MIKROBNA EKOLOGIJA: ZGODOVINA, PREDMET PREUČEVANJA IN APLIKACIJE - BIOLOGIJA - 2026

Mikrobna ekologija je disciplina okoljske mikrobiologije, ki izhaja iz uporabe ekoloških načel v mikrobiologije (MIKROS: majhna, bios: življenje, logotipi: študija).

Ta disciplina proučuje raznolikost mikroorganizmov (mikroskopski enocelični organizmi od 1 do 30 µm), odnose med njimi s preostalimi živimi bitji in z okoljem.

Slika 1. Alge, bakterije in protokoji ameboidov, ki delujejo v vzorcih neobdelane vode. Vir: CDC / Janice Haney Carr, na: publicdomainfiles.com

Ker mikroorganizmi predstavljajo največjo kopensko biomaso, njihove ekološke dejavnosti in funkcije močno vplivajo na vse ekosisteme.

Zgodnja fotosintetska aktivnost cianobakterij in posledično kopičenje kisika (O ₂ ) v primitivni atmosferi predstavlja enega najbolj jasnih primerov vpliva mikrobov v evolucijski zgodovini življenja na planetu Zemlja.

To je glede na to, da je prisotnost kisika v ozračju omogočila pojav in razvoj vseh obstoječih oblik aerobne življenjske dobe.

Slika 2. Cianobakterije v spiralni obliki. Vir: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganizmi ohranjajo nenehno in bistveno aktivnost za življenje na Zemlji. Mehanizmi, ki vzdržujejo mikrobno raznolikost biosfere, so osnova dinamike kopenskih, vodnih in zračnih ekosistemov.

Glede na njen pomen bi morebitno izumrtje mikrobnih skupnosti (zaradi onesnaženja njihovih habitatov z industrijsko strupenimi snovmi) povzročilo izginotje ekosistemov, ki so odvisni od njihovih funkcij.

Zgodovina mikrobne ekologije

Načela ekologije

V prvi polovici 20. stoletja so se razvila načela splošne ekologije ob upoštevanju preučevanja "višjih" rastlin in živali v njihovem naravnem okolju.

Mikroorganizmi in njihove funkcije ekosistema so bili potem prezrte, kljub velikemu pomenu v ekološki zgodovini planeta, tako zato, ker predstavljajo največjo kopensko biomaso, in ker so najstarejši organizmi v evolucijski zgodovini življenja na Zemlji. .

Takrat so bili samo razni razgradljivci, mineralizatorji organskih snovi in ​​posredniki v nekaterih ciklusih hranil samo mikroorganizmi.

Mikrobiologija

Znanstveniki Louis Pasteur in Robert Koch sta ustanovila disciplino mikrobiologije z razvojem tehnike akenske mikrobne kulture, ki vsebuje en sam tip celice, ki izhaja iz ene same celice.

Slika 3. Aksenska bakterijska kultura. Vir: pixabay.com

Vendar v osenskih kulturah interakcij med mikrobnimi populacijami ni bilo mogoče proučiti. Treba je bilo razviti metode, ki bi omogočile preučevanje mikrobioloških bioloških interakcij v njihovih naravnih habitatih (bistvo ekoloških odnosov).

Prvi mikrobiologi, ki so preučevali interakcije med mikroorganizmi, v tleh in interakcije z rastlinami, sta bila Sergéi Winogradsky in Martinus Beijerinck, medtem ko se je večina osredotočila na proučevanje aksenskih kultur mikroorganizmov, povezanih z boleznimi ali fermentacijskimi procesi, ki so v komercialnem interesu.

Winogradsky in Beijerinck sta proučevala zlasti mikrobne biotransformacije anorganskih dušikovih in žveplovih spojin v tleh.

Mikrobna ekologija

V začetku šestdesetih let prejšnjega stoletja, v obdobju skrbi za kakovost okolja in onesnaževalni vpliv industrijskih dejavnosti, se je mikrobiološka ekologija pojavila kot disciplina. Ameriški znanstvenik Thomas D. Brock je bil leta 1966 prvi avtor besedila o tej temi.

Vendar je bilo konec sedemdesetih let, ko se je mikrobna ekologija utrdila kot specializirano multidisciplinarno področje, saj je med drugim odvisna od drugih znanstvenih vej, kot so ekologija, celična in molekularna biologija, biogeokemija.

Slika 4. Mikrobne interakcije. Vir: Knjižnica javnozdravstvenih slik, na publicdomainfiles.com

Razvoj mikrobne ekologije je tesno povezan z metodološkim napredkom, ki omogoča proučevanje interakcij med mikroorganizmi ter biotskimi in abiotskimi dejavniki njihovega okolja.

V 90. letih prejšnjega stoletja so bile tehnike molekularne biologije vključene v celo in situ raziskavo mikrobne ekologije, kar je ponujalo možnost raziskovanja velike biotske raznovrstnosti, ki obstaja v mikrobnem svetu, in tudi poznavanje njegovih presnovnih aktivnosti v okolju pod ekstremnimi pogoji.

Slika 5. Interakcije mikrobov. Vir. Janice Haney Carr, USCDCP, na: pixnio.com

Nato je tehnologija rekombinantne DNA omogočila pomemben napredek pri odstranjevanju onesnaževal iz okolja, pa tudi pri nadzoru komercialno pomembnih škodljivcev.

Metode v mikrobiološki ekologiji

Med metodami, ki so omogočile in situ preučevanje mikroorganizmov in njihovo presnovno aktivnost, so:

• Konfokalna laserska mikroskopija.
• Molekularna orodja, kot so fluorescentne genske sonde, ki so omogočila preučevanje zapletenih mikrobnih skupnosti.
• Verižna reakcija polimeraze ali PCR (za njeno kratico v angleščini: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktivni markerji in kemijske analize, ki med drugim omogočajo merjenje mikrobne presnovne aktivnosti.

Poddiscipline

Mikrobna ekologija se običajno deli na poddiscipline, kot so:

• Avtoekologija ali ekologija gensko sorodnih populacij.
• Ekologija mikrobnih ekosistemov, ki proučuje mikrobne skupnosti v določenem ekosistemu (kopenski, zračni ali vodni).
• Mikrobna biogeokemična ekologija, ki proučuje biogeokemične procese.
• Ekologija odnosov med gostiteljem in mikroorganizmi.
• Mikrobna ekologija, ki se uporablja za težave z onesnaženjem okolja in za ponovno vzpostavitev ekološkega ravnovesja v interveniranih sistemih.

Študijska področja

Med področja preučevanja mikrobne ekologije so:

• Razvoj mikrobov in njegova fiziološka raznolikost, upoštevajoč tri področja življenja; Bakterije, Arquea in Eucaria.
• Obnova mikrobnih filogenetskih odnosov.
• Kvantitativne meritve števila, biomase in aktivnosti mikroorganizmov v njihovem okolju (vključno z nekulturnimi).
• Pozitivne in negativne interakcije znotraj mikrobne populacije.
• Medsebojno delovanje med različnimi mikrobnimi populacijami (nevtralizem, kommenzalizem, sinergizem, vzajemnost, tekmovalnost, amensalizem, parazitizem in plenilstvo).
• Interakcije med mikroorganizmi in rastlinami: v rizosferi (z mikroorganizmi, ki fiksirajo dušik in mikorizne glive), in v rastlinskih zračnih strukturah.
• Fitopatogeni; bakterijske, glivične in virusne.
• Interakcije med mikroorganizmi in živalmi (medsebojna in komenzalna črevesna simbioza, plenjenje med drugim).
• Sestava, delovanje in procesi nasledstva v mikrobnih skupnostih.
• Prilagoditev mikrobiom ekstremnim okoljskim razmeram (študija ekstremnih mikroorganizmov).
• Vrste mikrobnih habitatov (atmosfera-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera in ekstremni habitati).
• Biogeokemični cikli, na katere vplivajo mikrobne skupnosti (cikli ogljika, vodika, kisika, dušika, žvepla, fosforja, železa).
• Različne biotehnološke aplikacije v okoljskih težavah in v gospodarskem interesu.

Prijave

Mikroorganizmi so bistveni v globalnih procesih, ki omogočajo ohranjanje okolja in zdravja ljudi. Poleg tega služijo kot model pri preučevanju številnih interakcij prebivalstva (na primer plenilstvo).

Razumevanje temeljne ekologije mikroorganizmov in njihovih vplivov na okolje je omogočilo prepoznavanje biotehnoloških presnovnih zmogljivosti, ki se uporabljajo na različnih gospodarskih področjih. Nekatera od teh področij so navedena spodaj:

• Nadzor biološke razgradnje s korozivnimi biofilmi kovinskih struktur (kot so plinovodi, posode z radioaktivnimi odpadki, med drugim).
• Nadzor škodljivcev in patogenov.
• Obnova kmetijskih tal, ki so zaradi prekomerne eksploatacije degradirana.
• Biološka obdelava trdnih odpadkov na kompostiranju in odlagališčih.
• Biološka obdelava iztokov s sistemi za čiščenje odpadnih voda (na primer z uporabo imobiliziranih biofilmov).
• Bioremediacija tal in voda, onesnaženih z anorganskimi snovmi (kot so težke kovine), ali ksenobiotiki (strupeni sintetični produkti, ki jih ne ustvarjajo naravni biosintetski procesi). Te ksenobiotične spojine vključujejo haloogljikovodike, nitroaromatike, poliklorirane bifenile, dioksine, alkilbenzil sulfonate, naftne ogljikovodike in pesticide.

Slika 6. Onesnaženost okolja s snovmi industrijskega izvora. Vir: pixabay.com

• Bioreviranje mineralov z biolečenjem (na primer zlato in baker).
• Proizvodnja biogoriv (etanol, metan, med drugimi ogljikovodiki) in mikrobna biomasa.

Reference

1. Kim, MB. (2008). Napredek v mikrobiologiji okolja. Myung-Bo Kim urednik. pp 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA in Brock, T. (2015). Brock biologija mikroorganizmov. 14 izd. Benjamin Cummings. pp 1041.
3. Madsen, EL (2008). Okoljska mikrobiologija: od genomov do biogeokemije. Wiley-Blackwell. str. 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologija nadzora onesnaževanja okolja. M. Dekker. str. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologija. Peta izdaja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofili kot vir novih encimov. Trenutno mnenje iz mikrobiologije, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, in Jones, KC (1993). Bioremediacija tal, onesnaženih s polinuklearnimi aromatičnimi ogljikovodiki (PAH): Pregled. Onesnaževanje okolja, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.