علم الأحياء الدقيقة البيئي: موضوع الدراسة والتطبيقات - مادة الاحياء - 2026

في علم الأحياء الدقيقة البيئي هو العلم الذي يدرس تنوع وظيفة من الكائنات الحية الدقيقة في بيئات وتطبيقات قدراتها الأيض الطبيعية في المعالجة البيولوجية للتربة والمياه الملوثة. عادة ما يتم تقسيمها إلى تخصصات: البيئة الميكروبية وعلم الأحياء الدقيقة والمعالجة الحيوية.

علم الأحياء الدقيقة (ميكروس: صغير ، السير: الحياة ، الشعارات: دراسة) ، يدرس بطريقة متعددة التخصصات مجموعة واسعة ومتنوعة من الكائنات المجهرية أحادية الخلية (من 1 إلى 30 ميكرومتر) ، مرئية فقط من خلال المجهر البصري (غير مرئي للعين البشرية).

الشكل 1. على اليسار: مجهر ضوئي ، أداة تسمح بمشاهدة الكائنات الدقيقة تحت التكبير (المصدر: https://pxhere.com/es/photo/1192464). إلى اليمين: صورة مجهرية إلكترونية للبكتيريا المنتشرة على نطاق واسع في جنس Pseudomonas (بواسطة: CDC، Courtesy: Public Health Image Library).

تختلف الكائنات المجمعة معًا في مجال علم الأحياء الدقيقة في العديد من النواحي المهمة وتنتمي إلى فئات تصنيفية مختلفة جدًا. توجد كخلايا معزولة أو مرتبطة ويمكن أن تكون:

• بدائيات النوى الرئيسية (كائنات وحيدة الخلية بدون نواة محددة) ، مثل eubacteria و archaebacteria.
• حقيقيات النوى البسيطة (كائنات وحيدة الخلية ذات نواة محددة) ، مثل الخمائر والفطريات الخيطية والطحالب الدقيقة والأوليات.
• الفيروسات (التي ليست خلوية ولكنها مجهرية).

الكائنات الدقيقة قادرة على تنفيذ جميع عملياتها الحيوية (النمو والتمثيل الغذائي وتوليد الطاقة والتكاثر) ، بشكل مستقل عن الخلايا الأخرى من نفس الطبقة أو مختلفة.

الخصائص الميكروبية ذات الصلة

التفاعل مع البيئة الخارجية

الكائنات أحادية الخلية التي تعيش بحرية معرضة بشكل خاص للبيئة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك ، لديهم حجم خلية صغير جدًا (مما يؤثر على مورفولوجيا ومرونة التمثيل الغذائي) ، ونسبة سطح / حجم عالية ، مما يولد تفاعلات واسعة النطاق مع بيئتهم.

نتيجة لذلك ، يعتمد كل من البقاء والتوزيع البيئي الميكروبي على قدرته على التكيف الفسيولوجي مع التغيرات البيئية المتكررة.

التمثيل الغذائي

تولد نسبة السطح / الحجم العالية معدلات الأيض الميكروبية عالية. هذا مرتبط بمعدل نموه السريع وانقسام الخلايا. بالإضافة إلى ذلك ، يوجد في الطبيعة تنوع كبير في التمثيل الغذائي الميكروبي.

يمكن اعتبار الكائنات الحية الدقيقة آلات كيميائية تقوم بتحويل المواد المختلفة من الداخل والخارج. ويرجع ذلك إلى نشاطه الأنزيمي ، الذي يسرع معدلات التفاعلات الكيميائية المحددة.

التكيف مع بيئات متنوعة للغاية

بشكل عام ، الموائل الميكروبية ديناميكية وغير متجانسة فيما يتعلق بنوع وكمية العناصر الغذائية الموجودة ، وكذلك ظروفها الفيزيائية والكيميائية.

هناك أنظمة بيئية ميكروبية:

• الأرضية (على الصخور والتربة).
• مائية (في المحيطات ، البرك ، البحيرات ، الأنهار ، الينابيع الساخنة ، طبقات المياه الجوفية).
• يرتبط بالكائنات الحية العليا (النباتات والحيوانات).

البيئات القاسية

توجد الكائنات الحية الدقيقة عمليًا في كل بيئة على كوكب الأرض ، مألوفة أو غير مألوفة لأشكال الحياة الأعلى.

البيئات ذات الظروف القاسية فيما يتعلق بدرجة الحرارة والملوحة ودرجة الحموضة وتوافر المياه (من بين موارد أخرى) ، توجد كائنات دقيقة "محبة للغاية". هذه هي في الغالب عتائق (أو بكتيريا أثرية) ، والتي تشكل مجالًا بيولوجيًا أوليًا متمايزًا عن مجال البكتيريا وحقيقيات النوى ، ويسمى الأركيا.

الشكل 2. موائل الكائنات الحية الدقيقة المتطرفة. اليسار: مياه الينابيع الساخنة في حديقة يلوستون الوطنية ، حيث تمت دراسة الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة (المصدر: جيم بيكو ، National Park Service ، عبر ويكيميديا ​​كومنز). إلى اليمين: أنتاركتيكا ، مكان تمت فيه دراسة الكائنات الحية الدقيقة المحبة للنفسية (المصدر: pxhere.com).

الكائنات الحية الدقيقة للغاية

من بين مجموعة متنوعة من الكائنات الحية الدقيقة شديدة الحساسية:

• عشاق الحرارة: التي تحقق النمو الأمثل في درجات حرارة أعلى من 40 درجة مئوية (سكان الينابيع الحرارية).
• نفسية: النمو الأمثل في درجات حرارة أقل من 20 درجة مئوية (سكان الأماكن ذات الجليد).
• أسيدوفيليك: النمو الأمثل في ظل ظروف منخفضة الأس الهيدروجيني ، قريبة من 2 (حمض). توجد في الينابيع الحارة الحمضية والشقوق البركانية تحت الماء.
• الهالوفيلات: تتطلب تركيزات عالية من الملح (كلوريد الصوديوم) لتنمو (كما في المحاليل الملحية).
• Xerophiles: قادر على تحمل الجفاف ، أي انخفاض النشاط المائي (سكان الصحاري مثل أتاكاما في تشيلي).

علم الأحياء الجزيئي المطبق على الأحياء الدقيقة البيئية

العزلة الجرثومية والثقافة

لدراسة الخصائص العامة وقدرات التمثيل الغذائي للكائن الدقيق ، يجب أن يكون: معزولًا عن بيئته الطبيعية ومحفوظًا في مزرعة نقية (خالية من الكائنات الدقيقة الأخرى) في المختبر.

الشكل 3. العزلة الميكروبية في المختبر. إلى اليسار: فطريات خيطية تنمو على وسط استزراع صلب (المصدر: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). إلى اليمين: عزل سلالة بكتيرية عن طريق تقنية البذر النضوب (المصدر: Drhx ، من ويكيميديا ​​كومنز).

تم عزل وزراعة 1٪ فقط من الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في الطبيعة في المختبر. هذا يرجع إلى نقص المعرفة بمتطلباتها الغذائية المحددة وصعوبة محاكاة مجموعة واسعة من الظروف البيئية الحالية.

أدوات البيولوجيا الجزيئية

إن تطبيق تقنيات البيولوجيا الجزيئية في مجال الإيكولوجيا الميكروبية قد أتاح استكشاف التنوع البيولوجي الميكروبي الحالي ، دون الحاجة إلى عزله وزراعته في المختبر. حتى أنه جعل من الممكن تحديد الكائنات الحية الدقيقة في موائلها الدقيقة الطبيعية ، أي في الموقع.

هذا مهم بشكل خاص في دراسة الكائنات الحية الدقيقة للغاية ، والتي تكون ظروف نموها المثلى معقدة لمحاكاة في المختبر.

من ناحية أخرى ، سمحت تكنولوجيا الحمض النووي المؤتلف باستخدام الكائنات الدقيقة المعدلة وراثيًا بالتخلص من المواد الملوثة من البيئة في عمليات المعالجة الحيوية.

دراسة مجالات علم الأحياء الدقيقة البيئية

كما هو موضح في البداية ، تشمل المجالات المختلفة لدراسة علم الأحياء الدقيقة البيئية تخصصات البيئة الميكروبية وعلم الأحياء الدقيقة والمعالجة الحيوية.

- علم البيئة الميكروبية

تدمج البيئة الميكروبية علم الأحياء الدقيقة مع النظرية البيئية ، من خلال دراسة تنوع الأدوار الوظيفية الميكروبية في بيئتها الطبيعية.

تمثل الكائنات الحية الدقيقة أكبر كتلة حيوية على كوكب الأرض ، لذلك ليس من المستغرب أن تؤثر وظائفها أو أدوارها البيئية على التاريخ البيئي للنظم البيئية.

مثال على هذا التأثير هو ظهور أشكال الحياة الهوائية بفضل تراكم الأكسجين (O ₂) في الغلاف الجوي البدائي ، الناتج عن نشاط التمثيل الضوئي للبكتيريا الزرقاء.

مجالات البحث في علم البيئة الميكروبية

علم البيئة الميكروبية مستعرض لجميع التخصصات الأخرى لعلم الأحياء الدقيقة والدراسات:

• التنوع الميكروبي وتاريخه التطوري.
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة في السكان وبين السكان في المجتمع.
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والنباتات.
• مسببات الأمراض النباتية (البكتيرية والفطرية والفيروسية).
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والحيوانات.
• المجتمعات الميكروبية وتكوينها وعمليات التعاقب.
• التكيفات الجرثومية مع الظروف البيئية.
• أنواع الموائل الميكروبية (الغلاف الجوي والغلاف البيئي والغلاف المائي والغلاف البيئي الصخري والموائل المتطرفة).

- علم الأحياء الدقيقة

يدرس علم الأحياء الدقيقة الأنشطة الميكروبية التي تؤثر على العمليات الجيولوجية والجيوكيميائية الأرضية (الدورات الجيوكيميائية الحيوية).

تحدث هذه في الغلاف الجوي والغلاف المائي والغلاف الأرضي ، وتحديداً في بيئات مثل الرواسب الحديثة ، وأجسام المياه الجوفية الملامسة للصخور الرسوبية والبركانية ، وفي قشرة الأرض المجوية.

وهي متخصصة في الكائنات الحية الدقيقة التي تتفاعل مع المعادن في بيئتها ، من بين أمور أخرى ، تذويبها ، وتحويلها ، وترسيبها.

مجالات أبحاث علم الأحياء الدقيقة

دراسات علم الأحياء الدقيقة:

• التفاعلات الميكروبية مع العمليات الجيولوجية (تكوين التربة ، انهيار الصخور ، تخليق وتدهور المعادن والوقود الأحفوري).
• تكوين معادن ذات أصل جرثومي ، إما عن طريق الترسيب أو بالانحلال في النظام البيئي (على سبيل المثال ، في طبقات المياه الجوفية).
• التدخل الميكروبي في الدورات البيوجيوكيميائية للغلاف الأرضي.
• التفاعلات الميكروبية التي تشكل كتل غير مرغوب فيها من الكائنات الحية الدقيقة على السطح (الحشف الحيوي). يمكن أن تتسبب هذه الحشف الحيوي في تدهور الأسطح التي تسكنها. على سبيل المثال ، يمكن أن تتآكل الأسطح المعدنية (التآكل الحيوي).
• أدلة أحفورية على التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والمعادن من بيئتها البدائية.

على سبيل المثال ، ستراتوليت هي هياكل معدنية أحفورية طبقية من المياه الضحلة. وهي مكونة من كربونات من جدران البكتيريا الزرقاء البدائية.

الشكل 4. إلى اليسار: أحافير ستروماتوليت في المياه الضحلة (مصدر الصورة اليسرى: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo: StromatolitheAustralie2.jpeg). إلى اليمين: تفاصيل الستراتوليت (مصدر الصورة الأيمن:

- المعالجة الحيوية

يدرس العلاج البيولوجي استخدام العوامل البيولوجية (الكائنات الحية الدقيقة و / أو إنزيماتها ونباتاتها) ، في عمليات استعادة التربة والمياه الملوثة بمواد خطرة على صحة الإنسان والبيئة.

الشكل 5. التلوث النفطي في غابات الأمازون المطيرة في الإكوادور. المصدر: وزارة الخارجية الإكوادورية ، عبر ويكيميديا ​​كومنز

يمكن حل العديد من المشكلات البيئية الموجودة حاليًا باستخدام المكون الميكروبي للنظام البيئي العالمي.

مجالات البحث في المعالجة الحيوية

دراسات المعالجة الحيوية:

• القدرات الأيضية الميكروبية المطبقة في عمليات الصرف الصحي البيئية.
• التفاعلات الميكروبية مع الملوثات غير العضوية وغير الحيوية (منتجات اصطناعية سامة ، لا تنتج عن عمليات التخليق الحيوي الطبيعية). من بين المركبات الغريبة الحيوية الأكثر دراسة هي الهالوكربونات ، النيترواروماتيك ، ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، الديوكسينات ، سلفونات ألكيل بنزيل ، الهيدروكربونات البترولية ، ومبيدات الآفات. تعد المعادن الثقيلة من بين العناصر غير العضوية الأكثر دراسة.
• قابلية التحلل البيولوجي للملوثات البيئية في الموقع وفي المختبر.

تطبيقات علم الأحياء الدقيقة البيئية

من بين التطبيقات العديدة لهذا العلم الواسع ، يمكننا الاستشهاد بما يلي:

• اكتشاف مسارات استقلاب جرثومية جديدة مع تطبيقات محتملة في عمليات ذات قيمة تجارية.
• إعادة بناء العلاقات النشوء والتطور الجرثومي.
• تحليل طبقات المياه الجوفية وإمدادات مياه الشرب العامة.
• حل أو ترشيح المعادن في الوسط لاستعادتها.
• التعدين الحيوي أو التعدين الحيوي للمعادن الثقيلة ، في عمليات المعالجة الحيوية للمناطق الملوثة.
• المكافحة البيولوجية للكائنات الحية الدقيقة المشاركة في التآكل البيولوجي لحاويات النفايات المشعة الذائبة في طبقات المياه الجوفية.
• إعادة بناء تاريخ الأرض البدائي ، والبيئة القديمة وأشكال الحياة البدائية.
• بناء نماذج مفيدة في البحث عن الحياة المتحجرة على كواكب أخرى مثل المريخ.
• تطهير المناطق الملوثة بمواد غريبة أو غير عضوية ، مثل المعادن الثقيلة.

المراجع

1. إيرليش ، إتش إل ونيومان ، دي كيه (2009). علم الأحياء الدقيقة. الطبعة الخامسة ، مطبعة CRC. ص 630.
2. مالك ، أ. (2004). المعالجة الحيوية للمعادن من خلال نمو الخلايا. الدولية للبيئة ، 30 (2) ، 261-278. دوى: 10.1016 / j.envint.2003.08.001.
3. ماكيني ، ري (2004). علم الأحياء الدقيقة للتحكم في التلوث البيئي. م. ديكر. ص 453.
4. بريسكوت ، إل إم (2002). علم الاحياء المجهري. الطبعة الخامسة ، McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ص 1147.
5. فان دن بورغ ، ب. (2003). المتطرفون كمصدر للإنزيمات الجديدة. الرأي الحالي في علم الأحياء الدقيقة ، 6 (3) ، 213-218. دوى: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
6. ويلسون ، SC ، وجونز ، كيه سي (1993). المعالجة الحيوية للتربة الملوثة بالهيدروكربونات العطرية متعددة النوى (PAHs): مراجعة. التلوث البيئي ، 81 (3) ، 229-249. دوى: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.