環境微生物学：研究の目的と応用 - 生物学 - 2025

環境微生物学は、彼らの自然環境や汚染土壌と水のバイオレメディエーションにおけるそれらの代謝能力の用途に微生物の多様性と機能を研究する科学です。それは通常、微生物生態学、地球微生物学、バイオレメディエーションの分野に分けられます。

微生物学（mikros：small、bios：life、logos：study）、学際的な方法での顕微鏡単細胞生物（1から30 µmまで）の幅広い多様なグループの研究、光学顕微鏡を通してのみ可視（人間の目には見えない） ）。

図1.左側：光学顕微鏡、微生物を拡大して表示できる機器（出典：https://pxhere.com/es/photo/1192464）。右：Pseudomonas属に広く分布している細菌の電子顕微鏡写真（CDC、提供：Public Health Image Library）。

微生物学の分野でグループ化された生物は、多くの重要な点で類似しておらず、非常に異なる分類学的カテゴリーに属しています。それらは孤立したセルまたは関連付けられたセルとして存在し、次のいずれかになります。

• 真正細菌および古細菌などの主要な原核生物（核が定義されていない単細胞生物）。
• 酵母、糸状菌、微細藻類、原生動物などの単純な真核生物（核が定義された単細胞生物）。
• ウイルス（細胞性ではないが微視的）。

微生物は、同じまたは異なるクラスの他の細胞とは無関係に、すべての重要なプロセス（成長、代謝、エネルギー生成および生殖）を実行することができます。

関連する微生物の特徴

外部環境との相互作用

自由生活単細胞生物は特に外部環境にさらされています。さらに、それらは非常に小さな細胞サイズ（形態と代謝の柔軟性に影響を与える）と、表面と体積の比率が高く、環境との広範な相互作用を生成します。

このため、生存と微生物の生態分布の両方は、頻繁な環境変動への生理学的適応能力に依存しています。

代謝

高い表面/体積比は高い微生物代謝率を生み出します。これは、その急速な成長率と細胞分裂に関連しています。さらに、自然界には微生物の代謝の多様性があります。

微生物は、内部と外部の両方でさまざまな物質を変換する化学機械と考えることができます。これは、特定の化学反応の速度を加速するその酵素活性によるものです。

非常に多様な環境への適応

一般に、微生物の微生物生息地は、存在する栄養素の種類と量、およびそれらの物理化学的条件に関して、動的で不均一です。

微生物の生態系があります：

• 陸生（岩や土の上）。
• 水生生物（海、池、湖、川、温泉、帯水層）。
• 高等生物（植物および動物）に関連しています。

極端な環境

微生物は、地球上のほぼすべての環境で見られます。

温度、塩分、pH、および水の利用可能性（他のリソースの中でも）に関して極端な条件の環境では、「極限環境微生物」が存在します。これらは主に古細菌（または古細菌）である傾向があり、古細菌と呼ばれるバクテリアやユーカリヤのドメインとは異なる主要な生物学的ドメインを形成します。

図2.極限環境微生物の生息地。左：好熱性微生物が研究されているイエローストーン国立公園の温泉水（出典：Jim Peaco、国立公園局、Wikimedia Commons経由）。右：低温性微生物が研究された場所である南極大陸（出典：pxhere.com）。

極限微生物

多種多様な極限微生物の中で、

• 好熱菌：40°C以上の温度で最適な成長を示します（温泉の住人）。
• 好冷菌：20°C（氷のある場所の住民）未満の温度での最適な成長
• 好酸性：低pH、2（酸）に近い条件下で最適な増殖を示します。酸性の温泉や海底の火山の割れ目に存在します。
• 好塩菌：高濃度の塩（NaCl）を成長させる必要があります（ブラインのように）。
• 乾燥菌：干ばつ、つまり水分活性が低い（チリのアタカマなどの砂漠の住民）に耐えることができます。

環境微生物学に応用される分子生物学

微生物の分離と培養

微生物の一般的な特性と代謝能力を研究するには、次の条件が満たされている必要があります。自然環境から分離し、実験室で純粋な培養物（他の微生物を含まない）に保管します。

図3.実験室での微生物の分離。左：固体培地で成長する糸状菌（出典：https://www.maxpixel.net/Strains-Growing-Cultures-Mold-Petri-Dishes-2035457）。右：枯渇播種法による細菌株の分離（出典：Drhx、Wikimedia Commonsから）。

自然界に存在する微生物のわずか1％が、研究室で分離および培養されています。これは、特定の栄養要件に関する知識が不足していること、および既存のさまざまな環境条件をシミュレートすることが困難であるためです。

分子生物学ツール

分子生物学の技術を微生物生態学の分野に適用することで、実験室での分離や培養を必要とせずに、既存の微生物の生物多様性を探索することが可能になりました。さらに、自然の微小生息地、つまりin situで微生物を特定することも可能になりました。

これは、実験室でシミュレートするのに最適な成長条件が複雑な極限微生物の研究で特に重要です。

一方、遺伝子組み換え微生物を使用した組換えDNA技術により、バイオレメディエーションプロセスにおける環境からの汚染物質の排除が可能になりました。

環境微生物学の研究分野

最初に示したように、環境微生物学の研究のさまざまな分野には、微生物生態学、地球微生物学、およびバイオレメディエーションの分野が含まれます。

-微生物生態学

微生物生態学は、自然環境における微生物の機能的役割の多様性の研究を通じて、微生物学と生態学理論を融合させています。

微生物は地球上で最大のバイオマスを表しているため、それらの生態学的機能または役割が生態系の生態学的歴史に影響を与えることは当然のことです。

この影響の例は、シアノバクテリアの光合成活動によって生成された原始大気における酸素（O ₂）の蓄積による好気性生物の出現です。

微生物生態学の研究分野

微生物生態学は、微生物学および研究の他のすべての分野に横断的です。

• 微生物の多様性とその進化の歴史。
• 集団内の微生物間およびコミュニティ内の集団間の相互作用。
• 微生物と植物の間の相互作用。
• 植物病原菌（細菌、真菌、ウイルス）。
• 微生物と動物の間の相互作用。
• 微生物群集、それらの構成および継承のプロセス。
• 環境条件への微生物の適応。
• 微生物の生息地のタイプ（大気-エコスフィア、水圏-エコスフィア、リソ-エコスフィア、極端な生息地）。

-ジオ微生物学

地球微生物学は、地球の地質学的および地球化学的プロセス（生物地球化学サイクル）に影響を与える微生物活動を研究しています。

これらは、特に最近の堆積物、堆積岩や火成岩と接触している地下水域、風化した地球の地殻などの環境で、大気、水圏、および地球圏で発生します。

特に、環境内のミネラルと相互作用し、それらを溶解、変換、沈殿させる微生物を専門としています。

地球微生物学研究分野

地球微生物学研究：

• 微生物と地質学的プロセス（土壌形成、岩石の破壊、鉱物と化石燃料の合成と分解）の相互作用。
• 微生物起源のミネラルの形成で、降水によるか、または生態系（帯水層など）での溶解による。
• 地球圏の生物地球化学的循環における微生物の介入
• 表面に微生物の望ましくない塊を形成する微生物相互作用（生物付着）。これらの生物付着は、それらが生息する表面の劣化を引き起こす可能性があります。たとえば、金属表面を腐食させる可能性があります（生体腐食）。
• 原始的な環境からの微生物と鉱物間の相互作用の化石の証拠。

たとえば、ストロマトライトは浅い海域からの層状化石鉱物構造です。それらは原始的なシアノバクテリアの壁からの炭酸塩でできています。

図4.左側：浅瀬の化石ストロマトライト（左の写真の出典：https://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatolitheAustralie2.jpeg）。右：ストロマトライトの詳細（右の写真の出典：https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:StromatoliteUL02.JPG）。

-バイオレメディエーション

バイオレメディエーションは、人間の健康と環境に危険な物質で汚染された土壌と水の回復の過程で、生物剤（微生物および/またはそれらの酵素と植物）の適用を研究します。

図5.エクアドルのアマゾンの熱帯雨林における油汚染。出典：エクアドル外務省、Wikimedia Commons経由

現在存在する環境問題の多くは、地球規模の生態系の微生物成分を使用することで解決できます。

バイオレメディエーションの研究分野

バイオレメディエーション研究：

• 環境衛生プロセスに適用できる微生物の代謝能力。
• 無機および生体異物汚染物質（有毒な合成製品、天然の生合成プロセスでは生成されない）との微生物の相互作用。最も研究されている生体異物化合物には、ハロカーボン、ニトロ芳香族、ポリ塩化ビフェニル、ダイオキシン、アルキルベンジルスルホネート、石油炭化水素、農薬があります。最も研究されている無機元素の中には、重金属があります。
• 現場および実験室における環境汚染物質の生分解性。

環境微生物学の応用

この広大な科学の多くのアプリケーションの中で、私たちは引用することができます：

• 商業的価値のあるプロセスにおける潜在的なアプリケーションを備えた新しい微生物代謝経路の発見。
• 微生物の系統関係の再構築。
• 帯水層と公共飲料水の供給の分析。
• 培地中の金属の溶解または浸出（バイオリーチング）。
• 汚染地域のバイオレメディエーションプロセスにおける重金属のバイオハイドロ冶金またはバイオマイニング。
• 地下帯水層に溶解した放射性廃棄物コンテナの生物腐食に関与する微生物の生物的防除。
• 原始的な地球の歴史、古環境、原始的な生命形態の再構築。
• 火星などの他の惑星での化石化した生命の探索に役立つモデルの構築。
• 生体異物または重金属などの無機物質で汚染されたエリアの衛生。

参考文献

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