MIKROBIELL ØKOLOGI: HISTORIE, GJENSTAND FOR STUDIER OG ANVENDELSER - BIOLOGI - 2025

Den mikrobielle økologien er en fagdisiplin innen miljømikrobiologi som stammer fra anvendelsen av økologiske prinsipper til mikrobiologi (mikros: liten, bios: life, logoer: studie).

Denne disiplinen studerer mangfoldet av mikroorganismer (mikroskopiske encellede organismer fra 1 til 30 um), forholdene mellom dem med resten av levende vesener og med miljøet.

Figur 1. Alger, bakterier og amøbeidsprotozoer som samhandler i ubehandlede vannprøver. Kilde: CDC / Janice Haney Carr, på: publicdomainfiles.com

Siden mikroorganismer representerer den største terrestriske biomassen, påvirker deres økologiske aktiviteter og funksjoner dyptgående alle økosystemer.

Den tidlige fotosyntetiske aktiviteten til cyanobakterier og den påfølgende ansamlingen av oksygen (O ₂ ) i den tidlige atmosfæren representerer et av de tydeligste eksemplene på mikrobiell påvirkning i den evolusjonære livshistorien på planeten Jorden.

Dette, gitt at tilstedeværelsen av oksygen i atmosfæren, tillot utseendet og utviklingen av alle eksisterende aerobe livsformer.

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

Mikroorganismer opprettholder en kontinuerlig og essensiell aktivitet for livet på jorden. Mekanismene som opprettholder det mikrobielle mangfoldet i biosfæren er grunnlaget for dynamikken i terrestriske, akvatiske og luftige økosystemer.

Gitt dets betydning, vil mulig utryddelse av mikrobielle samfunn (på grunn av forurensning av deres leveområder med industrielle giftige stoffer) generere forsvinningen av økosystemer avhengig av deres funksjoner.

Historie om mikrobiell økologi

Prinsipper for økologi

I første halvdel av 1900-tallet ble prinsippene for generell økologi utviklet med tanke på studien av "høyere" planter og dyr i deres naturlige miljø.

Mikroorganismer og deres økosystemfunksjoner ble deretter ignorert, til tross for deres store betydning i den økologiske historien til planeten, både fordi de representerer den største jordbaserte biomassen, og fordi de er de eldste organismer i den evolusjonære historien til livet på jorden. .

På den tiden ble bare mikroorganismer betraktet som nedbrytere, mineralisatorer av organisk materiale og mellomprodukter i noen næringssykluser.

mikrobiologi

Forskerne Louis Pasteur og Robert Koch anses å ha grunnlagt disiplinen for mikrobiologi ved å utvikle teknikken for den akseniske mikrobielle kulturer, som inneholder en enkelt celletype, nedstammet fra en enkelt celle.

Figur 3. Aksenisk bakteriekultur. Kilde: pixabay.com

Imidlertid kunne interaksjoner mellom mikrobielle populasjoner i aksenkulturer ikke studeres. Det var nødvendig å utvikle metoder som ville tillate studier av mikrobielle biologiske interaksjoner i deres naturlige leveområder (essensen av økologiske forhold).

De første mikrobiologene som undersøkte interaksjoner mellom mikroorganismer, i jorden og interaksjoner med planter, var Sergéi Winogradsky og Martinus Beijerinck, mens flertallet fokuserte på å studere akseniske kulturer av mikroorganismer relatert til sykdommer eller gjæringsprosesser av kommersiell interesse.

Winogradsky og Beijerinck studerte spesielt de mikrobielle biotransformasjonene av uorganiske nitrogen og svovelforbindelser i jorden.

Mikrobiell økologi

På begynnelsen av 1960-tallet, i en tid med bekymring for miljøkvalitet og den forurensende virkningen av industrielle aktiviteter, fremsto mikrobiell økologi som en disiplin. Den amerikanske forskeren Thomas D. Brock, var den første forfatteren av en tekst om emnet i 1966.

Imidlertid var det på slutten av 1970-tallet da mikrobiell økologi ble konsolidert som et tverrfaglig spesialisert område, siden det avhenger av andre vitenskapelige grener, som økologi, celle- og molekylærbiologi, biogeokjemi, blant andre.

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

Utviklingen av mikrobiell økologi er nært knyttet til metodiske fremskritt som gjør det mulig å studere samspillet mellom mikroorganismer og de biotiske og abiotiske faktorene i deres miljø.

På 1990-tallet ble molekylærbiologiteknikker integrert i den jevnlige in situ-studien av mikrobiell økologi, noe som ga muligheten til å utforske det enorme biologiske mangfoldet som eksisterer i den mikrobielle verdenen, og også kjenne dens metabolske aktiviteter i miljøer under ekstreme forhold.

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

Deretter tillot rekombinant DNA-teknologi viktige fremskritt i eliminering av miljøforurensninger, så vel som i kontrollen av kommersielt viktige skadedyr.

Metoder i mikrobiell økologi

Blant metodene som har tillatt in situ-undersøkelse av mikroorganismer og deres metabolske aktivitet, er det:

• Konfokal lasermikroskopi.
• Molekylære verktøy som fluorescerende genprober, som har gjort det mulig å studere komplekse mikrobielle samfunn.
• Polymerasekjedereaksjonen eller PCR (for dets forkortelse på engelsk: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktive markører og kjemiske analyser, som gjør det mulig å måle mikrobiell metabolsk aktivitet, blant andre.

Sub-disipliner

Mikrobiell økologi er vanligvis delt inn i underdisipliner, for eksempel:

• Autoekologien eller økologien til genetisk relaterte populasjoner.
• Økologien til mikrobielle økosystemer, som studerer mikrobielle samfunn i et bestemt økosystem (terrestrisk, luftig eller akvatisk).
• Mikrobiell biogeokjemisk økologi, som studerer biogeokjemiske prosesser.
• Økologi for forholdet mellom verten og mikroorganismer.
• Mikrobiell økologi anvendt på miljøforurensningsproblemer og i restaurering av økologisk balanse i intervenerte systemer.

Studieområder

Blant områdene med studier av mikrobiell økologi er:

• Mikrobiell evolusjon og dens fysiologiske mangfold, med tanke på de tre domenene i livet; Bakterier, Arquea og Eucaria.
• Rekonstruksjon av mikrobielle fylogenetiske forhold.
• Kvantitative målinger av antall, biomasse og aktivitet av mikroorganismer i deres miljø (inkludert ikke-kultiverbare).
• Positive og negative interaksjoner i en mikrobiell populasjon.
• Interaksjonene mellom forskjellige mikrobielle populasjoner (nøytralisme, kommensalisme, synergisme, gjensidighet, konkurranse, amensalisme, parasittisme og predasjon).
• Interaksjoner mellom mikroorganismer og planter: i rhizosfæren (med nitrogenfikserende mikroorganismer og mykorrhizal sopp), og i planteantennestrukturer.
• fytopatogener; bakterie, sopp og viral.
• Interaksjoner mellom mikroorganismer og dyr (gjensidigistic og commensal intestinal symbiose, predasjon, blant andre).
• Sammensetning, funksjon og suksessprosesser i mikrobielle samfunn.
• Mikrobielle tilpasninger til ekstreme miljøforhold (studie av ekstremofile mikroorganismer).
• Typene mikrobielle naturtyper (atmosfære-økosfæren, hydroøkosfæren, lito-økosfæren og ekstreme naturtyper).
• Biogeokjemiske sykluser påvirket av mikrobielle samfunn (sykluser av karbon, hydrogen, oksygen, nitrogen, svovel, fosfor, jern, blant andre).
• Ulike bioteknologiske anvendelser i miljøproblemer og av økonomisk interesse.

applikasjoner

Mikroorganismer er viktige i de globale prosessene som muliggjør opprettholdelse av miljø og helse. I tillegg tjener de som en modell i studien av en rekke populasjonsinteraksjoner (for eksempel predasjon).

Forståelsen av den grunnleggende økologien til mikroorganismer og deres innvirkning på miljøet har gjort det mulig å identifisere bioteknologiske metabolske kapasiteter som gjelder for forskjellige områder av økonomisk interesse. Noen av disse områdene er nevnt nedenfor:

• Kontroll av biologisk nedbrytning ved etsende biofilmer av metalliske strukturer (som rørledninger, radioaktive avfallsbeholdere, blant andre).
• Kontroll av skadedyr og patogener.
• Restaurering av jordbruksjord redusert av overutnyttelse.
• Biobehandling av fast avfall i kompostering og deponi.
• Biobehandling av avløp, gjennom renseanlegg (for eksempel ved bruk av immobiliserte biofilmer).
• Bioremediering av jordsmonn og vann forurenset med uorganiske stoffer (for eksempel tungmetaller) eller xenobiotiske stoffer (giftige syntetiske produkter, ikke generert av naturlige biosyntetiske prosesser). Disse xenobiotiske forbindelsene inkluderer halokarboner, nitroaromatika, polyklorerte bifenyler, dioksiner, alkylbenzylsulfonater, petroleum-hydrokarboner og plantevernmidler.

Figur 6. Miljøforurensning med stoffer av industriell opprinnelse. Kilde: pixabay.com

• Bior utvinning av mineraler gjennom bioutvasking (for eksempel gull og kobber).
• Produksjon av biodrivstoff (etanol, metan, blant annet hydrokarboner) og mikrobiell biomasse.

referanser

1. Kim, MB. (2008). Fremgang i miljømikrobiologi. Myung-Bo Kim Editor. s. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA og Brock, T. (2015). Brock biologi av mikroorganismer. 14 utg. Benjamin Cummings. s. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Miljømikrobiologi: Fra genom til biogeokjemi. Wiley-Blackwell. s. 490.
4. McKinney, RE (2004). Miljøforurensningskontrollmikrobiologi. M. Dekker. s 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Femte utgave, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. s 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofiler som kilde for nye enzymer. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, og Jones, KC (1993). Bioremediering av jord forurenset med polynukleære aromatiske hydrokarboner (PAH): En gjennomgang. Miljøforurensning, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.