EKOLOGIA DROBNOUSTROJÓW: HISTORIA, PRZEDMIOT BADAŃ I ZASTOSOWANIA - BIOLOGIA - 2025

Ekologia mikrobiologiczna jest dyscypliną mikrobiologii środowiska wynikające ze stosowania zasad ekologicznych dla mikrobiologii (MIKROS: mały, BIOS: życia, logo: Study).

Ta dyscyplina bada różnorodność mikroorganizmów (mikroskopijne organizmy jednokomórkowe od 1 do 30 µm), relacje między nimi a resztą istot żywych oraz ze środowiskiem.

Rysunek 1. Algi, bakterie i pierwotniaki ameboidalne oddziałują w nieuzdatnionych próbkach wody. Źródło: CDC / Janice Haney Carr, pod adresem: publicdomainfiles.com

Ponieważ mikroorganizmy stanowią największą biomasę lądową, ich działalność i funkcje ekologiczne mają głęboki wpływ na wszystkie ekosystemy.

Wczesna aktywność fotosyntetyczna cyjanobakterii i wynikająca z niej akumulacja tlenu (O ₂ ) we wczesnej atmosferze stanowi jeden z najwyraźniejszych przykładów wpływu drobnoustrojów w ewolucyjnej historii życia na Ziemi.

To, biorąc pod uwagę, że obecność tlenu w atmosferze, umożliwiła pojawienie się i ewolucję wszystkich istniejących aerobowych form życia.

Rycina 2. Sinice w kształcie spirali. Źródło: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganizmy utrzymują ciągłą i niezbędną aktywność dla życia na Ziemi. Mechanizmy utrzymujące różnorodność mikrobiologiczną biosfery są podstawą dynamiki ekosystemów lądowych, wodnych i powietrznych.

Biorąc pod uwagę jego znaczenie, ewentualne wyginięcie zbiorowisk drobnoustrojów (w wyniku skażenia ich siedlisk przemysłowymi substancjami toksycznymi) spowodowałoby zanikanie ekosystemów zależnych od ich funkcji.

Historia ekologii drobnoustrojów

Zasady ekologii

W pierwszej połowie XX wieku wypracowano zasady ekologii ogólnej, uwzględniając badania „wyższych” roślin i zwierząt w ich naturalnym środowisku.

Zignorowano wówczas mikroorganizmy i ich funkcje ekosystemowe, pomimo ich wielkiego znaczenia w historii ekologicznej planety, zarówno dlatego, że reprezentują największą biomasę lądową, jak i dlatego, że są najstarszymi organizmami w ewolucyjnej historii życia na Ziemi. .

W tamtym czasie tylko mikroorganizmy były uważane za degradatory, mineralizatory materii organicznej i pośrednicy w niektórych cyklach odżywczych.

Mikrobiologia

Uważa się, że naukowcy Louis Pasteur i Robert Koch stworzyli dyscyplinę mikrobiologii, opracowując technikę aksenicznej hodowli drobnoustrojów, która zawiera pojedynczy typ komórki pochodzącej z pojedynczej komórki.

Rysunek 3. Akseniczna kultura bakteryjna. Źródło: pixabay.com

Jednak w kulturach aksenicznych nie można było badać interakcji między populacjami drobnoustrojów. Konieczne było opracowanie metod, które pozwoliłyby na badanie biologicznych interakcji drobnoustrojów w ich naturalnych siedliskach (istota związków ekologicznych).

Pierwszymi mikrobiologami, którzy zbadali interakcje między mikroorganizmami w glebie i roślinami, byli Sergéi Winogradsky i Martinus Beijerinck, podczas gdy większość skupiła się na badaniu aksenicznych kultur mikroorganizmów związanych z chorobami lub procesami fermentacji o znaczeniu komercyjnym.

Winogradsky i Beijerinck badali w szczególności biotransformacje mikrobiologiczne nieorganicznych związków azotu i siarki w glebie.

Ekologia mikrobiologiczna

We wczesnych latach sześćdziesiątych, w dobie troski o jakość środowiska i zanieczyszczający wpływ działalności przemysłowej, ekologia drobnoustrojów wyłoniła się jako dyscyplina. Amerykański naukowiec Thomas D. Brock był pierwszym autorem tekstu na ten temat w 1966 roku.

Jednak dopiero pod koniec lat siedemdziesiątych XX wieku ekologia drobnoustrojów została skonsolidowana jako wyspecjalizowany obszar multidyscyplinarny, ponieważ zależy od innych dziedzin nauki, takich jak między innymi ekologia, biologia komórkowa i molekularna, biogeochemia.

Rysunek 4. Interakcje drobnoustrojów. Źródło: Biblioteka obrazów zdrowia publicznego pod adresem publicdomainfiles.com

Rozwój ekologii drobnoustrojów jest ściśle powiązany z postępem metodologicznym, który umożliwia badanie interakcji między mikroorganizmami a biotycznymi i abiotycznymi czynnikami ich środowiska.

W latach dziewięćdziesiątych XX wieku techniki biologii molekularnej zostały włączone do nawet in situ badań ekologii drobnoustrojów, oferując możliwość zbadania ogromnej różnorodności biologicznej istniejącej w świecie drobnoustrojów, a także poznania jej aktywności metabolicznej w środowiskach o ekstremalnych warunkach.

Rysunek 5. Interakcje drobnoustrojów. Źródło. Janice Haney Carr, USCDCP, pod adresem: pixnio.com

Następnie technologia rekombinacji DNA umożliwiła istotne postępy w eliminacji zanieczyszczeń środowiskowych, a także w zwalczaniu szkodników o znaczeniu handlowym.

Metody w ekologii drobnoustrojów

Wśród metod, które pozwoliły na badanie mikroorganizmów in situ i ich aktywności metabolicznej, można wymienić:

• Konfokalna mikroskopia laserowa.
• Narzędzia molekularne, takie jak fluorescencyjne sondy genowe, które umożliwiły badanie złożonych społeczności drobnoustrojów.
• Reakcja łańcuchowa polimerazy lub PCR (akronim w języku angielskim: Polymerase Chain Reaction).
• Markery radioaktywne i analizy chemiczne, które umożliwiają m.in. pomiar aktywności metabolicznej drobnoustrojów.

Poddyscypliny

Ekologię drobnoustrojów zwykle dzieli się na podkategorie, takie jak:

• Autoekologia lub ekologia populacji pokrewnych genetycznie.
• Ekologia ekosystemów drobnoustrojów, która bada zbiorowiska drobnoustrojów w określonym ekosystemie (lądowym, powietrznym lub wodnym).
• Ekologia biogeochemiczna drobnoustrojów badająca procesy biogeochemiczne.
• Ekologia relacji między żywicielem a mikroorganizmami.
• Ekologia drobnoustrojów stosowana w problemach zanieczyszczenia środowiska i przywracaniu równowagi ekologicznej w interwencyjnych systemach.

Obszary badań

Wśród dziedzin nauki o ekologii drobnoustrojów są:

• Ewolucja drobnoustrojów i jej różnorodność fizjologiczna z uwzględnieniem trzech dziedzin życia; Bakterie, Arquea i Eucaria.
• Rekonstrukcja mikrobiologicznych powiązań filogenetycznych.
• Ilościowe pomiary liczby, biomasy i aktywności mikroorganizmów w ich środowisku (w tym nieulegających hodowli).
• Pozytywne i negatywne interakcje w populacji drobnoustrojów.
• Interakcje między różnymi populacjami drobnoustrojów (neutralizm, komensalizm, synergizm, mutualizm, konkurencja, amensalizm, pasożytnictwo i drapieżnictwo).
• Interakcje między mikroorganizmami a roślinami: w ryzosferze (z mikroorganizmami wiążącymi azot i grzybami mikoryzowymi) oraz w strukturach nadziemnych roślin.
• Fitopatogeny; bakteryjne, grzybicze i wirusowe.
• Interakcje między mikroorganizmami a zwierzętami (m.in. mututalna i komensalna symbioza jelitowa, drapieżnictwo).
• Skład, funkcjonowanie i procesy sukcesji w zbiorowiskach drobnoustrojów.
• Adaptacje drobnoustrojów do ekstremalnych warunków środowiskowych (badanie mikroorganizmów ekstremofilnych).
• Rodzaje siedlisk mikroorganizmów (atmosfera-ekosfera, hydroekosfera, lito-ekosfera i siedliska ekstremalne).
• Cykle biogeochemiczne, na które wpływają zbiorowiska drobnoustrojów (m.in. cykle węgla, wodoru, tlenu, azotu, siarki, fosforu, żelaza).
• Różne zastosowania biotechnologiczne w problemach środowiskowych i interesach ekonomicznych.

Aplikacje

Mikroorganizmy są niezbędne w globalnych procesach, które pozwalają na utrzymanie środowiska i zdrowia ludzi. Ponadto służą jako model w badaniu wielu interakcji populacyjnych (np. Drapieżnictwo).

Zrozumienie podstawowej ekologii mikroorganizmów i ich wpływu na środowisko pozwoliło zidentyfikować biotechnologiczne możliwości metaboliczne mające zastosowanie w różnych obszarach zainteresowania gospodarczego. Niektóre z tych obszarów są wymienione poniżej:

• Kontrola biodegradacji przez korozyjne biofilmy konstrukcji metalowych (m.in. rurociągów, zbiorników na odpady radioaktywne).
• Zwalczanie szkodników i patogenów.
• Rekultywacja gleb rolniczych zdegradowanych przez nadmierną eksploatację.
• Uzdatnianie odpadów stałych w kompostowaniu i na wysypiskach.
• Oczyszczanie biologiczne ścieków poprzez systemy oczyszczania ścieków (np. Przy użyciu immobilizowanych biofilmów).
• Bioremediacja gleb i wód skażonych substancjami nieorganicznymi (np. Metale ciężkie) lub ksenobiotykami (toksyczne produkty syntetyczne, niewytworzone w naturalnych procesach biosyntezy). Te związki ksenobiotyczne obejmują węglowodory halogenowe, związki nitroaromatyczne, polichlorowane bifenyle, dioksyny, sulfoniany alkilobenzylu, węglowodory ropopochodne i pestycydy.

Rysunek 6. Zanieczyszczenie środowiska substancjami pochodzenia przemysłowego. Źródło: pixabay.com

• Bioodtwarzanie minerałów poprzez bioługowanie (np. Złota i miedzi).
• Produkcja biopaliw (m.in. etanolu, metanu) i biomasy drobnoustrojów.

Bibliografia

1. Kim, MB. (2008). Postęp w mikrobiologii środowiskowej. Redaktor Myung-Bo Kim. pp 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA and Brock, T. (2015). Biologia mikroorganizmów Brocka. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
3. Madsen, EL (2008). Mikrobiologia środowiskowa: od genomów do biogeochemii. Wiley-Blackwell. pp 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczeń środowiska. M. Dekker. pp 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologia. Piąta edycja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofile jako źródło nowych enzymów. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC i Jones, KC (1993). Bioremediacja gleby skażonej wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA): przegląd. Zanieczyszczenie środowiska, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.