Historia ekologii mikrobiologicznej, przedmiot badań i zastosowania



The ekologia mikrobiologiczna jest dyscypliną mikrobiologii środowiskowej, która wynika z zastosowania zasad ekologicznych do mikrobiologii (mikros: mały, bios: życie, loga: badanie).

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

Ponieważ mikroorganizmy stanowią największą lądową biomasę, ich aktywność i funkcje ekologiczne głęboko wpływają na wszystkie ekosystemy.

Wczesna aktywność fotosyntetyczna sinic i związana z tym akumulacja tlenu (O2) w prymitywnej atmosferze, stanowi jeden z najczystszych przykładów mikrobiologicznego wpływu w ewolucyjnej historii życia na Ziemi.

To, biorąc pod uwagę obecność tlenu w atmosferze, pozwoliło na pojawienie się i ewolucję wszystkich istniejących form życia tlenowego.

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

Biorąc pod uwagę jego znaczenie, możliwe wyginięcie społeczności drobnoustrojów (z powodu zanieczyszczenia ich siedlisk przemysłowymi substancjami toksycznymi) spowodowałoby zniknięcie ekosystemów zależnych od ich funkcji.

Indeks

  • 1 Historia ekologii mikrobiologicznej
    • 1.1 Zasady ekologii
    • 1.2 Mikrobiologia
    • 1.3 Ekologia mikrobiologiczna
  • 2 Metody w ekologii mikrobiologicznej
  • 3 subdyscypliny
  • 4 Obszary studiów
  • 5 Aplikacje
  • 6 referencji

Historia ekologii mikrobiologicznej

Zasady ekologii

W pierwszej połowie XX wieku opracowano zasady ekologii ogólnej, biorąc pod uwagę badania „wyższych” roślin i zwierząt w ich naturalnym środowisku.

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

W tym czasie tylko mikroorganizmy były uważane za degradatory, mineralizatory materii organicznej i pośredniki w niektórych cyklach składników odżywczych.

Mikrobiologia

Uważa się, że naukowcy Louis Pasteur i Robert Koch stworzyli dyscyplinę mikrobiologii, rozwijając technikę aksenicznej kultury mikrobiologicznej, która zawiera typ pojedynczej komórki, potomek pojedynczej komórki.

Jednak w kulturach aksenicznych interakcje między populacjami drobnoustrojów nie mogły być badane. Konieczne było opracowanie metod, które pozwoliłyby zbadać biologiczne interakcje mikrobiologiczne w ich naturalnych siedliskach (istota stosunków ekologicznych).

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

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

Ekologia mikrobiologiczna

Na początku lat sześćdziesiątych, w dobie troski o jakość środowiska i zanieczyszczający wpływ działalności przemysłowej, ekologia drobnoustrojów stała się dyscypliną. Amerykański naukowiec Thomas D. Brock był pierwszym autorem tekstu na ten temat w 1966 roku.

Jednak pod koniec lat 70. ekologia mikrobiologiczna została skonsolidowana jako wyspecjalizowany obszar multidyscyplinarny, ponieważ zależy ona od innych gałęzi naukowych, takich jak ekologia, biologia komórkowa i molekularna, biogeochemia, między innymi..

Rozwój ekologii mikrobiologicznej jest ściśle związany z postępami metodologicznymi, które pozwalają nam badać interakcje między mikroorganizmami a czynnikami biotycznymi i abiotycznymi ich środowiska.

W latach 90. XX w. Do badań włączono techniki biologii molekularnej in situ ekologii mikrobiologicznej, oferując możliwość eksploracji ogromnej różnorodności biologicznej istniejącej w świecie mikrobiologicznym, a także znając jej aktywność metaboliczną w środowisku w ekstremalnych warunkach.

Następnie technologia rekombinowanego DNA pozwoliła na istotne postępy w eliminacji zanieczyszczeń środowiskowych, a także w zwalczaniu szkodników o znaczeniu handlowym.

Metody w ekologii mikrobiologicznej

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

  • Mikroskopia konfokalna z laserem.
  • Narzędzia molekularne, takie jak fluorescencyjne sondy genowe, które umożliwiły badanie złożonych społeczności drobnoustrojów.
  • Reakcja łańcuchowa polimerazy lub PCR (skrót od English: Polymerase Chain Reaction).
  • Markery radioaktywne i analizy chemiczne, które pozwalają mierzyć między innymi mikrobiologiczną aktywność metaboliczną.

Poddyscypliny

Ekologia mikrobiologiczna jest często podzielona na podkategorie, takie jak:

  • Autoekologia lub ekologia genetycznie powiązanych populacji.
  • Ekologia ekosystemów mikrobiologicznych, która bada społeczności drobnoustrojów w danym ekosystemie (lądowym, powietrznym lub wodnym).
  • Mikrobiologiczna ekologia biogeochemiczna, która bada procesy biogeochemiczne.
  • Ekologia relacji między gospodarzem a mikroorganizmami.
  • Ekologia mikrobiologiczna stosowana do problemów zanieczyszczenia środowiska i przywracania równowagi ekologicznej w interweniujących systemach.

Obszary badań

Między obszarami badań ekologii drobnoustrojów są:

  • Ewolucja mikrobiologiczna i jej różnorodność fizjologiczna, biorąc pod uwagę trzy dziedziny życia; Bakterie, Archea i Eukaria.
  • Rekonstrukcja mikrobiologicznych związków filogenetycznych.
  • Ilościowe pomiary liczby, biomasy i aktywności mikroorganizmów w ich środowisku (w tym tych nieulegających uprawie).
  • Pozytywne i negatywne interakcje w populacji drobnoustrojów.
  • Interakcje między różnymi populacjami drobnoustrojów (neutralizm, komensalizm, synergizm, mutualizm, konkurencja, amensalizm, pasożytnictwo i drapieżnictwo).
  • Interakcje między mikroorganizmami i roślinami: w ryzosferze (z mikroorganizmami wiążącymi azot i grzybami mikoryzowymi) oraz w strukturach powietrznych roślin.
  • Fitopatogeny; bakteryjne, grzybicze i wirusowe.
  • Interakcje między drobnoustrojami i zwierzętami (wzajemna i komensalna jelitowa symbioza, drapieżnictwo, między innymi).
  • Skład, działanie i procesy sukcesji w społecznościach drobnoustrojów.
  • Adaptacje mikrobiologiczne do ekstremalnych warunków środowiskowych (badanie mikroorganizmów ekstremofilnych).
  • Rodzaje siedlisk mikrobiologicznych (atmosfera, hydrokosfera, lito-ekosfera i ekstremalne siedliska).
  • Cykle biogeochemiczne, na które wpływają społeczności mikroorganizmów (cykle węgla, wodoru, tlenu, azotu, siarki, fosforu, żelaza, między innymi).
  • Różnorodne zastosowania biotechnologiczne w problemach środowiskowych i interesie gospodarczym.

Aplikacje

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

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

  • Kontrola biodeterioracji przez żrące biofilmy struktur metalicznych (takich jak między innymi rurociągi, pojemniki na odpady radioaktywne).
  • Kontrola szkodników i patogenów.
  • Przywrócenie gleb rolniczych zdegradowanych przez nadmierną eksploatację.
  • Biotraktacja odpadów stałych w kompostowaniu i składowiskach.
  • Biotraktacja ścieków poprzez systemy oczyszczania ścieków (na przykład przez unieruchomione biofilmy).
  • Bioremediacja gleb i wody zanieczyszczonej substancjami nieorganicznymi (takimi jak metale ciężkie) lub ksenobiotykami (toksyczne produkty syntetyczne, nie generowane przez naturalne procesy biosyntezy). Wśród tych związków ksenobiotycznych są halokarbony, nitroaromaty, polichlorowane bifenyle, dioksyny, sulfoniany alkilobenzylu, węglowodory naftowe i pestycydy..
  • Bioremediacja minerałów poprzez bioługowanie (na przykład złoto i miedź).
  • Produkcja biopaliw (etanol, metan, wśród innych węglowodorów) i biomasy mikrobiologicznej.

Referencje

  1. Kim, M-B. (2008). Postęp w mikrobiologii środowiskowej. Myung-Bo Kim Editor. str. 275.
  2. Madigan, M.T., Martinko, J.M., Bender, K.S., Buckley, D.H. Stahl, D.A. i Brock, T. (2015). Biologia drobnoustrojów Brocka. 14 ed. Benjamin Cummings. str. 1041.
  3. Madsen, E. L. (2008). Mikrobiologia środowiskowa: od genomów do biogeochemii. Wiley-Blackwell. str. 490.
  4. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologia kontroli zanieczyszczenia środowiska. M. Dekker str. 453.
  5. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologia Piąta edycja, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 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, S.C. i Jones, K.C. (1993). Bioremediacja gleby zanieczyszczonej wielopierścieniowymi węglowodorami aromatycznymi (WWA): przegląd. Environmental Pollution, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.