MIKROBIELL EKOLOGI: HISTORIA, STUDIEOBJEKT OCH TILLÄMPNINGAR - BIOLOGI - 2025

Den mikrobiella ekologin är en disciplin inom miljömikrobiologi som härrör från tillämpningen av ekologiska principer på mikrobiologi (mikros: små, bio: liv, logotyper: studie).

Denna disciplin studerar mångfalden av mikroorganismer (mikroskopiska encelliga organismer från 1 till 30 um), förhållandena mellan dem med resten av levande varelser och med miljön.

Figur 1. Alger, bakterier och amoeboidprotozoer interagerar i obehandlade vattenprover. Källa: CDC / Janice Haney Carr, på: publicdomainfiles.com

Eftersom mikroorganismer representerar den största markbaserade biomassan, påverkar deras ekologiska aktiviteter och funktioner djupt alla ekosystem.

Den tidiga fotosyntetiska aktiviteten av cyanobakterier och den påföljande ansamlingen av syre (O ₂ ) i den primitiva atmosfären representerar ett av de tydligaste exemplen på mikrobiellt inflytande i den evolutionära livshistorien på jorden.

Detta med tanke på att närvaron av syre i atmosfären möjliggjorde utseendet och utvecklingen av alla befintliga aeroba livsformer.

Bild 2. Cyanobakterier i spiralform. Källa: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganismer upprätthåller en kontinuerlig och viktig aktivitet för livet på jorden. Mekanismerna som upprätthåller den mikrobiella mångfalden i biosfären är grunden för dynamiken i markbundna, vattenlevande och luftiga ekosystem.

Med tanke på dess betydelse skulle den eventuella utrotningen av mikrobiella samhällen (på grund av kontaminering av deras livsmiljöer med industriella giftiga ämnen) generera försvinnandet av ekosystem beroende på deras funktioner.

Historia om mikrobiell ekologi

Principer för ekologi

Under första hälften av 1900-talet utvecklades principerna för allmän ekologi med tanke på studien av ”högre” växter och djur i deras naturliga miljö.

Mikroorganismer och deras ekosystemfunktioner ignorerades sedan, trots deras stora betydelse i planets ekologiska historia, både för att de representerar den största markbaserade biomassan och för att de är de äldsta organismerna i den evolutionära livshistorien på jorden. .

Vid den tiden betraktades endast mikroorganismer som nedbrytare, mineralisatorer av organiskt material och mellanprodukter i vissa näringscykler.

Mikrobiologi

Forskarna Louis Pasteur och Robert Koch anses ha grundat disciplinen i mikrobiologi genom att utveckla tekniken för den axeniska mikrobiella kulturen, som innehåller en enda celltyp, härstammande från en enda cell.

Figur 3. Axenisk bakteriekultur. Källa: pixabay.com

I axeniska kulturer kunde emellertid inte interaktioner mellan mikrobiella populationer studeras. Det var nödvändigt att utveckla metoder som skulle göra det möjligt att studera mikrobiella biologiska interaktioner i deras naturliga livsmiljöer (essensen av ekologiska samband).

De första mikrobiologerna som undersökte interaktioner mellan mikroorganismer, i jorden och interaktioner med växter, var Sergéi Winogradsky och Martinus Beijerinck, medan majoriteten fokuserade på att studera axeniska kulturer av mikroorganismer relaterade till sjukdomar eller jäsningsprocesser av kommersiellt intresse.

Winogradsky och Beijerinck studerade särskilt de mikrobiella biotransformationerna av oorganiskt kväve- och svavelföreningar i jorden.

Mikrobiell ekologi

I början av 1960-talet, i en tid med oro för miljökvalitet och förorenande effekter av industriell verksamhet, framkom mikrobiell ekologi som en disciplin. Den amerikanska forskaren Thomas D. Brock var den första författaren till en text om ämnet 1966.

Det var emellertid i slutet av 1970-talet då mikrobiell ekologi konsoliderades som ett specialiserat multidisciplinärt område, eftersom det beror på andra vetenskapliga grenar, såsom ekologi, cell- och molekylärbiologi, biogeokemi, bland andra.

Bild 4. Mikrobiella interaktioner. Källa: Public Health Image Library, på publicdomainfiles.com

Utvecklingen av mikrobiell ekologi är nära besläktad med de metodologiska framstegen som gör det möjligt att studera interaktioner mellan mikroorganismer och de biotiska och abiotiska faktorerna i deras miljö.

På 1990-talet införlivades molekylärbiologitekniker i den jämna in situ-studien av mikrobiell ekologi, vilket gav möjligheten att utforska den enorma biologiska mångfalden som finns i den mikrobiella världen och också känna till dess metaboliska aktiviteter i miljöer under extrema förhållanden.

Bild 5. Mikrobiella interaktioner. Källa. Janice Haney Carr, USCDCP, på: pixnio.com

Därefter möjliggjorde rekombinant DNA-teknik viktiga framsteg i eliminering av miljöföroreningar, liksom i kontrollen av kommersiellt viktiga skadedjur.

Metoder i mikrobiell ekologi

Bland metoderna som har tillåtit in situ-studien av mikroorganismer och deras metaboliska aktivitet finns det:

• Konfokal lasermikroskopi.
• Molekylära verktyg såsom fluorescerande genprober, som har gjort det möjligt att studera komplexa mikrobiella samhällen.
• Polymeraskedjereaktionen eller PCR (för dess förkortning på engelska: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktiva markörer och kemiska analyser, som möjliggör mätning av mikrobiell metabolisk aktivitet, bland andra.

Subdiscipliner

Mikrobiell ekologi är vanligtvis indelad i subdiscipliner, såsom:

• Autoekologi eller ekologi hos genetiskt relaterade populationer.
• Ekologin för mikrobiella ekosystem, som studerar de mikrobiella samhällena i ett visst ekosystem (markbunden, flyg- eller vattenlevande).
• Mikrobiell biogeokemisk ekologi, som studerar biogeokemiska processer.
• Ekologi för förhållandena mellan värden och mikroorganismerna.
• Mikrobiell ekologi tillämpas på miljökontaminationsproblem och för återställande av ekologisk balans i intervenerade system.

Studieområden

Bland områdena för studier av mikrobiell ekologi är:

• Mikrobiell utveckling och dess fysiologiska mångfald, med tanke på livets tre domäner; Bakterier, Arquea och Eucaria.
• Rekonstruktion av mikrobiella fylogenetiska förhållanden.
• Kvantitativa mätningar av antal, biomassa och aktivitet för mikroorganismer i deras miljö (inklusive icke-odlingsbara).
• Positiva och negativa interaktioner inom en mikrobiell population.
• Interaktioner mellan olika mikrobiella populationer (neutralism, kommensalism, synergism, ömsesidighet, konkurrens, amensalism, parasitism och predation).
• Interaktioner mellan mikroorganismer och växter: i rhizosfären (med kvävefixerande mikroorganismer och mykorrhizala svampar) och i växters antennstrukturer.
• fytopatogener; bakteriell, svamp och viral.
• Interaktioner mellan mikroorganismer och djur (mutualistic och commensal intestinal symbios, predation, bland andra).
• Sammansättningen, funktionen och successionsprocesserna i mikrobiella samhällen.
• Mikrobiella anpassningar till extrema miljöförhållanden (studie av extremofila mikroorganismer).
• Typerna av mikrobiella livsmiljöer (atmosfär-ekosfär, hydro-ekosfär, lito-ekosfär och extrema livsmiljöer).
• Biogeokemiska cykler påverkade av mikrobiella samhällen (cykler av kol, väte, syre, kväve, svavel, fosfor, järn, bland andra).
• Olika biotekniska tillämpningar i miljöproblem och av ekonomiskt intresse.

tillämpningar

Mikroorganismer är viktiga i de globala processerna som möjliggör upprätthållande av miljö och människors hälsa. Dessutom fungerar de som en modell i studien av många befolkningsinteraktioner (till exempel predation).

Förståelsen av mikroorganismernas grundläggande ekologi och deras effekter på miljön har gjort det möjligt att identifiera biotekniska metaboliska kapaciteter som är tillämpliga på olika områden av ekonomiskt intresse. Några av dessa områden nämns nedan:

• Kontroll av biologisk nedbrytning genom korrosiva biofilmer av metalliska strukturer (t.ex. rörledningar, bland annat radioaktivt avfall).
• Kontroll av skadedjur och patogener.
• Återställande av jordbruksjordar försämras av överutnyttjande.
• Biobehandling av fast avfall i kompostering och deponier.
• Biobehandling av avloppsvatten genom avloppsreningssystem (till exempel med hjälp av immobiliserade biofilmer).
• Bioremediering av jord och vatten förorenade med oorganiska ämnen (såsom tungmetaller) eller xenobiotiska (giftiga syntetiska produkter, inte genererade av naturliga biosyntetiska processer). Dessa xenobiotiska föreningar inkluderar halokolväten, nitroaromatiska ämnen, polyklorerade bifenyler, dioxiner, alkylbensylsulfonater, petroleumkolväten och bekämpningsmedel.

Bild 6. Miljökontaminering med ämnen av industriellt ursprung. Källa: pixabay.com

• Bioråtervinning av mineraler genom biolakning (till exempel guld och koppar).
• Produktion av biobränslen (bland annat etanol, metan, kolväten) och mikrobiell biomassa.

referenser

1. Kim, MB. (2008). Framsteg inom miljömikrobiologi. Myung-Bo Kim Editor. sid 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA och Brock, T. (2015). Brock biologi av mikroorganismer. 14 ed. Benjamin Cummings. sid 1041.
3. Madsen, EL (2008). Miljömikrobiologi: Från genom till biogeokemi. Wiley-Blackwell. sid 490.
4. McKinney, RE (2004). Miljöföroreningskontrollmikrobiologi. M. Dekker. sid 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Femte upplagan, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. sid 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofiler som källa för nya enzymer. Aktuellt yttrande i mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC och Jones, KC (1993). Bioremediering av mark förorenad med polynukleära aromatiska kolväten (PAH: er): En översyn. Miljöföroreningar, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.