Historia ekologii drobnoustrojów, przedmiot badań i zastosowania

Plik ekologia mikrobiologiczna jest dyscypliną mikrobiologii środowiskowej, która wynika z zastosowania zasad ekologii do mikrobiologii (mikros: mały, bios: dożywotni, logo: nauka).

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

Ponieważ mikroorganizmy reprezentują 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_dwa) w prymitywnej atmosferze stanowi jeden z najwyraźniejszych przykładów wpływu drobnoustrojów w ewolucyjnej historii życia na planecie Ziemia.

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

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

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

Indeks artykułów

• 1 Historia ekologii drobnoustrojów
  • 1.1 Zasady ekologii
  • 1.2 Mikrobiologia
  • 1.3 Ekologia drobnoustrojów
• 2 Metody w ekologii drobnoustrojów
• 3 Poddyscypliny
• 4 Obszary studiów
• 5 Aplikacje
• 6 Odnośniki

Historia ekologii drobnoustrojów

Zasady ekologii

W pierwszej połowie XX wieku wypracowano zasady ekologii ogólnej, uwzględniając badania roślin i zwierząt „wyższych” 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 założyli dyscyplinę mikrobiologii, opracowując technikę aksenicznej hodowli drobnoustrojów, która zawiera pojedynczy typ komórki, potomek pojedynczej komórki.

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 drobnoustrojów

We wczesnych latach sześćdziesiątych XX wieku, 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 wielodyscyplinarny obszar wyspecjalizowany, ponieważ zależy od innych dziedzin nauki, takich jak m.in. ekologia, biologia komórkowa i molekularna, biogeochemia..

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

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

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

Metody w ekologii drobnoustrojów

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

• Konfokalna mikroskopia laserowa.
• Narzędzia molekularne, takie jak fluorescencyjne sondy genowe, które umożliwiły badanie złożonych społeczności drobnoustrojów.
• Reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR).
• Markery radioaktywne i analizy chemiczne, które pozwalają m.in. na pomiar aktywności metabolicznej drobnoustrojów.

Poddyscypliny

Ekologię drobnoustrojów dzieli się zwykle 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 zajmująca się badaniem procesów biogeochemicznych.
• Ekologia relacji żywiciel-mikroorganizm.
• Ekologia drobnoustrojów stosowana w problematyce zanieczyszczenia środowiska i przywracaniu równowagi ekologicznej w interweniowanych systemach.

Obszary badań

Wśród dziedzin nauki o ekologii drobnoustrojów są:

• Ewolucja drobnoustrojów i jej różnorodność fizjologiczna, z uwzględnieniem trzech dziedzin życia; Bakterie, Archea 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 drobnoustrojów (atmosfera-ekosfera, hydro-ekosfera, 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 zdolności metaboliczne mające zastosowanie w różnych obszarach zainteresowania gospodarczego. Niektóre z tych obszarów są wymienione poniżej:

• Kontrola biodegradacji przez korozyjne biofilmy konstrukcji metalowych (takich jak m.in.rurociągi, zbiorniki na odpady radioaktywne).
• Kontrola szkodników i patogenów.
• Rekultywacja gleb rolniczych zdegradowanych w wyniku nadmiernej eksploatacji.
• Uzdatnianie odpadów stałych w kompostowaniu i na wysypiskach.
• Biotoczyszczanie ścieków poprzez systemy oczyszczania ścieków (na przykład przy użyciu immobilizowanych biofilmów).
• Bioremediacja gleb i wód zanieczyszczonych substancjami nieorganicznymi (takimi jak 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..

• Bioodtwarzanie minerałów poprzez bioługowanie (na przykład złota i miedzi).
• Produkcja biopaliw (m.in. etanolu, metanu) i biomasy drobnoustrojów.

Bibliografia

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