Mikrobiologi lingkungan: objek studi dan aplikasi

Mikrobiologi Lingkungan adalah ilmu yang mempelajari keragaman dan fungsi dari mikroorganisme di lingkungan alami mereka dan aplikasi dari kemampuan metabolisme mereka dalam bioremediasi tanah terkontaminasi dan air. Biasanya dibagi menjadi disiplin ilmu: ekologi mikroba, geomikrobiologi dan bioremediasi.

Mikrobiologi ( mikros : kecil, bios : kehidupan, logo: studi), mempelajari secara interdisipliner kelompok organisme uniseluler mikroskopis yang luas dan beragam (dari 1 hingga 30 m), hanya terlihat melalui mikroskop optik (tidak terlihat oleh mata manusia ) .

Gambar 1. Di sebelah kiri: mikroskop optik, instrumen yang memungkinkan mikroorganisme dilihat dengan pembesaran (Sumber: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Kanan: mikrograf elektron bakteri yang tersebar luas dalam genus Pseudomonas (Oleh: CDC, Courtesy: Public Health Image Library).

Organisme yang dikelompokkan bersama dalam bidang mikrobiologi berbeda dalam banyak hal penting dan termasuk dalam kategori taksonomi yang sangat berbeda. Mereka ada sebagai sel yang terisolasi atau terkait dan dapat berupa:

• Prokariota utama (organisme uniseluler tanpa nukleus yang ditentukan), seperti eubacteria dan archaebacteria.
• Eukariota sederhana (organisme bersel tunggal dengan nukleus tertentu), seperti ragi, jamur berfilamen, mikroalga, dan protozoa.
• Virus (yang tidak seluler, tetapi mikroskopis).

Mikroorganisme mampu melakukan semua proses vitalnya (pertumbuhan, metabolisme, pembangkitan energi, dan reproduksi), terlepas dari sel-sel lain dari kelas yang sama atau berbeda.

Indeks artikel

Karakteristik mikroba yang relevan

Interaksi dengan lingkungan luar

Organisme uniseluler yang hidup bebas secara khusus terpapar pada lingkungan eksternal. Selain itu, mereka memiliki ukuran sel yang sangat kecil (yang mempengaruhi morfologi dan fleksibilitas metabolismenya), dan rasio permukaan / volume yang tinggi , yang menghasilkan interaksi ekstensif dengan lingkungannya.

Karena itu, kelangsungan hidup dan distribusi ekologi mikroba bergantung pada kapasitas mereka untuk adaptasi fisiologis terhadap variasi lingkungan yang sering terjadi.

Metabolisme

Rasio permukaan / volume yang tinggi menghasilkan tingkat metabolisme mikroba yang tinggi. Hal ini terkait dengan laju pertumbuhan dan pembelahan sel yang cepat. Selanjutnya, di alam terdapat keragaman metabolisme mikroba yang luas.

Mikroorganisme dapat dianggap sebagai mesin kimia, yang mengubah berbagai zat baik di dalam maupun di luar. Ini karena aktivitas enzimatiknya, yang mempercepat laju reaksi kimia tertentu.

Adaptasi terhadap lingkungan yang sangat beragam

Secara umum, mikrohabitat mikroba bersifat dinamis dan heterogen terhadap jenis dan jumlah nutrien yang ada, serta kondisi fisikokimianya.

Ada ekosistem mikroba:

• Terestrial (pada bebatuan dan tanah).
• Akuatik (di lautan, kolam, danau, sungai, mata air panas, akuifer).
• Berasosiasi dengan organisme yang lebih tinggi (tumbuhan dan hewan).

Lingkungan ekstrim

Mikroorganisme ditemukan di hampir setiap lingkungan di planet Bumi, akrab atau tidak dengan bentuk kehidupan yang lebih tinggi.

Lingkungan dengan kondisi ekstrim yang berkaitan dengan suhu, salinitas, pH dan ketersediaan air (di antara sumber daya lainnya), menghadirkan mikroorganisme “Ekstrofilik”. Ini biasanya sebagian besar archaea (atau archaebacteria), yang membentuk domain biologis primer dibedakan dari Bakteri dan Eukarya, yang disebut Archaea .

Gambar 2. Habitat Mikroorganisme Ekstremofilik. Kiri: Mata air panas di Taman Nasional Yellowstone, di mana mikroorganisme termofilik telah dipelajari (Sumber: Jim Peaco, National Park Service [Domain publik], melalui Wikimedia Commons). Kanan: Antartika, tempat penelitian mikroorganisme psikrofilik (Sumber: pxhere.com).

Mikroorganisme ekstremofilik

Di antara berbagai macam mikroorganisme Ekstremofilik, ada:

• Termofil: yang menunjukkan pertumbuhan optimal pada suhu di atas 40 ° C (penghuni mata air panas).
• Psychrophiles: pertumbuhan optimal pada suhu di bawah 20 ° C (penghuni tempat dengan es).
• Acidophilic: dengan pertumbuhan optimal pada kondisi pH rendah, mendekati 2 (asam). Hadir di mata air panas asam dan celah-celah vulkanik bawah laut.
• Halofil: membutuhkan garam (NaCl) konsentrasi tinggi untuk tumbuh (seperti dalam air asin).
• Xerophiles: mampu menahan kekeringan, yaitu aktivitas air yang rendah (penghuni gurun seperti Atacama di Chili).

Biologi molekuler diterapkan pada mikrobiologi lingkungan

Isolasi dan kultur mikroba

Untuk mempelajari karakteristik umum dan kapasitas metabolisme suatu mikroorganisme, mikroorganisme harus: diisolasi dari lingkungan alaminya dan disimpan dalam biakan murni (bebas mikroorganisme lain) di laboratorium.

Gambar 3. Isolasi mikroba di laboratorium. Kiri: jamur berfilamen tumbuh pada media kultur padat (Sumber: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Kanan: isolasi strain bakteri dengan teknik penyemaian deplesi (Sumber: Drhx [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], dari Wikimedia Commons).

Hanya 1% dari mikroorganisme yang ada di alam telah diisolasi dan dibudidayakan di laboratorium. Hal ini disebabkan kurangnya pengetahuan tentang kebutuhan nutrisi spesifik mereka dan sulitnya mensimulasikan berbagai macam kondisi lingkungan yang ada.

Alat Biologi Molekuler

Penerapan teknik biologi molekuler pada bidang ekologi mikroba telah memungkinkan untuk mengeksplorasi keanekaragaman hayati mikroba yang ada, tanpa perlu isolasi dan budidaya di laboratorium. Bahkan memungkinkan untuk mengidentifikasi mikroorganisme di habitat mikro alami mereka, yaitu in situ .

Ini sangat penting dalam studi mikroorganisme Ekstremofilik, yang kondisi pertumbuhan optimalnya rumit untuk disimulasikan di laboratorium.

Di sisi lain, teknologi DNA rekombinan dengan penggunaan mikroorganisme yang dimodifikasi secara genetik telah memungkinkan penghapusan zat pencemar dari lingkungan dalam proses bioremediasi.

Bidang studi mikrobiologi lingkungan

Seperti yang ditunjukkan pada awalnya, berbagai bidang studi mikrobiologi lingkungan mencakup disiplin ekologi mikroba, geomikrobiologi, dan bioremediasi.

-Ekologi mikroba

Ekologi mikroba memadukan mikrobiologi dengan teori ekologi, melalui studi keragaman peran fungsional mikroba di lingkungan alaminya.

Mikroorganisme merupakan biomassa terbesar di planet Bumi, sehingga tidak mengherankan jika fungsi atau peran ekologisnya mempengaruhi sejarah ekologi ekosistem.

Sebuah contoh dari pengaruh ini adalah munculnya aerobik bentuk kehidupan berkat akumulasi oksigen (O 2 ) dalam primitif atmosfer , yang dihasilkan oleh aktivitas fotosintesis cyanobacteria .

Bidang penelitian ekologi mikroba

Ekologi mikroba adalah transversal untuk semua disiplin ilmu mikrobiologi lainnya, dan studi:

• Keanekaragaman mikroba dan sejarah evolusinya.
• Interaksi antar mikroorganisme dalam suatu populasi dan antar populasi dalam suatu komunitas.
• Interaksi antara mikroorganisme dan tumbuhan.
• Fitopatogen (bakteri, jamur dan virus).
• Interaksi antara mikroorganisme dan hewan.
• Komunitas mikroba, komposisi mereka dan proses suksesi.
• Adaptasi mikroba dengan kondisi lingkungan.
• Jenis habitat mikroba (atmosfer-ekosfer, hidro-ekosfer, litho-ekosfer dan habitat ekstrim).

-Geomikrobiologi

Geomikrobiologi mempelajari aktivitas mikroba yang mempengaruhi proses geologi dan geokimia terestrial (siklus biogeokimia).

Ini terjadi di atmosfer, hidrosfer dan geosfer, khususnya di lingkungan seperti sedimen baru-baru ini, badan air tanah yang bersentuhan dengan batuan sedimen dan beku, dan di kerak bumi yang lapuk.

Ini berspesialisasi dalam mikroorganisme yang berinteraksi dengan mineral di lingkungan mereka, melarutkannya, mengubahnya, mengendapkannya, antara lain.

Bidang penelitian Geomikrobiologi

Studi Geomikrobiologi:

• Interaksi mikroba dengan proses geologi (pembentukan tanah, pemecahan batuan, sintesis dan degradasi mineral dan bahan bakar fosil).
• Pembentukan mineral asal mikroba, baik oleh pengendapan atau pembubaran dalam ekosistem (misalnya, dalam akuifer).
• Intervensi mikroba dalam siklus biogeokimia geosfer.
• Interaksi mikroba yang membentuk gumpalan mikroorganisme yang tidak diinginkan pada suatu permukaan (biofouling). Biofouling ini dapat menyebabkan kerusakan pada permukaan yang mereka huni. Misalnya, mereka dapat menimbulkan korosi pada permukaan logam (biocorrosion).
• Bukti fosil interaksi antara mikroorganisme dan mineral dari lingkungan primitif mereka.

Misalnya, stromatolit adalah struktur mineral fosil bertingkat dari perairan dangkal. Mereka terdiri dari karbonat, yang berasal dari dinding cyanobacteria primitif.

Gambar 4. Di sebelah kiri: stromatolit fosil di perairan dangkal (Sumber foto kiri: https://es.wikipedia.org/wiki/File: StromatolitheAustralie2.jpeg). Kanan: detail stromatolit (Sumber foto kanan: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG).

-Bioremediasi

Bioremediasi mempelajari penerapan agen hayati (mikroorganisme dan / atau enzim dan tanaman ), dalam proses pemulihan tanah dan air yang terkontaminasi zat berbahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan.

Gambar 5. Kontaminasi minyak di hutan hujan Amazon Ekuador. Sumber: Ekuador [CC BY-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.0)], melalui Wikimedia Commons

Banyak masalah lingkungan yang ada saat ini dapat diselesaikan dengan penggunaan komponen mikroba dari ekosistem global.

Bidang penelitian bioremediasi

Studi bioremediasi:

• Kapasitas metabolisme mikroba yang berlaku dalam proses sanitasi lingkungan.
• Interaksi mikroba dengan polutan anorganik dan xenobiotik (produk sintetis beracun, tidak dihasilkan oleh proses biosintetik alami). Di antara senyawa xenobiotik yang paling banyak dipelajari adalah halokarbon, nitroaromatik, bifenil poliklorinasi, dioksin, alkilbenzil sulfonat, hidrokarbon minyak bumi, dan pestisida. Logam berat adalah salah satu unsur anorganik yang paling banyak dipelajari.
• Biodegradabilitas polutan lingkungan in situ dan di laboratorium.

Kegunaan mikrobiologi lingkungan

Di antara banyak aplikasi dari ilmu pengetahuan yang luas ini, kita dapat mengutip:

• Penemuan jalur metabolisme mikroba baru dengan aplikasi potensial dalam proses nilai komersial.
• Rekonstruksi hubungan filogenetik mikroba.
• Analisis akuifer dan suplai air minum masyarakat.
• Pelarutan atau pelindian (bioleaching) logam dalam medium, untuk pemulihannya.
• Biohydrometallurgy atau biomining logam berat, dalam proses bioremediasi daerah yang terkontaminasi.
• Biokontrol mikroorganisme yang terlibat dalam biokorosi wadah limbah radioaktif yang terlarut dalam akuifer bawah tanah.
• Rekonstruksi sejarah terestrial primitif, lingkungan paleo dan bentuk kehidupan primitif.
• Konstruksi caral yang berguna dalam pencarian fosil kehidupan di planet lain, seperti Mars.
• Sanitasi area yang terkontaminasi zat xenobiotik atau anorganik, seperti logam berat.

Referensi

1. Ehrlich, HL dan Newman, DK (2009). Geomikrobiologi. Edisi kelima, CRC Press. hal 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremediasi logam melalui sel yang sedang tumbuh. Environment International, 30 (2), 261–278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, RE (2004). Mikrobiologi Pengendalian Pencemaran Lingkungan. M. Dekker. hal 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Edisi kelima, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. hal 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofil sebagai sumber enzim baru. Opini Saat Ini dalam Mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, SC, dan Jones, KC (1993). Bioremediasi tanah yang terkontaminasi hidrokarbon aromatik polinuklir (PAH): Tinjauan. Pencemaran Lingkungan, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.