MIKROBIOLOGI LINGKUNGAN: OBJEK STUDI DAN APLIKASI - BIOLOGI - 2025

The 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), studi dengan cara interdisipliner, kelompok organisme uniseluler mikroskopis yang luas dan beragam (dari 1 hingga 30 µm), hanya terlihat melalui mikroskop optik (tidak terlihat oleh mata manusia) ).

Gambar 1. Di sebelah kiri: mikroskop optik, instrumen yang memungkinkan mikro-organisme dilihat dengan pembesaran (Sumber: https://pxhere.com/es/photo/1192464). Kanan: mikrograf elektron dari 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 mayor (organisme uniseluler tanpa nukleus yang ditentukan), seperti eubacteria dan archaebacteria.
• Eukariota sederhana (organisme uniseluler dengan inti yang ditentukan), seperti ragi, jamur berfilamen, mikroalga dan protozoa.
• Virus (yang tidak seluler, tetapi mikroskopis).

Mikroorganisme mampu menjalankan semua proses vitalnya (pertumbuhan, metabolisme, pembangkitan energi, dan reproduksi), secara independen dari sel lain dari kelas yang sama atau berbeda.

Karakteristik mikroba yang relevan

Interaksi dengan lingkungan luar

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

Oleh karena itu, kelangsungan hidup dan distribusi ekologi mikroba bergantung pada kapasitas adaptasi fisiologisnya terhadap variasi lingkungan yang sering terjadi.

Metabolisme

Rasio permukaan / volume yang tinggi menghasilkan tingkat metabolisme mikroba yang tinggi. Ini terkait dengan kecepatan pertumbuhan dan pembelahan selnya yang cepat. Selain itu, di alam terdapat keragaman metabolisme mikroba yang luas.

Mikroorganisme dapat dianggap 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 sehubungan dengan jenis dan jumlah nutrisi yang ada, serta kondisi fisikokimianya.

Ada ekosistem mikroba:

• Terestrial (di atas bebatuan dan tanah).
• Perairan (di lautan, kolam, danau, sungai, mata air panas, akuifer).
• Terkait dengan organisme tingkat tinggi (tumbuhan dan hewan).

Lingkungan yang ekstrim

Mikroorganisme ditemukan di hampir setiap lingkungan di planet Bumi, akrab atau tidak dalam 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 "Ekstremofilik". Ini sebagian besar adalah archaea (atau archaebacteria), yang membentuk domain biologis primer yang dibedakan dari Bakteri dan Eukarya, yang disebut Archaea.

Gambar 2. Habitat mikroorganisme Ekstremofilik. Kiri: Mata air panas di Taman Nasional Yellowstone, tempat mikroorganisme termofilik telah dipelajari (Sumber: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons). Kanan: Antartika, tempat di mana mikroorganisme psikrofilik telah dipelajari (Sumber: Galeri.com).

Mikroorganisme ekstremofilik

Di antara berbagai macam mikroorganisme Ekstremofilik, adalah:

• Termofil: pertumbuhan optimal pada suhu di atas 40 ° C (penghuni mata air panas).
• Psikrofil: pertumbuhan optimal pada suhu di bawah 20 ° C (penghuni tempat dengan es).
• Asidofilik: dengan pertumbuhan optimal dalam kondisi pH rendah, mendekati 2 (asam). Hadir di mata air panas asam dan celah vulkanik bawah air.
• Halofil: membutuhkan konsentrasi garam (NaCl) yang tinggi untuk tumbuh (seperti dalam air asin).
• Xerophiles: mampu menahan kekeringan, yaitu aktivitas air 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 harus: diisolasi dari lingkungan alaminya dan disimpan dalam kultur murni (bebas dari mikroorganisme lain) di laboratorium.

Gambar 3. Isolasi mikroba di laboratorium. Kiri: jamur berserabut yang tumbuh pada media kultur padat (Sumber: https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457). Kanan: isolasi strain bakteri dengan teknik pembibitan penipisan (Sumber: Drhx, dari Wikimedia Commons).

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

Alat Biologi Molekuler

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

Hal 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 hasil rekayasa genetika telah memungkinkan penghapusan zat pencemar dari lingkungan dalam proses bioremediasi.

Bidang studi mikrobiologi lingkungan

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

Ekologi mikroba

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

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

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

Bidang penelitian ekologi mikroba

Ekologi mikroba adalah transversal ke 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, komposisinya dan proses suksesi.
• Adaptasi mikroba dengan kondisi lingkungan.
• Jenis-jenis habitat mikroba (atmosfer-ekosfer, hidro-ekosfer, lito-ekosfer, dan habitat ekstrem).

-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.

Ia mengkhususkan diri dalam mikroorganisme yang berinteraksi dengan mineral di lingkungannya, melarutkan, mengubah, 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 yang berasal dari mikroba, baik melalui pengendapan atau pelarutan 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 tinggali. Misalnya, dapat menimbulkan korosi pada permukaan logam (biokorosi).
• Bukti fosil dari interaksi antara mikroorganisme dan mineral dari lingkungan primitifnya.

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

Gambar 4. Di sebelah kiri: fosil stromatolit di perairan dangkal (Sumber foto kiri: https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo: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 tumbuhannya), 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: Kementerian Luar Negeri Ekuador, melalui Wikimedia Commons

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

Bidang penelitian bioremediasi

Studi Bioremediasi:

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

Aplikasi mikrobiologi lingkungan

Di antara banyak penerapan ilmu pengetahuan yang luas ini, kami dapat mengutip:

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

Referensi

1. Ehrlich, HL dan Newman, DK (2009). Geomikrobiologi. Edisi kelima, CRC Press. hlm 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. hlm 453.
4. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Edisi kelima, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. hlm 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 dengan polynuclear aromatic hydrocarbons (PAHs): Sebuah tinjauan. Polusi Lingkungan, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.