Microbiologie environnementale objet d'étude et applications

La microbiologie environnementale est la science qui étudie la diversité et la fonction des micro-organismes dans leur milieu naturel et les applications de leurs capacités métaboliques dans les processus de biorestauration des sols et des eaux contaminés. Il est généralement divisé en disciplines: écologie microbienne, géomicrobiologie et bioremédiation.

Microbiologie (Mikros: petit, biographie: durée de vie, logos: étude), étudie de manière interdisciplinaire un groupe large et diversifié d'organismes unicellulaires microscopiques (de 1 à 30 µm), visibles uniquement au microscope optique (invisibles à l'œil humain).

Les organismes regroupés dans le domaine de la microbiologie sont différents à de nombreux égards importants et appartiennent à des catégories taxonomiques très différentes. Ils existent sous forme de cellules isolées ou associées et peuvent être:

• Principaux procaryotes (organismes unicellulaires sans noyau défini), tels que les eubactéries et les archéobactéries.
• Eucaryotes simples (organismes unicellulaires avec des noyaux définis), tels que les levures, les champignons filamenteux, les microalgues et les protozoaires.
• Virus (qui ne sont pas cellulaires, mais microscopiques).

Les micro-organismes sont capables de réaliser tous leurs processus vitaux (croissance, métabolisme, génération d'énergie et reproduction), indépendamment des autres cellules de la même classe ou d'une classe différente.

Index des articles

• 1 Caractéristiques microbiennes pertinentes
  • 1.1 Interaction avec l'environnement externe
  • 1.2 Métabolisme
  • 1.3 Adaptation à des environnements très divers
  • 1.4 Environnements extrêmes
  • 1.5 Microorganismes extrémophiles
• 2 Biologie moléculaire appliquée à la microbiologie environnementale
  • 2.1 Isolement et culture microbienne
  • 2.2 Outils de biologie moléculaire
• 3 Domaines d'étude de la microbiologie environnementale
  • 3.1 -Écologie microbienne
  • 3.2 -Géomicrobiologie
  • 3.3 -Bioremédiation
• 4 Applications de la microbiologie environnementale
• 5 Références

Caractéristiques microbiennes pertinentes

Interaction avec l'environnement extérieur

Les organismes unicellulaires libres sont particulièrement exposés à l'environnement extérieur. De plus, ils ont à la fois une très petite taille de cellule (ce qui affecte leur morphologie et leur flexibilité métabolique), et un rapport surface / volume élevé, qui génère des interactions étendues avec leur environnement..

Pour cette raison, la survie et la distribution écologique microbienne dépendent de leur capacité d'adaptation physiologique aux variations environnementales fréquentes..

Métabolisme

Le rapport surface / volume élevé génère des taux métaboliques microbiens élevés. Ceci est lié à son taux rapide de croissance et de division cellulaire. De plus, il existe une grande diversité métabolique microbienne dans la nature..

Les micro-organismes peuvent être considérés comme des machines chimiques, qui transforment diverses substances à la fois à l'intérieur et à l'extérieur. Cela est dû à son activité enzymatique, qui accélère les taux de réactions chimiques spécifiques..

Adaptation à des environnements très divers

En général, le microhabitat microbien est dynamique et hétérogène en ce qui concerne le type et la quantité de nutriments présents, ainsi que leurs conditions physico-chimiques..

Il existe des écosystèmes microbiens:

• Terrestre (sur les roches et le sol).
• Aquatique (dans les océans, les étangs, les lacs, les rivières, les sources chaudes, les aquifères).
• Associé à des organismes supérieurs (plantes et animaux).

Environnements extrêmes

Les micro-organismes se trouvent dans pratiquement tous les environnements de la planète Terre, familiers ou non aux formes de vie supérieures.

Les environnements aux conditions extrêmes de température, de salinité, de pH et de disponibilité de l'eau (entre autres ressources) présentent des microorganismes «extrémophiles». Ce sont généralement pour la plupart des archées (ou archaebactéries), qui forment un domaine biologique primaire différencié de celui des bactéries et eucarya, appelé archées..

Microorganismes extrémophiles

Parmi la grande variété de micro-organismes extrémophiles, il y a:

• Thermophiles: montrant une croissance optimale à des températures supérieures à 40 ° C (habitants des sources thermales).
• Psychrophiles: de croissance optimale à des températures inférieures à 20 ° C (habitants des lieux avec de la glace).
• Acidophile: de croissance optimale dans des conditions de pH bas, proche de 2 (acide). Présent dans les sources chaudes acides et les crevasses volcaniques sous-marines.
• Halophiles: nécessitant de fortes concentrations de sel (NaCl) pour se développer (comme dans les saumures).
• Xerophiles: capables de résister à la sécheresse, c'est-à-dire à une faible activité de l'eau (habitants de déserts comme Atacama au Chili).

Biologie moléculaire appliquée à la microbiologie environnementale

Isolement microbien et culture

Pour étudier les caractéristiques générales et les capacités métaboliques d'un microorganisme, il doit être: isolé de son milieu naturel et conservé en culture pure (exempte d'autres microorganismes) en laboratoire.

Seulement 1% des microorganismes existant dans la nature ont été isolés et cultivés en laboratoire. Cela est dû au manque de connaissance de leurs besoins nutritionnels spécifiques et à la difficulté de simuler la grande variété des conditions environnementales existantes..

Outils de biologie moléculaire

L'application des techniques de biologie moléculaire au domaine de l'écologie microbienne a permis d'explorer la biodiversité microbienne existante, sans qu'il soit nécessaire de l'isoler et de la cultiver en laboratoire. Il a même permis d'identifier des microorganismes dans leurs microhabitats naturels, c'est-à-dire, in situ.

Ceci est particulièrement important dans l'étude des microorganismes extrémophiles, dont les conditions de croissance optimales sont complexes à simuler en laboratoire..

D'autre part, la technologie de l'ADN recombinant avec l'utilisation de micro-organismes génétiquement modifiés a permis d'éliminer les substances polluantes de l'environnement dans les processus de biorestauration..

Domaines d'étude de la microbiologie environnementale

Comme indiqué initialement, les différents domaines d'étude de la microbiologie environnementale comprennent les disciplines de l'écologie microbienne, de la géomicrobiologie et de la biorestauration..

-Écologie microbienne

L'écologie microbienne fusionne la microbiologie avec la théorie écologique, à travers l'étude de la diversité des rôles fonctionnels microbiens dans leur environnement naturel.

Les micro-organismes représentent la plus grande biomasse de la planète Terre, il n'est donc pas surprenant que leurs fonctions ou rôles écologiques affectent l'histoire écologique des écosystèmes..

Un exemple de cette influence est l'apparition de formes de vie aérobies grâce à l'accumulation d'oxygène (O_deux) dans l'atmosphère primitive, générée par l'activité photosynthétique des cyanobactéries.

Domaines de recherche de l'écologie microbienne

L'écologie microbienne est transversale à toutes les autres disciplines de la microbiologie, et des études:

• Diversité microbienne et son histoire évolutive.
• Interactions entre microorganismes dans une population et entre populations dans une communauté.
• Interactions entre micro-organismes et plantes.
• Phytopathogènes (bactériens, fongiques et viraux).
• Interactions entre les micro-organismes et les animaux.
• Communautés microbiennes, leur composition et processus de succession.
• Adaptations microbiennes aux conditions environnementales.
• Les types d'habitats microbiens (atmosphère-écosphère, hydro-écosphère, litho-écosphère et habitats extrêmes).

-Géomicrobiologie

La géomicrobiologie étudie les activités microbiennes qui affectent les processus géologiques et géochimiques terrestres (cycles biogéochimiques).

Celles-ci se produisent dans l'atmosphère, l'hydrosphère et la géosphère, en particulier dans des environnements tels que les sédiments récents, les masses d'eau souterraine en contact avec les roches sédimentaires et ignées, et dans la croûte terrestre altérée..

Il se spécialise dans les microorganismes qui interagissent avec les minéraux de leur environnement, les dissolvant, les transformant, les précipitant, entre autres..

Domaines de recherche en géomicrobiologie

Etudes de géomicrobiologie:

• Interactions microbiennes avec les processus géologiques (formation du sol, dégradation des roches, synthèse et dégradation des minéraux et des combustibles fossiles).
• La formation de minéraux d'origine microbienne, soit par précipitation, soit par dissolution dans l'écosystème (par exemple, dans les aquifères).
• Intervention microbienne dans les cycles biogéochimiques de la géosphère.
• Interactions microbiennes qui forment des amas indésirables de micro-organismes sur une surface (bio-encrassement). Ces bio-encrassements peuvent entraîner une détérioration des surfaces qu'ils habitent. Par exemple, ils peuvent corroder les surfaces métalliques (bio-corrosion).
• Preuve fossile des interactions entre les micro-organismes et les minéraux de leur environnement primitif.

Par exemple, les stromatolites sont des structures minérales fossiles stratifiées provenant d'eaux peu profondes. Ils sont constitués de carbonates, provenant des parois de cyanobactéries primitives.

-Bioremédiation

La bioremédiation étudie l'application d'agents biologiques (micro-organismes et / ou leurs enzymes et plantes), dans les processus de récupération des sols et des eaux contaminés par des substances dangereuses pour la santé humaine et l'environnement..

Bon nombre des problèmes environnementaux qui existent actuellement peuvent être résolus grâce à l'utilisation de la composante microbienne de l'écosystème mondial..

Domaines de recherche en bioremédiation

Etudes de bioremédiation:

• Les capacités métaboliques microbiennes applicables dans les processus d'assainissement de l'environnement.
• Interactions microbiennes avec les polluants inorganiques et xénobiotiques (produits synthétiques toxiques, non générés par des processus de biosynthèse naturels). Parmi les composés xénobiotiques les plus étudiés figurent les halocarbures, les nitroaromatiques, les biphényles polychlorés, les dioxines, les alkylbenzyl sulfonates, les hydrocarbures pétroliers et les pesticides. Parmi les éléments inorganiques les plus étudiés figurent les métaux lourds.
• La biodégradabilité des polluants environnementaux in situ et en laboratoire.

Applications de la microbiologie environnementale

Parmi les nombreuses applications de cette vaste science, on peut citer:

• La découverte de nouvelles voies métaboliques microbiennes avec des applications potentielles dans les processus de valeur commerciale.
• Reconstruction des relations phylogénétiques microbiennes.
• Analyse des aquifères et des approvisionnements publics en eau potable.
• Dissolution ou lixiviation (biolixiviation) des métaux dans le milieu, pour leur récupération.
• Biohydrométallurgie ou bio-extraction des métaux lourds, dans les processus de biorestauration des zones contaminées.
• Contrôle biologique des micro-organismes impliqués dans la biocorrosion des conteneurs de déchets radioactifs dissous dans les aquifères souterrains.
• Reconstruction de l'histoire terrestre primitive, du paléoenvironnement et des formes de vie primitives.
• Construction de modèles utiles à la recherche de vie fossilisée sur d'autres planètes, comme Mars.
• Assainissement des zones contaminées par des substances xénobiotiques ou inorganiques, telles que les métaux lourds.

Les références

1. Ehrlich, H. L. et Newman, D. K. (2009). Géomicrobiologie. Cinquième édition, CRC Press. pp 630.
2. Malik, A. (2004). Bioremédiation des métaux grâce à des cellules en croissance. Environment International, 30 (2), 261-278. doi: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. McKinney, R. E. (2004). Microbiologie du contrôle de la pollution de l'environnement. M. Dekker. pp 453.
4. Prescott, L. M. (2002). Microbiologie. Cinquième édition, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
5. Van den Burg, B. (2003). Extrémophiles comme source de nouvelles enzymes. Opinion actuelle en microbiologie, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. Wilson, S. C. et Jones, K. C. (1993). Bioremédiation des sols contaminés par les hydrocarbures aromatiques polynucléaires (HAP): une revue. Pollution environnementale, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.