环境微生物学：研究和应用对象 - 生物学 - 2025

在环境微生物学是科学，在受污染的土壤和水的生物修复在它们生活的自然环境和它们的代谢能力的应用微生物研究的多样性和功能。它通常分为以下学科：微生物生态学，地球微生物学和生物修复。

微生物学（微分子：小，生物：生命，徽标：研究），以跨学科的方式研究了各种各样的微观单细胞生物（1至30 µm），只有通过光学显微镜才能看到（人眼不可见） ）。

图1.左侧：光学显微镜，一种可以放大查看微生物的仪器（来源：https：//pxhere.com/es/photo/1192464）。右：假单胞菌属中广泛分布的细菌的电子显微照片（由CDC提供，由公共卫生图片库提供）。

在微生物学领域中归为一类的生物在许多重要方面都不相同，并且属于非常不同的分类类别。它们以孤立的或关联的细胞形式存在，可以是：

• 主要原核生物（无特定核的单细胞生物），如真细菌和古细菌。
• 简单的真核生物（具有明确核的单细胞生物），例如酵母，丝状真菌，微藻和原生动物。
• 病毒（不是细胞，而是微观的）。

微生物能够独立于相同或不同类别的其他细胞执行其所有重要过程（生长，代谢，能量产生和繁殖）。

相关微生物特性

与外部环境的互动

自由活动的单细胞生物特别暴露于外部环境。另外，它们既具有非常小的细胞大小（这会影响其形态和代谢灵活性），又具有高的表面积/体积比，从而与周围环境产生广泛的相互作用。

因此，存活率和微生物生态分布都取决于其对频繁的环境变化进行生理适应的能力。

代谢

高的表面/体积比产生高的微生物代谢率。这与它的快速生长和细胞分裂有关。此外，自然界中微生物代谢的多样性也很广泛。

微生物可以看作是化学机器，可以改变内部和外部的各种物质。这是由于其酶促活性，可加速特定化学反应的速率。

适应非常多样化的环境

通常，就存在的营养物的类型和数量以及它们的理化条件而言，微生物微生境是动态的和异质的。

有微生物生态系统：

• 陆地（在岩石和土壤上）。
• 水生的（在海洋，池塘，湖泊，河流，温泉，含水层中）。
• 与高等生物（植物和动物）相关。

极端环境

微生物几乎存在于地球上的每个环境中，无论对高级生命形式是否熟悉。

在温度，盐度，pH和水利用率（以及其他资源）方面具有极端条件的环境呈现“极端微生物”微生物。这些细菌大多是古细菌（或古细菌），形成了不同于细菌和真核生物的主要生物域，称为古细菌。

图2.极端微生物的栖息地。左：黄石国家公园的温泉水，已经研究了嗜热微生物（资料来源：国家公园管理局的Jim Peaco，通过Wikimedia Commons）。右：南极洲，已经研究了嗜冷微生物（资料来源：pxhere.com）。

极端微生物

在各种各样的极端微生物中，有：

• 嗜热菌：在40°C以上的温度下具有最佳生长（温泉居民）。
• 嗜冷菌：在低于20°C的温度下（冰场所的居民）具有最佳生长。
• 嗜酸性：在低pH值（接近2）（酸性）条件下具有最佳生长。存在于酸性温泉和水下火山缝隙中。
• 嗜盐菌：需要高浓度的盐（NaCl）才能生长（如在盐水中）。
• Xerophiles：能够抵抗干旱，即低水分活度（沙漠的居民，如智利的Atacama）。

分子生物学应用于环境微生物学

微生物分离和培养

要研究微生物的一般特征和代谢能力，必须：将其与自然环境隔离，并在实验室中进行纯培养（不含其他微生物）。

图3.实验室中的微生物隔离。左：在固体培养基上生长的丝状真菌（来源：https：//www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457）。右：通过耗尽接种技术分离出细菌菌株（来源：Drhx，来自Wikimedia Commons）。

在实验室中仅分离和培养了自然界中存在的微生物的1％。这是由于缺乏对它们的具体营养要求的了解，以及难以模拟多种现有环境条件的原因。

分子生物学工具

分子生物学技术在微生物生态学领域的应用使得探索现有的微生物生物多样性成为可能，而无需在实验室中对其进行分离和培养。它甚至使人们有可能在其自然的微生境中，即就地识别微生物。

这在研究极端微生物的过程中特别重要，这些微生物的最佳生长条件在实验室中很难模拟。

另一方面，利用转基因微生物的重组DNA技术已在生物修复过程中消除了环境中的污染物质。

环境微生物学研究领域

正如最初指出的那样，环境微生物学的不同研究领域包括微生物生态学，地球微生物学和生物修复学科。

-微生物生态学

通过研究微生物在自然环境中的功能多样性，微生物生态学将微生物学与生态学理论相融合。

微生物是地球上最大的生物量，因此其生态功能或作用影响生态系统的生态历史也就不足为奇了。

这种影响的一个例子是有氧生命形式的出现，这归因于蓝藻的光合作用在原始大气中积累的氧气（O ₂）。

微生物生态学研究领域

微生物生态学已遍及微生物学的所有其他学科，并进行以下研究：

• 微生物多样性及其进化史。
• 种群中的微生物之间以及社区中的种群之间的相互作用。
• 微生物与植物之间的相互作用。
• 植物病原体（细菌，真菌和病毒）。
• 微生物与动物之间的相互作用。
• 微生物群落，其组成和演替过程。
• 微生物对环境条件的适应。
• 微生物栖息地的类型（大气生态圈，水生态圈，岩石生态圈和极端栖息地）。

-地球微生物学

地球微生物学研究影响陆地地质和地球化学过程（生物地球化学循环）的微生物活动。

这些发生在大气，水圈和地球圈中，特别是在诸如最近沉积物，与沉积岩和火成岩接触的地下水体以及风化的地壳等环境中。

它专门研究与环境中的矿物质相互作用，使其溶解，转化，沉淀的微生物。

地微生物学研究领域

地球微生物学研究：

• 微生物与地质过程的相互作用（土壤形成，岩石分解，矿物和化石燃料的合成和降解）。
• 通过沉淀或在生态系统中溶解（例如在含水层中）形成微生物来源的矿物。
• 微生物对地球圈生物地球化学循环的干预。
• 微生物相互作用会在表面形成不必要的微生物团块（生物污染）。这些生物污垢可能导致其居住的表面变质。例如，它们会腐蚀金属表面（生物腐蚀）。
• 化石证明了微生物和矿物质在原始环境中相互作用的证据。

例如，叠层石是来自浅水的分层化石矿物结构。它们由原始蓝细菌壁上的碳酸盐组成。

图4.左侧：浅水中的化石叠层岩（左图来源：https：//es.wikipedia.org/wiki/Archivo：StromatolitheAustralie2.jpeg）。右：叠层石的细节（右图来源：https：//es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo：StromatoliteUL02.JPG）。

-生物修复

生物修复研究了生物制剂（微生物和/或其酶和植物）在土壤和水的回收过程中的应用，这些土壤和水被对人体健康和环境有害的物质污染了。

图5.厄瓜多尔亚马逊雨林中的石油污染。资料来源：厄瓜多尔外交部，通过Wikimedia Commons

利用全球生态系统中的微生物成分可以解决当前存在的许多环境问题。

生物修复研究领域

生物修复研究：

• 适用于环境卫生过程的微生物代谢能力。
• 与无机和异种污染物（有毒的合成产物，不是自然生物合成过程产生的）的微生物相互作用。在研究最多的异生物素化合物中，有卤代烃，硝基芳烃，多氯联苯，二恶英，烷基苄基磺酸盐，石油烃和农药。研究最多的无机元素是重金属。
• 环境污染物的原位和实验室可生物降解性。

环境微生物学的应用

在这门广泛的科学的众多应用中，我们可以列举：

• 新的微生物代谢途径的发现及其在商业价值过程中的潜在应用。
• 重建微生物系统发育关系。
• 分析含水层和公共饮用水供应。
• 在介质中溶解或浸出（生物浸出）金属，以回收金属。
• 在受污染区域的生物修复过程中进行生物湿法冶金或重金属的生物开采。
• 对溶解在地下含水层中的放射性废物容器进行生物腐蚀的微生物的生物防治。
• 重建原始的陆地历史，古环境和原始的生命形式。
• 在寻找其他星球（例如火星）上的化石生命中使用有用的模型。
• 对异种或无机物质（如重金属）污染的区域进行卫生处理。

参考文献

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