पर्यावरण माइक्रोबायोलॉजी: अध्ययन और अनुप्रयोगों का उद्देश्य - जीवविज्ञान - 2025

पर्यावरणिक सूक्ष्म जीव विज्ञान विज्ञान है कि पढ़ाई विविधता और दूषित मिट्टी और पानी का जैविक उपचार में उनके प्राकृतिक वातावरण और उनकी चयापचय क्षमताओं के अनुप्रयोगों में सूक्ष्मजीवों के कार्य करते हैं। यह आमतौर पर के विषयों में विभाजित है: माइक्रोबियल पारिस्थितिकी, ज्यामितीय जीव विज्ञान और बायोरेमेडिएशन।

माइक्रोबायोलॉजी (मिक्रोस: छोटा, बायोस: जीवन, लोगो: अध्ययन), एक अंतःविषय तरीके से अध्ययन सूक्ष्म माइक्रोस्कोपिक (1 से 30 माइक्रोन से) सूक्ष्म माइक्रोस्कोपिक जीवों का एक विस्तृत और विविध समूह, ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के माध्यम से दिखाई देता है (मानव आंख के लिए अदृश्य))।

चित्र 1. बाईं ओर: ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप, एक उपकरण जो सूक्ष्मजीवों को आवर्धन के तहत देखने की अनुमति देता है (स्रोत: https://pxhere.com/es/photo/1192464)। सही: जीन स्यूडोमोनास (द्वारा: सीडीसी, सौजन्य: पब्लिक हेल्थ इमेज लाइब्रेरी) में व्यापक रूप से वितरित बैक्टीरिया के इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ।

माइक्रोबायोलॉजी के क्षेत्र में एक साथ समूहित जीव कई महत्वपूर्ण मामलों में भिन्न होते हैं और बहुत अलग वर्गीकरण श्रेणियों के होते हैं। वे पृथक या संबद्ध कोशिकाओं के रूप में मौजूद हैं और हो सकते हैं:

• प्रमुख प्रोकैरियोट्स (एक परिभाषित नाभिक के बिना एककोशिकीय जीव), जैसे कि इबुबैक्टीरिया और अर्चबैक्टेरिया।
• सरल यूकेरियोट्स (एक परिभाषित नाभिक के साथ एककोशिकीय जीव), जैसे कि यीस्ट, फिलामेंटस कवक, माइक्रोएल्गे और प्रोटोजोआ।
• वायरस (जो सेलुलर नहीं हैं, लेकिन सूक्ष्म हैं)।

सूक्ष्मजीव एक ही या विभिन्न वर्ग की अन्य कोशिकाओं से स्वतंत्र रूप से अपनी सभी महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं (विकास, चयापचय, ऊर्जा उत्पादन और प्रजनन) को पूरा करने में सक्षम हैं।

प्रासंगिक माइक्रोबियल विशेषताएं

बाहरी वातावरण के साथ बातचीत

मुक्त रहने वाले एककोशिकीय जीव विशेष रूप से बाहरी वातावरण के संपर्क में हैं। इसके अलावा, उनके पास एक बहुत छोटा सेल आकार है (जो उनके आकारिकी और चयापचय लचीलेपन को प्रभावित करता है), और एक उच्च सतह / मात्रा अनुपात, जो उनके पर्यावरण के साथ व्यापक बातचीत उत्पन्न करता है।

इसके कारण, उत्तरजीविता और सूक्ष्मजीवीय पारिस्थितिक वितरण दोनों ही पर्यावरणीय परिवर्तनों के लिए लगातार पर्यावरणीय विविधताओं के लिए अपनी क्षमता पर निर्भर करते हैं।

उपापचय

उच्च सतह / मात्रा अनुपात उच्च माइक्रोबियल चयापचय दर उत्पन्न करता है। यह विकास की अपनी तीव्र दर और कोशिका विभाजन से संबंधित है। इसके अलावा, प्रकृति में एक व्यापक माइक्रोबियल चयापचय विविधता है।

सूक्ष्मजीवों को रासायनिक मशीन माना जा सकता है, जो विभिन्न पदार्थों को अंदर और बाहर दोनों में बदल देते हैं। यह इसकी एंजाइमेटिक गतिविधि के कारण है, जो विशिष्ट रासायनिक प्रतिक्रियाओं की दर को तेज करता है।

बहुत विविध वातावरण में अनुकूलन

सामान्य तौर पर, माइक्रोबियल माइक्रोहैबिटैट गतिशील और विषम प्रकार के होते हैं जो मौजूद पोषक तत्वों के प्रकार और मात्रा के साथ-साथ उनकी भौतिक रासायनिक स्थितियों के संबंध में भी होते हैं।

माइक्रोबियल पारिस्थितिकी तंत्र हैं:

• स्थलीय (चट्टानों और मिट्टी पर)।
• जलीय (महासागरों, तालाबों, झीलों, नदियों, गर्म झरनों, एक्वीफर्स) में।
• उच्च जीवों (पौधों और जानवरों) के साथ जुड़े।

अत्यधिक वातावरण

सूक्ष्मजीव व्यावहारिक रूप से ग्रह पृथ्वी पर प्रत्येक वातावरण में पाए जाते हैं, परिचित या उच्च जीवन रूपों के लिए नहीं।

तापमान, लवणता, पीएच और पानी की उपलब्धता (अन्य संसाधनों के बीच) के संबंध में चरम स्थितियों के साथ वातावरण, "एक्सट्रीमोफिलिक" सूक्ष्मजीव। ये ज्यादातर आर्किया (या अर्चबैक्टेरिया) होते हैं, जो एक प्राथमिक जैविक डोमेन बनाते हैं जो कि बैक्टीरिया और यूकेरिया से अलग होता है, जिसे आर्किया कहा जाता है।

चित्रा 2. एक्सट्रीमोफिलिक सूक्ष्मजीवों के आवास। वाम: येलोस्टोन नेशनल पार्क में गर्म पानी के झरने, जहां थर्मोफिलिक सूक्ष्मजीवों का अध्ययन किया गया है (स्रोत: जिम पीको, नेशनल पार्क सर्विस, विकिमीडिया कॉमन्स के माध्यम से)। सही: अंटार्कटिका, एक ऐसी जगह जहां मनोचिकित्सा सूक्ष्मजीवों का अध्ययन किया गया है (स्रोत: pxhere.com)।

एक्सट्रीमोफिलिक सूक्ष्मजीव

Extremophilic सूक्ष्मजीवों की व्यापक विविधता के बीच, ये हैं:

• थर्मोफिल्स: जो 40 ° C (थर्मल स्प्रिंग्स के निवासियों) के ऊपर के तापमान पर इष्टतम विकास पेश करते हैं।
• मनोचिकित्सा: 20 डिग्री सेल्सियस (बर्फ के साथ स्थानों के निवासियों) के नीचे के तापमान पर इष्टतम वृद्धि।
• एसिडोफिलिक: कम पीएच की परिस्थितियों में इष्टतम वृद्धि के साथ, 2 (एसिड) के करीब। अम्लीय गर्म स्प्रिंग्स और पानी के नीचे ज्वालामुखी दरारें में मौजूद हैं।
• हेलोफिल्स: नमक की उच्च सांद्रता (NaCl) को विकसित करने के लिए (ब्रेन में) की आवश्यकता होती है।
• जेरोफिल्स: सूखे को समझने में सक्षम, अर्थात, कम पानी की गतिविधि (चिली में अटाकामा जैसे रेगिस्तान के निवासी)।

आणविक जीवविज्ञान पर्यावरणीय सूक्ष्म जीव विज्ञान पर लागू होता है

माइक्रोबियल अलगाव और संस्कृति

एक सूक्ष्मजीव की सामान्य विशेषताओं और चयापचय क्षमताओं का अध्ययन करने के लिए, यह होना चाहिए: अपने प्राकृतिक वातावरण से अलग किया गया और प्रयोगशाला में शुद्ध संस्कृति (अन्य सूक्ष्मजीवों से मुक्त) में रखा गया।

चित्रा 3. प्रयोगशाला में माइक्रोबियल अलगाव। वाम: ठोस संस्कृति माध्यम पर बढ़ता हुआ रेशायुक्त कवक (स्रोत: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457)। सही: घटती बोने की तकनीक (स्रोत: Drx, विकिमीडिया कॉमन्स से) द्वारा एक जीवाणु तनाव का अलगाव।

प्रकृति में विद्यमान सूक्ष्मजीवों का केवल 1% ही प्रयोगशाला में पृथक और संवर्धित किया गया है। यह उनकी विशिष्ट पोषण संबंधी आवश्यकताओं के ज्ञान की कमी और मौजूदा पर्यावरणीय परिस्थितियों की विशाल विविधता के अनुकरण की कठिनाई के कारण है।

आणविक जीवविज्ञान उपकरण

माइक्रोबियल पारिस्थितिकी के क्षेत्र में आणविक जीव विज्ञान तकनीकों के आवेदन ने प्रयोगशाला में इसके अलगाव और खेती की आवश्यकता के बिना, मौजूदा माइक्रोबियल जैव विविधता का पता लगाना संभव बना दिया है। इसने यहां तक ​​कि प्राकृतिक प्राकृतिक सूक्ष्मजीवों, यानी स्वस्थानी में सूक्ष्मजीवों की पहचान करना संभव बना दिया है।

यह एक्सट्रीमोफिलिक सूक्ष्मजीवों के अध्ययन में विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, जिनकी इष्टतम वृद्धि की स्थिति प्रयोगशाला में अनुकरण करने के लिए जटिल है।

दूसरी ओर, आनुवंशिक रूप से संशोधित सूक्ष्मजीवों के उपयोग के साथ पुनः संयोजक डीएनए प्रौद्योगिकी ने बायोरेमेडिएशन प्रक्रियाओं में पर्यावरण से प्रदूषणकारी पदार्थों के उन्मूलन की अनुमति दी है।

पर्यावरण सूक्ष्म जीव विज्ञान के क्षेत्रों का अध्ययन करें

जैसा कि शुरू में संकेत दिया गया था, पर्यावरणीय माइक्रोबायोलॉजी के अध्ययन के विभिन्न क्षेत्रों में माइक्रोबियल पारिस्थितिकी, जियोमाइक्रोबायोलॉजी और बायोरेमेडिएशन के अनुशासन शामिल हैं।

-माइक्रोबियल पारिस्थितिकी

माइक्रोबियल पारिस्थितिकी उनके प्राकृतिक वातावरण में माइक्रोबियल कार्यात्मक भूमिकाओं की विविधता के अध्ययन के माध्यम से, पारिस्थितिक सिद्धांत के साथ माइक्रोबायोलॉजी को फ़्यूज़ करता है।

सूक्ष्मजीव ग्रह पृथ्वी पर सबसे बड़े बायोमास का प्रतिनिधित्व करते हैं, इसलिए यह आश्चर्यजनक नहीं है कि उनके पारिस्थितिक कार्य या भूमिका पारिस्थितिक तंत्र के पारिस्थितिक इतिहास को प्रभावित करते हैं।

इस प्रभाव का एक उदाहरण एरोबिक जीवन रूपों की उपस्थिति है, जो कि आदिम वातावरण में ऑक्सीजन (ओ ₂) के संचय के लिए धन्यवाद है, जो साइनोबैक्टीरिया की प्रकाश संश्लेषक गतिविधि द्वारा उत्पन्न होता है।

माइक्रोबियल पारिस्थितिकी के अनुसंधान क्षेत्र

माइक्रोबियल इकोलॉजी सूक्ष्म जीव विज्ञान के अन्य सभी विषयों के लिए ट्रांसवर्सल है, और अध्ययन:

• माइक्रोबियल विविधता और इसका विकासवादी इतिहास।
• एक आबादी में सूक्ष्मजीवों के बीच और एक समुदाय में आबादी के बीच बातचीत।
• सूक्ष्मजीवों और पौधों के बीच बातचीत।
• फाइटोपथोगेंस (बैक्टीरिया, कवक और वायरल)।
• सूक्ष्मजीवों और जानवरों के बीच बातचीत।
• माइक्रोबियल समुदाय, उनकी संरचना और उत्तराधिकार की प्रक्रियाएं।
• पर्यावरणीय परिस्थितियों के लिए माइक्रोबियल अनुकूलन।
• माइक्रोबियल वास के प्रकार (वायुमंडल-पारिस्थितिक तंत्र, हाइड्रो-इकोस्फीयर, लिथो-इकोस्फेयर और चरम निवास)।

-Geomicrobiology

जियोम्ब्रोबायोलॉजी माइक्रोबियल गतिविधियों का अध्ययन करती है जो स्थलीय भूवैज्ञानिक और भू-रासायनिक प्रक्रियाओं (जैव-रासायनिक चक्र) को प्रभावित करती हैं।

ये वायुमंडल, जलमंडल और भू-मंडल में पाए जाते हैं, विशेष रूप से वातावरण में जैसे हाल ही में तलछट, तलछटी और आग्नेय चट्टानों के संपर्क में भूजल के शरीर और अपक्षयी पृथ्वी की पपड़ी में।

यह सूक्ष्मजीवों में माहिर हैं जो उनके वातावरण में खनिजों के साथ बातचीत करते हैं, उन्हें भंग करते हैं, उन्हें बदलते हैं, उन्हें अवक्षेपित करते हैं, दूसरों के बीच।

जियोमाइक्रोबायोलॉजी अनुसंधान क्षेत्र

जियोम्ब्रोबायोलॉजी अध्ययन:

• भूवैज्ञानिक प्रक्रियाओं (मिट्टी के गठन, रॉक टूटने, संश्लेषण और खनिजों और जीवाश्म ईंधन के क्षरण) के साथ माइक्रोबियल बातचीत।
• माइक्रोबियल मूल के खनिजों का निर्माण, या तो वर्षा द्वारा या पारिस्थितिकी तंत्र में विघटन (उदाहरण के लिए, एक्वीफर्स में)।
• भू-मंडल के जैव-रासायनिक चक्रों में माइक्रोबियल हस्तक्षेप।
• माइक्रोबियल इंटरैक्शन जो एक सतह (जैव ईंधन) पर सूक्ष्मजीवों के अवांछित गुच्छों का निर्माण करते हैं। ये बायोफ्लिंग उन सतहों के बिगड़ने का कारण बन सकते हैं जो वे निवास करते हैं। उदाहरण के लिए, वे धातु की सतहों (बायोकोरोसियन) को गढ़ सकते हैं।
• सूक्ष्मजीव और उनके आदिम वातावरण से खनिजों के बीच बातचीत के जीवाश्म सबूत।

उदाहरण के लिए, स्ट्रोमेटोलाइट उथले पानी से जीवाश्म खनिज संरचनाएं हैं। वे आदिम साइनोबैक्टीरिया की दीवारों से कार्बोनेट से बने होते हैं।

चित्रा 4. बाईं ओर: उथले पानी में जीवाश्म स्ट्रोमैटोलिट्स (बाएं फोटो स्रोत: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg)। सही: स्ट्रोमाटोलाइट्स का विस्तार (राइट फोटो स्रोत:

-Bioremediation

बायोरेमेडिएशन जैविक एजेंटों (सूक्ष्मजीवों और / या उनके एंजाइमों और पौधों) के आवेदन का अध्ययन करता है, जो मानव स्वास्थ्य और पर्यावरण के लिए खतरनाक पदार्थों से दूषित मिट्टी और पानी की वसूली की प्रक्रियाओं में होता है।

चित्रा 5. इक्वाडोर के अमेज़ॅन वर्षावन में तेल संदूषण। स्रोत: इक्वाडोर विदेश मंत्रालय, विकिमीडिया कॉमन्स के माध्यम से

वर्तमान में मौजूद कई पर्यावरणीय समस्याओं को वैश्विक पारिस्थितिकी तंत्र के माइक्रोबियल घटक के उपयोग से हल किया जा सकता है।

बायोरेमेडिएशन के अनुसंधान क्षेत्र

बायोरेमेडिएशन अध्ययन:

• पर्यावरणीय स्वच्छता प्रक्रियाओं में लागू माइक्रोबियल चयापचय क्षमता।
• अकार्बनिक और xenobiotic प्रदूषकों (विषाक्त सिंथेटिक उत्पादों, प्राकृतिक बायोसिंथेटिक प्रक्रियाओं द्वारा उत्पन्न नहीं) के साथ माइक्रोबियल इंटरैक्शन। सबसे अधिक अध्ययन किए गए ज़ेनोबायोटिक यौगिकों में हेलोकार्बन, नाइट्रोइरोमैटिक्स, पॉलीक्लोराइनेटेड बाइफिनाइल, डाइऑक्सिन, एल्केलेबेंज़िल सल्फफ़ोन, पेट्रोलियम हाइड्रोकार्बन और कीटनाशक हैं। सबसे अधिक अध्ययन किए गए अकार्बनिक तत्वों में भारी धातुएं हैं।
• सीटू और प्रयोगशाला में पर्यावरण प्रदूषकों की जैवअवक्रमणशीलता।

पर्यावरण माइक्रोबायोलॉजी के अनुप्रयोग

इस विशाल विज्ञान के कई अनुप्रयोगों में, हम इसका हवाला दे सकते हैं:

• वाणिज्यिक मूल्य की प्रक्रियाओं में संभावित अनुप्रयोगों के साथ नए माइक्रोबियल चयापचय मार्गों की खोज।
• माइक्रोबियल phylogenetic रिश्तों का पुनर्निर्माण।
• एक्वीफर्स और सार्वजनिक पेयजल आपूर्ति का विश्लेषण।
• उनकी वसूली के लिए, माध्यम में धातुओं के विघटन या लीचिंग (बायोलिचिंग)।
• दूषित क्षेत्रों की बायोरेमेडिएशन प्रक्रियाओं में, बायोइहाइडोमेटेटेरियम या भारी धातुओं के बायोमिनिंग।
• रेडियोधर्मी कचरे के कंटेनरों के जैवसंरक्षण में शामिल सूक्ष्मजीवों के बायोकेन्ट्रोल भूमिगत जलवाही स्तर में भंग हो जाते हैं।
• आदिम स्थलीय इतिहास, पुरापाषाण काल ​​और जीवन के आदिम रूपों का पुनर्निर्माण।
• मंगल जैसे अन्य ग्रहों पर जीवाश्म जीवन की खोज में उपयोगी मॉडल का निर्माण।
• ज़ेनोबायोटिक या अकार्बनिक पदार्थों से दूषित क्षेत्रों की स्वच्छता, जैसे कि भारी धातु।

संदर्भ

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