MIKROBIEL ØKOLOGI: HISTORIE, GENSTAND FOR UNDERSØGELSE OG ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Den mikrobielle økologi er en disciplin inden for miljømikrobiologi, der stammer fra anvendelsen af ​​økologiske principper til mikrobiologi (mikros: små, bios: liv, logoer: undersøgelse).

Denne disciplin studerer mangfoldigheden af ​​mikroorganismer (mikroskopiske encellede organismer fra 1 til 30 um), forholdet mellem dem med resten af ​​levende væsener og med miljøet.

Figur 1. Alger, bakterier og amøbeoidprotozoer, der interagerer i ubehandlede vandprøver. Kilde: CDC / Janice Haney Carr, på: publicdomainfiles.com

Da mikroorganismer repræsenterer den største jordbaserede biomasse, påvirker deres økologiske aktiviteter og funktioner dybtgående alle økosystemer.

Den tidlige fotosyntetiske aktivitet af cyanobakterier og den deraf følgende akkumulering af ilt (O ₂) i den tidlige atmosfære repræsenterer et af de klareste eksempler på mikrobiel påvirkning i den evolutionære livshistorie på planeten Jorden.

Dette, da tilstedeværelsen af ​​ilt i atmosfæren muliggjorde udseendet og udviklingen af ​​alle eksisterende aerobe livsformer.

Figur 2. Cyanobakterier i spiralform. Kilde: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganismer opretholder en kontinuerlig og væsentlig aktivitet for livet på Jorden. Mekanismerne, der opretholder den mikrobielle mangfoldighed i biosfæren, er grundlaget for dynamikken i terrestriske, akvatiske og luftige økosystemer.

I betragtning af dens betydning ville den mulige udryddelse af mikrobielle samfund (på grund af forurening af deres levesteder med industrielle toksiske stoffer) generere forsvinden af ​​økosystemerne afhængigt af deres funktioner.

Historie om mikrobiel økologi

Principper for økologi

I første halvdel af det 20. århundrede blev principperne for generel økologi udviklet under hensyntagen til undersøgelsen af ​​”højere” planter og dyr i deres naturlige miljø.

Mikroorganismer og deres økosystemfunktioner blev derefter ignoreret på trods af deres store betydning i planetenes økologiske historie, både fordi de repræsenterer den største jordbaserede biomasse, og fordi de er de ældste organismer i den evolutionære livshistorie på Jorden..

På det tidspunkt blev kun mikroorganismer betragtet som nedbrydere, mineralisatorer af organisk stof og mellemmænd i nogle næringsstofcyklusser.

Mikrobiologi

Forskerne Louis Pasteur og Robert Koch anses for at have grundlagt disciplinen i mikrobiologi ved at udvikle teknikken for den akseniske mikrobielle kultur, der indeholder en enkelt celletype, stammende fra en enkelt celle.

Figur 3. Axenisk bakteriekultur. Kilde: pixabay.com

I aksenkulturer kunne interaktionerne mellem mikrobielle populationer imidlertid ikke undersøges. Det var nødvendigt at udvikle metoder, der tillader undersøgelse af mikrobielle biologiske interaktioner i deres naturlige levesteder (essensen af ​​økologiske forhold).

De første mikrobiologer, der undersøgte interaktioner mellem mikroorganismer i jorden og interaktioner med planter, var Sergéi Winogradsky og Martinus Beijerinck, mens flertallet fokuserede på at studere akseniske kulturer af mikroorganismer relateret til sygdomme eller gæringsprocesser af kommerciel interesse.

Winogradsky og Beijerinck studerede især de mikrobielle biotransformationer af uorganisk nitrogen og svovlforbindelser i jorden.

Mikrobiel økologi

I de tidlige 1960'ere, i en æra med bekymring for miljøkvalitet og den forurenende virkning af industrielle aktiviteter, fremkom mikrobiel økologi som en disciplin. Den amerikanske videnskabsmand Thomas D. Brock var den første forfatter af en tekst om emnet i 1966.

Det var imidlertid i slutningen af ​​1970'erne, hvor mikrobiel økologi blev konsolideret som et specialiseret multidisciplinært område, da det afhænger af andre videnskabelige grene, såsom økologi, celle- og molekylærbiologi, biogeokemi, blandt andre.

Figur 4. Mikrobielle interaktioner. Kilde: Public Health Image Library, på publicdomainfiles.com

Udviklingen af ​​mikrobiel økologi er tæt knyttet til de metodologiske fremskridt, der gør det muligt at studere samspillet mellem mikroorganismer og de biotiske og abiotiske faktorer i deres miljø.

I 1990'erne blev molekylærbiologiteknikker inkorporeret i en jævn in situ-undersøgelse af mikrobiel økologi, hvilket gav muligheden for at udforske den enorme biodiversitet, der findes i den mikrobielle verden, og også kende dens metabolske aktiviteter i miljøer under ekstreme forhold.

Figur 5. Mikrobielle interaktioner. Kilde. Janice Haney Carr, USCDCP, på: pixnio.com

Derefter muliggjorde rekombinant DNA-teknologi vigtige fremskridt med hensyn til eliminering af miljømæssige kontaminanter såvel som i bekæmpelsen af ​​kommercielt vigtige skadedyr.

Metoder i mikrobiel økologi

Blandt de metoder, der har muliggjort in situ-undersøgelse af mikroorganismer og deres metaboliske aktivitet, er der:

• Konfokal lasermikroskopi.
• Molekylære værktøjer såsom fluorescerende genprober, der har gjort det muligt at studere komplekse mikrobielle samfund.
• Polymerasekædereaktion eller PCR (for dets akronym på engelsk: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktive markører og kemiske analyser, som muliggør måling af mikrobiel metabolisk aktivitet blandt andre.

Sub-discipliner

Mikrobiel økologi er normalt opdelt i underdiscipliner, såsom:

• Autoekologi eller økologi hos genetisk relaterede populationer.
• Økologien i mikrobielle økosystemer, der studerer de mikrobielle samfund i et bestemt økosystem (jordbunden, luftig eller akvatisk).
• Mikrobiel biogeokemisk økologi, der studerer biogeokemiske processer.
• Økologi for forholdet mellem værten og mikroorganismerne.
• Mikrobiel økologi anvendt på miljøforureningsproblemer og til gendannelse af økologisk balance i intervenerede systemer.

Undersøgelsesområder

Blandt studierne af mikrobiel økologi er:

• Mikrobiel udvikling og dens fysiologiske mangfoldighed under hensyntagen til livets tre områder; Bakterier, Arquea og Eucaria.
• Rekonstruktion af mikrobielle fylogenetiske forhold.
• Kvantitative målinger af antal, biomasse og aktivitet af mikroorganismer i deres miljø (inklusive ikke-kultiverbare).
• Positive og negative interaktioner inden for en mikrobiel population.
• Interaktionerne mellem forskellige mikrobielle populationer (neutralisme, kommensalisme, synergisme, gensidighed, konkurrence, amensalisme, parasitisme og predation).
• Interaktion mellem mikroorganismer og planter: i rhizosfæren (med nitrogenfikserende mikroorganismer og mycorrhizal svampe) og i planteloftstrukturer.
• phytopathogener; bakterie, svampe og viral.
• Interaktioner mellem mikroorganismer og dyr (gensidig og kommens tarmsymbiose, predation, blandt andre).
• Sammensætning, funktion og successionsprocesser i mikrobielle samfund.
• Mikrobielle tilpasninger til ekstreme miljøforhold (undersøgelse af ekstremofile mikroorganismer).
• Typerne af mikrobielle levesteder (atmosfære-økosfære, hydro-økosfære, litho-økosfære og ekstreme levesteder).
• Biogeokemiske cyklusser påvirket af mikrobielle samfund (cykler af kulstof, brint, ilt, nitrogen, svovl, fosfor, jern, blandt andre).
• Forskellige bioteknologiske anvendelser i miljøproblemer og af økonomisk interesse.

Applikationer

Mikroorganismer er vigtige i de globale processer, der tillader opretholdelse af miljø og menneskers sundhed. Derudover fungerer de som en model i undersøgelsen af ​​adskillige befolkningsinteraktioner (for eksempel predation).

Forståelsen af ​​den grundlæggende økologi af mikroorganismer og deres indvirkning på miljøet har gjort det muligt at identificere bioteknologiske metaboliske kapaciteter, der gælder for forskellige områder af økonomisk interesse. Nogle af disse områder er nævnt nedenfor:

• Kontrol af bionedbrydning ved ætsende biofilm af metalliske strukturer (såsom rørledninger, radioaktive affaldsbeholdere, blandt andre).
• Bekæmpelse af skadedyr og patogener.
• Restaurering af landbrugsjord nedbrudt af overudnyttelse.
• Biobehandling af fast affald i kompostering og deponering.
• Biobehandling af spildevand gennem spildevandsrensningssystemer (for eksempel ved anvendelse af immobiliserede biofilm).
• Bioremediering af jord og farvande, der er forurenet med uorganiske stoffer (såsom tungmetaller), eller xenobiotiske (giftige syntetiske produkter, ikke genereret ved naturlige biosyntetiske processer). Disse xenobiotiske forbindelser indbefatter halogencarboner, nitroaromatiske stoffer, polychlorerede biphenyler, dioxiner, alkylbenzylsulfonater, petroleumskulbrinter og pesticider.

Figur 6. Miljøforurening med stoffer af industriel oprindelse. Kilde: pixabay.com

• Bioredvinding af mineraler gennem bioudvaskning (for eksempel guld og kobber).
• Produktion af biobrændstoffer (ethanol, methan, blandt andet kulbrinter) og mikrobiel biomasse.

Referencer

1. Kim, MB. (2008). Fremskridt inden for miljømikrobiologi. Myung-Bo Kim Editor. s. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA og Brock, T. (2015). Brock biologi af mikroorganismer. 14 udg. Benjamin Cummings. s. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Miljømikrobiologi: Fra genom til biogeokemi. Wiley-Blackwell. s. 490.
4. McKinney, RE (2004). Miljøforureningskontrolmikrobiologi. M. Dekker. s. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Femte udgave, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. s. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiler som kilde til nye enzymer. Aktuel udtalelse i mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC og Jones, KC (1993). Bioremediering af jord forurenet med polynukleare aromatiske kulbrinter (PAH'er): En gennemgang. Miljøforurening, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.