MIKROBŲ EKOLOGIJA: ISTORIJA, TYRIMO OBJEKTAS IR TAIKYMAI - BIOLOGIJA - 2025

Mikrobų ekologijos yra aplinkos mikrobiologijos, kylančių iš ekologinių principų taikymo mikrobiologijos (Mikros: mažas, bios: Gyvenimas, logotipai: studijų) disciplina.

Ši disciplina tiria mikroorganizmų (mikroskopinių vienaląsčių organizmų nuo 1 iki 30 µm) įvairovę, ryšius tarp jų su likusiomis gyvomis būtybėmis ir su aplinka.

1 pav. Dumbliai, bakterijos ir amoeboidiniai pirmuonys sąveikauja neapdoroto vandens mėginiuose. Šaltinis: CDC / Janice Haney Carr, adresu: publicdomainfiles.com

Kadangi mikroorganizmai sudaro didžiausią sausumos biomasę, jų ekologinė veikla ir funkcijos daro didelę įtaką visoms ekosistemoms.

Ankstyvasis melsvadumblių fotosintetinis aktyvumas ir dėl to deguonies (O ₂ ) kaupimasis ankstyvojoje atmosferoje yra vienas aiškiausių mikrobų įtakos žemės planetos gyvenimo evoliucijos istorijoje pavyzdžių.

Tai, atsižvelgiant į tai, kad deguonis yra atmosferoje, leido atsirasti ir evoliucionuoti visoms esamoms aerobinėms gyvybės formoms.

2 pav. Spalvos formos melsvabakterės. Šaltinis: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganizmai palaiko nuolatinę ir būtiną gyvybės Žemėje veiklą. Biosferos mikrobų įvairovę palaikantys mechanizmai yra sausumos, vandens ir oro ekosistemų dinamikos pagrindas.

Atsižvelgiant į jo svarbą, galimas mikrobų bendruomenių išnykimas (dėl jų buveinių užteršimo toksiškomis pramoninėmis medžiagomis) sukeltų ekosistemų išnykimą priklausomai nuo jų funkcijų.

Mikrobų ekologijos istorija

Ekologijos principai

XX amžiaus pirmoje pusėje buvo sukurti bendrosios ekologijos principai, atsižvelgiant į „aukštesnių“ augalų ir gyvūnų jų natūralioje aplinkoje tyrimus.

Tuomet, nepaisant jų svarbos planetos ekologinėje istorijoje, mikroorganizmai ir jų ekosistemų funkcijos buvo ignoruojami tiek dėl to, kad jie sudaro didžiausią sausumos biomasę, tiek dėl to, kad jie yra seniausi organizmai evoliucinėje Žemės gyvenimo istorijoje. .

Tuo metu tik mikroorganizmai buvo laikomi skilėjais, organinių medžiagų mineralizatoriais ir tarpininkais tam tikruose maistinių medžiagų cikluose.

Mikrobiologija

Manoma, kad mokslininkai Louisas Pasteuras ir Robertas Kochas įkūrė mikrobiologijos discipliną, plėtodami azeninių mikrobų kultūros metodą, kuriame yra vienas ląstelių tipas, kilęs iš vienos ląstelės.

3 pav. Azeninių bakterijų kultūra. Šaltinis: pixabay.com

Tačiau akseninėse kultūrose nebuvo galima ištirti mikrobų populiacijų sąveikos. Reikėjo sukurti metodus, kurie leistų ištirti mikrobų biologinę sąveiką jų natūraliose buveinėse (ekologinių ryšių esmę).

Pirmieji mikrobiologai, ištyrę mikroorganizmų sąveiką dirvožemyje ir sąveiką su augalais, buvo Sergéi Winogradsky ir Martinus Beijerinck, o dauguma sutelkė dėmesį į mikroorganizmų, susijusių su ligomis ar fermentacijos procesais, susijusius su komerciniais interesais, aksenines kultūras.

Winogradsky ir Beijerinck ypač ištyrė neorganinių azoto ir sieros junginių mikrobines biotransformacijas dirvožemyje.

Mikrobų ekologija

Septintojo dešimtmečio pradžioje, rūpinantis aplinkos kokybe ir taršiu pramoninės veiklos poveikiu, mikrobų ekologija tapo disciplina. Amerikiečių mokslininkas Thomas D. Brockas buvo pirmasis teksto šia tema autorius 1966 m.

Tačiau tai buvo aštuntojo dešimtmečio pabaigoje, kai mikrobų ekologija buvo konsoliduota kaip specializuota daugiadisciplininė sritis, nes ji priklauso nuo kitų mokslo šakų, tokių kaip ekologija, ląstelių ir molekulinė biologija, biogeochemija.

4 pav. Mikrobų sąveika. Šaltinis: Visuomenės sveikatos vaizdų biblioteka, viešas domenasfiles.com

Mikrobų ekologijos raida yra glaudžiai susijusi su metodikos pažanga, leidžiančia ištirti mikroorganizmų sąveiką su jų aplinkos biotiniais ir abiotiniais veiksniais.

Dešimtajame dešimtmetyje molekulinės biologijos metodai buvo įtraukti į mikrobų ekologijos net in situ tyrimą, suteikiant galimybę ištirti didžiulę biologinę įvairovę, egzistuojančią mikrobų pasaulyje, taip pat žinoti apie jos metabolinę veiklą ekstremaliomis sąlygomis.

5 pav. Mikrobų sąveika. Šaltinis. Janice Haney Carr, USCDCP, adresu: pixnio.com

Vėliau rekombinantinė DNR technologija leido padaryti didelę pažangą pašalinant aplinkos teršalus, taip pat kontroliuojant komerciškai svarbius kenkėjus.

Mikrobų ekologijos metodai

Tarp metodų, leidusių in situ tirti mikroorganizmus ir jų metabolinį aktyvumą, yra šie:

• Konfokalinė lazerio mikroskopija.
• Molekuliniai įrankiai, tokie kaip fluorescenciniai genų zondai, leidę ištirti sudėtingas mikrobų bendrijas.
• Polimerazės grandininė reakcija arba PGR (jos akronimas angliškai: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktyvieji žymenys ir cheminės analizės, kurios, be kita ko, leidžia išmatuoti mikrobų metabolinį aktyvumą.

Subdisciplinos

Mikrobų ekologija paprastai skirstoma į subdisciplinus, tokius kaip:

• Genetiškai susijusių populiacijų autoekologija arba ekologija.
• Mikrobų ekosistemų ekologija, tirianti tam tikros ekosistemos (sausumos, oro ar vandens) mikrobų bendruomenes.
• Mikrobų biogeocheminė ekologija, tirianti biogeocheminius procesus.
• Šeimininko ir mikroorganizmų santykių ekologija.
• Mikrobų ekologija taikoma aplinkos užterštumo problemoms spręsti ir ekologinėms pusiausvyrai atstatyti įsikišusiose sistemose.

Studijų sritys

Tarp mikrobų ekologijos tyrimų sričių yra:

• Mikrobų evoliucija ir jos fiziologinė įvairovė, atsižvelgiant į tris gyvenimo sritis; Bakterijos, Arquea ir Eucaria.
• Mikrobų filogenetinių ryšių rekonstrukcija.
• Kiekybiniai mikroorganizmų skaičiaus, biomasės ir aktyvumo matavimai jų aplinkoje (įskaitant nekultūrinius).
• Teigiama ir neigiama mikrobų populiacijos sąveika.
• Skirtingų mikrobų populiacijų sąveika (neutralizmas, kommensalizmas, sinergismas, abipusis požiūris, konkurencija, amenalizmas, parazitizmas ir grobis).
• Mikroorganizmų ir augalų sąveika: rizosferoje (su azotą fiksuojančiais mikroorganizmais ir mikorizės grybeliais) bei augalų aerozolių struktūrose.
• Fitopatogenai; bakterinės, grybelinės ir virusinės.
• Mikroorganizmų ir gyvūnų sąveika (abipusė ir kommensalinė žarnyno simbiozė, grobis, be kita ko).
• Mikrobų bendrijų sudėtis, veikimas ir paveldėjimo procesai.
• Mikrobų adaptacija ekstremalioms aplinkos sąlygoms (ekstremofilinių mikroorganizmų tyrimas).
• Mikrobų buveinių tipai (atmosferos-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera ir ekstremaliosios buveinės).
• Biogeocheminiai ciklai, veikiami mikrobų bendrijų (anglies, vandenilio, deguonies, azoto, sieros, fosforo, geležies ir kt. Ciklai).
• Įvairūs biotechnologiniai pritaikymai sprendžiant aplinkosaugos ir ekonominės svarbos problemas.

Programos

Mikroorganizmai yra būtini globaliuose procesuose, leidžiančiuose palaikyti aplinkos ir žmonių sveikatą. Be to, jie naudojami kaip pavyzdys tiriant daugybę gyventojų sąveikų (pavyzdžiui, grobuonys).

Supratimas apie pagrindinę mikroorganizmų ekologiją ir jų poveikį aplinkai leido nustatyti biotechnologinius metabolinius gebėjimus, taikomus skirtingose ​​ekonominio intereso srityse. Kai kurios iš šių sričių yra minimos toliau:

• Biologinio skaidymo kontrolė naudojant koroziją sukeliančias metalinių konstrukcijų (pvz., Vamzdynų, radioaktyviųjų atliekų konteinerių ir kitų) plėveles.
• Kenkėjų ir patogenų kontrolė.
• Žemės ūkio dirvožemio, susilpnėjusio dėl eksploatacijos, atkūrimas.
• Biologinis kietųjų atliekų apdorojimas kompostuojant ir sąvartynuose.
• Nuotekų biologinis apdorojimas per nuotekų valymo sistemas (pavyzdžiui, naudojant imobilizuotas bioplėveles).
• Dirvožemio ir vandens, užteršto neorganinėmis medžiagomis (pvz., Sunkiaisiais metalais), arba ksenobiotikais (toksiški sintetiniai produktai, nesusidarę natūraliais biosintetiniais procesais), biologinis valymas. Šie ksenobiotiniai junginiai apima halogeninius angliavandenilius, nitroaromatinius junginius, polichlorintus bifenilus, dioksinus, alkilbenzilsulfonatus, naftos angliavandenilius ir pesticidus.

6 pav. Aplinkos užterštumas pramoninės kilmės medžiagomis. Šaltinis: pixabay.com

• Mineralų biologinis išgavimas per biologinį išplovimą (pavyzdžiui, auksas ir varis).
• Biodegalų (etanolio, metano, be kitų angliavandenilių) ir mikrobų biomasės gamyba.

Nuorodos

1. Kim, MB. (2008). Aplinkos mikrobiologijos pažanga. „Myung-Bo Kim“ redaktorius. 275 psl.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA ir Brock, T. (2015). Brock mikroorganizmų biologija. 14 red. Benjaminas Cummingsas. 1041 psl.
3. Madsenas, EL (2008). Aplinkos mikrobiologija: nuo genomų iki biogeochemijos. Wiley-Blackwell. p. 490.
4. McKinney, RE (2004). Aplinkos taršos kontrolės mikrobiologija. M. Dekkeris. 453 psl.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologija. Penktasis leidimas, McGraw-Hill mokslas / inžinerija / matematika. 1147 psl.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofilai kaip naujų fermentų šaltinis. Dabartinė nuomonė mikrobiologijoje, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilsonas, SC, ir Jonesas, KC (1993). Didelio branduolio aromatinių angliavandenilių (PAH) užteršto dirvožemio biologinis valymas: apžvalga. Aplinkos tarša, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.