették és leírták a hibridizációs technika felhasználását különböző mikroorganizmus-fajok genomjának összehasonlítására. A technika alkalmas a fajok genetikai hasonlóságának kvantitatív leírására.
1965. Zuckerkandl (Emile) és Pauling (Linus) publikálta "A molekulák mint az evolúció dokumentumai" (Molecules as documents of evolutionary history) című művét. melyben egyértelművé teszik, megadják a metodikát és példákkal támasztják alá a DNS-szekvenciák használhatóságát a mikroorganizmus rokonságának, evolúciós történetének meghatározására.
1969. Brenner (Don) és kutatócsoportja módszert dolgozott ki az enterobaktériumok (bélből izolált baktériumok, Enterobacteriaceae) osztályozására. A módszer alapja a különböző organizmusokból nyert DNS hibridizációja, a kapcsolódás (reasszociáció) mértéke. A módszer segítségével történhet az egyes izolált és tisztított fajok/törzsek azonosítása.
1977. Woese (Carl) a riboszómális RNS-analízis alapján azonosította az élő szervezetek egy új csoportját, az ősbaktériumokat (Archea). Az archeobaktériumok egyértelműen eltérnek a többi baktériumtól, rokonságot mutatnak mind a prokariótákkal, mind az eukariótákkal.
1977. Jannasch (Holger) kiterjedt élőközösséget talált az óceánok fenekén a hidrotermális rések közelében. Ez az élőközösség a kenet oxidáló és ebből energiát nyerő (szulfátlégzés) élőlények tevékenységén alapul, mert az óceán mélyén a fotoszintézis és a fotoredukció nem működik, lévén, hogy oda nem jut le a fény.
1982. Stetter (Karl) hőtűrő, akár 105 oC-on életképes baktériumokat (Archaea) izolál. Ezzel a felfedezéssel megdőlt az addig uralkodó nézet az életre alkalmas hőmérsékletekről és a fehérjék denaturálódásáról.
1994. Olsen (Gary), Woese (Carl) és Overbeek (Ross) áttekintik és összegzik a prokarióták fejlődéstörténetét, melynek hatására a tudósok átértelmezték a mikroorganizmusok szerepét és fontosságát a földi életben.
Forrás:
http://www.microbiologytext.com/index.php?module=book&func=displayarticl...
mikrobiológia a biológia tudományának egy ága, mely olyan apró biológiai képződményekkel és élőlényekkel foglalkozik, melyek csak mikroszkóppal láthatóak. Ilyenek a szubvirális elemek (prionok és viroidok) a vírusok és a mikroorganizmusok. A mikroorganizmusok között vannak baktériumok, gombák, növények és állatok, lehetnek egyejtűek vagy többsejtűek, a lényeg, hogy szemmel nem látszanak, nem vizsgálhatóak. A géntechnikák és az immunológia módszertanilag és céljait tekintve is nagyrészt a mikrobiológiához tartozik.
A mikrobiológia egyik legfontosabb területe a környezeti mikrobiológia, mely a mikrobák szerepét és diverzitását vizsgálja természetes környezetükben és azt, hogy a természetes vagy szennyezett környezetben élő és működő mikroorganizmusok hogyan hasznosíthatóak környezetvédelmi technológiákban.
A környezeti mikrobiológia alterületei a mikrobiális ökológia, a biogeokémiai ciklusok és a geomikrobiológia, a mikrobák élete és működése szempontjából fontos életterek (rizoszféra, phylloszféra, talaj, talajvíz ökoszisztémái, óceánok, extrém életterek) és az együttműködések (szimbiózis, antibiózis, kommenzalizmus, parazitizmus, stb.) vizsgálata.
A környezeti mikrobiológia társterületei a környezettudományokban az ökológia, a mikrobiális ökológia, a mikrobiális fiziológia, a mikrobiális genetika, a humán patogének mikrobiológiája, orvosi mikrobiológia, állatorvosi mikrobiológia, parazitológia, evolúciós mikrobiológia és az ipari mikrobiológia.
talajkezelési technológia alapját képező mikrobiológiai és növényi együttműködés. mikroorganizmusok és növények képesek mind szerves, mind szervetlen szennyezőanyagok immobilizálására, stabilizálására. Az immobilizáció történhet az élőlény szervezetében vagy a szervezeten kívül, magában a talajban. Az immobilizáció egyik formája az, amikor az élőlények sejtjeikbe építik be a szennyezőanyagot miután kivonták a talajból, üledékből. Ez a folyamat a természetben izolálatlanul nem hasznos, hiszen a szennyezőanyag az élőlény pusztulásával visszakerül a körforgalomba, de még káros is lehet, ha körforgása közben bekerül a táplálékláncba. Ugyanakkor mesterségesen izolálva a folyamatot a környezettől, hasznos technológia válhat belőle: ezen alapul a fitoextrakció és a rizofiltráció: ilyenkor a növényben immobilizált fémek egy kapcsolódó technológiában ártalmatlaníthatóak.
Spontán is lejátszódó, de akár tudatosan használható és irányítható folyamat a redoxpotenciál csökkentése a levegő oxigén párhuzamosan történő felhasználása révén. Mesterséges adalékként talajba juttatott energiaforrás mindig aktiválja a helyi mikroflórát. Ha nem gondoskodunk levegőztetésről, akkor először elfogy a talajlevegő oxigénje, majd az alternatív légzési formák beindultával elfogynak az alternatív légzésformák oxigénforrásai nitrát, szulfát, végül teljesen anaerob körülmények teremtődnek. A negatív redoxpotenciál mellett eltolódnak a kémiai formák egyensúlyai, ez bizonyos szennyezőanyagoknál, pl. toxikus fémeknél kémiai immobilizációhoz, mozgékonyságcsökkenéshez, biológiai hozzáférhetetlenséghez vezet.
A növények extracelluláris anyagot termelve képesek bizonyos szennyezőanyagok rhizoszférában történő kicsapására.
Egyes mikroorganizmusok extracelluláris poliszaccharidokat termelve csapják ki a fémeket a sejten kívüli térben. Vízkezelés, vagy in situ talajkezelés során hasznosíthatjuk ezt a folyamatot, ha a fémeket megkötő növényzetet el tudjuk távolítani gyökerestől a környezeti elemből.
Más mikroorganizmusok a sejten belül kötik meg, majd a sejtfalba és a membránba építik be a szennyezőanyagokat, ezáltal védve saját magukat a toxikus hatású szennyezőanyag anyagcseréjükbe kerülésétől. Ez a környezetben haszontalan folyamat - a védekező organizmustól eltekintve - akkor használható technológiaként, ha a sejtek elkülöníthetőek a szennyezett környezeti elemtől, tehát elsősorban vizek kezelésére ajánlható.
Szennyezett vizek üledékének felszínén egy idő után humuszréteg alakul ki a belehullott szerves anyagoktól humuszlepény, mely kettős hatású. Egyrészt fizikailag izolálja az alatta lévő szennyezett réteget, másrészt az így létrejövő anaerob körülmények közt a redoxpotenciál megváltozásával a fémek oldhatatlan szulfid formába MeS kerülnek. Utóbbi állapotot stabilizálhatják a szulfátlégzést alkalmazó baktériumok, melyek vagy honosak, vagy oltóanyagként betelepíthetőek a szulfát-veszélyt jelentő talajokba vagy üledékekbe, az izoláció alá. A Thiobacillusok tevékenységének megakadályozására szulfátredukáló baktériumok telepíthetőek a szennyezett területre, a talajba vagy az üledékbe. Ilyen mikroorganizmusok az obligát anaerob Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfuromonas autooxidans, amelyek a szulfátot oldhatatlan szulfiddá alakítják. A baktériumok működéséhez anaerob körülményekre van szükség, tehát ez vagy felszíni vizek mélyebb rétegeiben, mocsaras területeken vagy légmenetesen lezárt talajokban alkalmazható mikrobiológiai stabilizálási módszer.
fitostabilizáció céljából a területet a szennyezőanyagot tűrő növényfajokkal ültetik be, megakadályozva ezzel a szennyezőanyag szél vagy víz útján történő továbbterjedését. Rhizofiltráció esetén a felszíni vizekből és/vagy a vízzel elárasztott talajból a gyökérzóna kiszűri, felveszi, elbontja, vagy megköti a szennyezőanyagot. A növények gyökérrendszere igen nagy területet hálóz be, nagy felületet biztosít a gyökér-mikroflóra működésének. A gyökjérmikroflóra által mineralizált szerves anyagokat a növények flhasználják. Ha akkumulálható toxikus fémek is vannak a rendszerben és ezek a növény föld feletti részében akkumulálódnakk, akkor a növényi anyagot veszélyes hulladékként kell kezelni: betakarítás után égetés, majd a hamu veszélyes hulladéklerakóban történő elheyezése vagy más módon történő ártalmatlanítáa, esetleg hasznosítása. A hamuból a fémtartalom kioldható vagy stabilizálandó.
mikrobiológiai korrózióról akkor beszélünk, ha fémek vagy nem fémes anyagok korrózióját mikroorganizmusok okozzák közvetlenül vagy közvetetten, az általuk termelt korrozív anyagok révén.
A mikrobiológiai korrózióért felelős baktériumok közül a leggyakoribbak 1. a szulfidokból vagy kénhidrogénből szulfátot, azaz kénsavat képző Thiobacillus vagy Acidothiobacillus nemzetség tagjai, 2. a vasat oxidáló baktériumok, melyek a vasból vashidroxidot vagy vasoxidot képeznek, miközben energiát nyernek. Az általuk termelt finomszemcsés vasoxid eldugíthatja a csővezetékeket. 3. Az anaerob körülmények között élő szulfátlégző baktériumok szulfidokat illetve kénhidrogént képeznek a szulfátokból, ilyenkor a kénhidrogén korrozív hatásával kell számolnunk. 4. Egy sor baktérium képes szerves savakat, vagy 5. lúgos vegyületeket termelni, például a denitrifikáló baktériumok ammóniát, mely szintén korrozív anyag. 6. Maga a biofilm, illetve a mikroorganizmusok által kiválasztott nyálka is okozhat korróziót,vagy azért mert maga savas, vagy azért mert fegyűlik alatta a korrozív mikrobiológiai anyagcseretermék.
A mikrobiológiai korrózió nem csak fémeket, de például a betont, a követ, és a legtöbb építőanyagot is érintheti. A műanyagok, a fa- és textiltermékek mikrobiológiai korróziója a mikroorganizmusok biodegradáló tevékenységének következménye.
A mikrobiológiai korrózió ellen a felület tisztán tartásával, biocidekkel, jól záró bevonatokkal, felületkezeléssel lehet védekezni.
lásd aerob oxidáción alapuló talajbioremediáció és
lásd anaerob+oxidáción+alapuló+bioremediáció" target="_blank">anaerob oxidáción alapuló bioremediáció.
lásd anaerob+redukción+alapuló+bioremediáció" target="_blank">anaerob redukción alapuló bioremediáció.
mikroorganizmusok által végzett deklórozás a klór lehasítása egy szerves molekuláról a szulfátlégzés és a karbonátlégzés redoxpotenciálján. A klór elektronakceptorként történő felhasználása a mikroorganizmusok egyik alternatív légzésformájaként is felfogható, ezért klórlégzésnek is nevezik. A termék sósav HCl.
olyan talajremediációs technológia, melyben a szennyezőanyag immobilizálása a talajban mikrobiológiai közreműködéssel történik. A hasznosuló mikrobiológiai folyamat eredménye lehet közvetlenül vagy közvetetten immobilizációhoz vezető változás, pl. mikrobiológiai átalakítás, biológiai oxidáció vagy redukció, bioszorpció, stb. de lehet a környezeti paraméterek, például a pH vagy a redoxpotenciál biológiai okokra visszavezethető megváltozása pl. szulfátlégzés és ezen megváltozott körülmények között spontán lejátszódó kémiai reakció fémszulfidok keletkezése.
a mikroorganizmusok elterjedtsége a földi ökoszisztémában és a holt szerves anyagok bontására kialakult határtalan genetikai potenciáljuk alkalmassá teszi őket a környezetet szennyező anyagok, akár még a biológiai rendszerek számára idegen xenobiotikumok bontására is.
A mikroorganizmusok kis generációs idejük és gyors alkalmazkodóképességük révén szinte minden xenobiotikumot képesek lebontani, vagy energiatermeléssel összekötött folyamatokban, vagy kometabolizmus útján. A xenobiotikumok mikrobiológiai degradálhatósága nemcsak a mikroflóra genetikai képességétől és fiziológiai állapotától függ, de a xenobiotikum biológiai hozzáférhetőségétől, mozgékonyságától, vízoldhatóságától, polaritásától, más szennyezőanyagokkal és a szennyezett környezeti elem fázisaival való kölcsönhatásától, stb.
A különböző környezeti elemek mikroflórájának nagyfokú alkalmazkodóképességét a mikrobaközösségek flexibilis genomja, kis generációs ideje, külső körülmények hatására fokozott ütemű evolúciója, változékonysága, adaptív enzimjei és az egyre elterjedtebb mozgékony genetikai elemek (plazmidok, ugráló gének, stb.) is segítik, melyek képesek a xenobiotikum bontásához szükséges géneket megfelelő időben, megfelelő minőségben és mennyiségben előállítani, és azt a közösségben elterjeszteni.
a talajlevegőztetés során a telítetlen talaj saját aerob mikroflóráját aktíváljuk, hogy minél hatékonyabb szervesanyag lebontásra legyenek képesek. Ezt az eljárást bioventillációnak is nevezzük. A talaj vízzel telített fázisát is levegőztetehetjük levegő vagy oxigén talajba injektálásával, bár ennek energiagénye és költsége lényegesen nagyobb, mint a bioventillációé. A telített zóna levegőztetésére az angol szakirodalomban a "biosparging" (biológiai bekeverés) kifejezés terjedt el, ami arra utal, hogy a levegő mellett gyakran tápanyagokat is kevernek a kezelendő talajvízbe.
A talaj levegőztetés hatásának előrejelzése a biodegradációra nem minden esetben egyszerű, eldöntése a szennyezőanyag ismeretében megfontolásokat és általában kísérleteket is követel. A következő főbb alternatívák között kell döntenünk:
1. telítetlen talaj levegőztetése bioventillációval vagy levegő injektálásával;
2. telített talajba, helyesebben a talajvízbe levegő injektálása (biosparging);
3. talajvízszint-süllyesztéssel megnövelt telítetlen rétegvastagság átszellőztetése bioventillációval;
4. a telített zónában folyó biodegradáció intenzifikálása csökkent redoxpotenciálon, levegő helyett alternatív elektronakceptorok (nitrát, szulfát, Fe2+, stb.) alkalmazásával.