MIKROBIÁLNA EKOLÓGIA: HISTÓRIA, PREDMET ŠTÚDIA A APLIKÁCIE - BIOLÓGIE - 2025

Mikrobiálnej ekológie je disciplína environmentálne mikrobiológie vyplývajúcich z uplatňovania ekologických zásad pre mikrobiológiu (Mikros: malý, BIOS: život, logá: štúdia).

Táto disciplína skúma rozmanitosť mikroorganizmov (mikroskopické jednobunkové organizmy od 1 do 30 µm), vzťahy medzi nimi so zvyškom živých bytostí a so životným prostredím.

Obrázok 1. Riasy, baktérie a amoeboidné prvoky interagujúce vo vzorkách neošetrenej vody. Zdroj: CDC / Janice Haney Carr, na: publicdomainfiles.com

Keďže mikroorganizmy predstavujú najväčšiu suchozemskú biomasu, ich ekologické aktivity a funkcie výrazne ovplyvňujú všetky ekosystémy.

Včasná fotosyntetická aktivita cyanobaktérií a následná akumulácia kyslíka (O ₂ ) v skorej atmosfére predstavuje jeden z najjasnejších príkladov mikrobiálneho vplyvu v evolučnej histórii života na planéte Zem.

Toto, vzhľadom na to, že prítomnosť kyslíka v atmosfére, umožnilo vznik a vývoj všetkých existujúcich foriem aeróbneho života.

Obrázok 2. Cyanobaktérie v tvare špirály. Zdroj: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganizmy si udržiavajú nepretržitú a nevyhnutnú činnosť pre život na Zemi. Mechanizmy, ktoré udržiavajú mikrobiálnu rozmanitosť biosféry, sú základom dynamiky suchozemských, vodných a vzdušných ekosystémov.

Vzhľadom na svoj význam by prípadné vyhynutie mikrobiálnych spoločenstiev (v dôsledku kontaminácie ich biotopov priemyselnými toxickými látkami) viedlo k zániku ekosystémov v závislosti od ich funkcií.

História mikrobiálnej ekológie

Zásady ekológie

V prvej polovici 20. storočia boli vyvinuté princípy všeobecnej ekológie so zreteľom na štúdium „vyšších“ rastlín a živočíchov v ich prirodzenom prostredí.

Mikroorganizmy a ich ekosystémové funkcie sa potom ignorovali, napriek ich veľkému významu v ekologickej histórii planéty, pretože predstavujú najväčšiu suchozemskú biomasu a pretože sú najstaršími organizmami v evolučnej histórii života na Zemi. ,

V tom čase sa v niektorých cykloch živín považovali za degradátory, mineralizátory organických látok a medziprodukty iba mikroorganizmy.

mikrobiológie

Vedci Louis Pasteur a Robert Koch sa považujú za vedcov založených na mikrobiológii tým, že vyvinuli techniku ​​axenickej mikrobiálnej kultúry, ktorá obsahuje jeden typ bunky, pochádzajúci z jednej bunky.

Obrázok 3. Axenická bakteriálna kultúra. Zdroj: pixabay.com

Avšak v axenických kultúrach nebolo možné študovať interakcie medzi mikrobiálnymi populáciami. Bolo potrebné vyvinúť metódy, ktoré by umožnili študovať mikrobiálne biologické interakcie v ich prirodzených biotopoch (podstata ekologických vzťahov).

Prvými mikrobiológmi, ktorí skúmali interakcie medzi mikroorganizmami v pôde a interakciami s rastlinami, boli Sergéi Winogradsky a Martinus Beijerinck, zatiaľ čo väčšina sa zamerala na štúdium axénových kultúr mikroorganizmov súvisiacich s chorobami alebo fermentačnými procesmi komerčného záujmu.

Winogradsky a Beijerinck študovali najmä mikrobiálne biotransformácie anorganických zlúčenín dusíka a síry v pôde.

Mikrobiálna ekológia

Na začiatku 60. rokov 20. storočia, v období obáv o kvalitu životného prostredia a znečisťujúci vplyv priemyselných činností, sa mikrobiálna ekológia stala disciplínou. Americký vedec Thomas D. Brock bol prvým autorom textu na túto tému v roku 1966.

Koncom 70. rokov sa však mikrobiálna ekológia konsolidovala ako multidisciplinárna špecializovaná oblasť, pretože závisí okrem iného od iných vedných odborov, ako sú ekológia, bunková a molekulárna biológia, biogeochémia.

Obrázok 4. Mikrobiálne interakcie. Zdroj: Verejná zdravotná knižnica obrázkov na adrese publicdomainfiles.com

Rozvoj mikrobiálnej ekológie úzko súvisí s metodologickým pokrokom, ktorý umožňuje študovať interakcie medzi mikroorganizmami a biotickými a abiotickými faktormi ich prostredia.

V deväťdesiatych rokoch boli techniky molekulárnej biológie začlenené do štúdie mikrobiálnej ekológie na mieste, ktorá ponúka možnosť preskúmať obrovskú biodiverzitu existujúcu v mikrobiálnom svete a poznať jej metabolické aktivity v prostrediach v extrémnych podmienkach.

Obrázok 5. Mikrobiálne interakcie. Zdroj. Janice Haney Carr, USCDCP, na: pixnio.com

Následne technológia rekombinantnej DNA umožnila významný pokrok v eliminácii kontaminantov životného prostredia, ako aj v kontrole komerčne dôležitých škodcov.

Metódy v mikrobiálnej ekológii

Medzi metódy, ktoré umožnili in situ štúdium mikroorganizmov a ich metabolickej aktivity, patria:

• Konfokálna laserová mikroskopia.
• Molekulárne nástroje, ako sú fluorescenčné génové sondy, ktoré umožňujú štúdium komplexných mikrobiálnych spoločenstiev.
• Polymerázová reťazová reakcia alebo PCR (pre jej skratku v angličtine: Polymerase Chain Reaction).
• Rádioaktívne markery a chemické analýzy, ktoré okrem iného umožňujú meranie mikrobiálnej metabolickej aktivity.

Subdisciplíny

Mikrobiálna ekológia sa zvyčajne delí na čiastkové disciplíny, ako napríklad:

• Autoekológia alebo ekológia geneticky príbuzných populácií.
• Ekológia mikrobiálnych ekosystémov, ktorá študuje mikrobiálne spoločenstvá v konkrétnom ekosystéme (suchozemské, vzdušné alebo vodné).
• Mikrobiálna biogeochemická ekológia, ktorá študuje biogeochemické procesy.
• Ekológia vzťahov medzi hostiteľom a mikroorganizmami.
• Mikrobiálna ekológia aplikovaná na problémy kontaminácie životného prostredia a na obnovenie ekologickej rovnováhy v intervenovaných systémoch.

Študijné oblasti

Medzi oblasti štúdia mikrobiálnej ekológie patria:

• Mikrobiálny vývoj a jeho fyziologická diverzita, berúc do úvahy tri oblasti života; Baktérie, Arquea a Eucaria.
• Rekonštrukcia mikrobiálnych fylogenetických vzťahov.
• Kvantitatívne merania počtu, biomasy a aktivity mikroorganizmov v ich prostredí (vrátane nekultivovateľných).
• Pozitívne a negatívne interakcie v mikrobiálnej populácii.
• Interakcie medzi rôznymi mikrobiálnymi populáciami (neutralita, komenzalizmus, synergizmus, vzájomnosť, konkurencia, amensalizmus, parazitizmus a predácia).
• Interakcie medzi mikroorganizmami a rastlinami: v rhizosfére (s mikroorganizmami viažucimi dusík a mykorrhizálnymi hubami) a v leteckých štruktúrach rastlín.
• patogénom; bakteriálne, plesňové a vírusové.
• Interakcie medzi mikroorganizmami a zvieratami (okrem iného vzájomná symbiotická a komenzálna črevná symbióza, predácia).
• Zloženie, fungovanie a procesy sukcesie v mikrobiálnych komunitách.
• Mikrobiálne adaptácie na extrémne podmienky prostredia (štúdia extrémemofilných mikroorganizmov).
• Druhy mikrobiálnych biotopov (atmosféra-ekosféra, hydroekosféra, litoekosféra a extrémne biotopy).
• Biogeochemické cykly ovplyvnené mikrobiálnymi spoločenstvami (okrem iného cykly uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka, síry, fosforu, železa).
• Rôzne biotechnologické aplikácie pri problémoch životného prostredia a hospodárskeho záujmu.

aplikácia

Mikroorganizmy sú nevyhnutné v globálnych procesoch, ktoré umožňujú zachovanie životného prostredia a zdravia ľudí. Okrem toho slúžia ako model pri štúdiu početných interakcií medzi obyvateľstvom (napríklad predácia).

Pochopenie základnej ekológie mikroorganizmov a ich účinkov na životné prostredie umožnilo identifikovať biotechnologické metabolické kapacity použiteľné v rôznych oblastiach hospodárskeho záujmu. Niektoré z týchto oblastí sú uvedené nižšie:

• Kontrola biodegradácie korozívnymi biofilmami kovových štruktúr (napríklad potrubia, kontajnery s rádioaktívnym odpadom).
• Kontrola škodcov a patogénov.
• Obnova poľnohospodárskych pôd degradovaných nadmerným využívaním.
• Biologické spracovanie pevného odpadu pri kompostovaní a skládkach.
• Biologické čistenie odpadových vôd systémami čistenia odpadových vôd (napríklad s použitím imobilizovaných biofilmov).
• Bioremediácia pôd a vôd kontaminovaných anorganickými látkami (ako sú ťažké kovy) alebo xenobiotík (toxické syntetické produkty, ktoré sa nevytvárajú prírodnými biosyntetickými procesmi). Tieto xenobiotické zlúčeniny zahŕňajú halogénované uhľovodíky, nitroaromatiká, polychlórované bifenyly, dioxíny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhľovodíky a pesticídy.

Obrázok 6. Kontaminácia životného prostredia látkami priemyselného pôvodu. Zdroj: pixabay.com

• Biologický nález minerálov prostredníctvom biologického vylúhovania (napríklad zlato a meď).
• Výroba biopalív (etanol, metán, okrem iných uhľovodíkov) a mikrobiálna biomasa.

Referencie

1. Kim, MB. (2008). Pokrok v mikrobiológii životného prostredia. Myung-Bo Kim Editor. str. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA a Brock, T. (2015). Brockova biológia mikroorganizmov. 14 ed. Benjamin Cummings. str. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Environmentálna mikrobiológia: od genómov po biogeochémiu. Wiley-Blackwell. str. 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiológia na kontrolu znečistenia životného prostredia. M. Dekker. str. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiológie. Piate vydanie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofily ako zdroj nových enzýmov. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10,016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, a Jones, KC (1993). Bioremediácia pôdy kontaminovanej viacjadrovými aromatickými uhľovodíkmi (PAH): prehľad. Environmental Pollution, 81 (3), 229–249. doi: 10,016 / 0269-7491 (93) 90206-4.