- Історія мікробної екології
- Принципи екології
- Мікробіологія
- Мікробна екологія
- Методи мікробної екології
- Субдисципліни
- Області дослідження
- Програми
- Список літератури
Мікробна екологія дисципліна екологічної мікробіології , що випливає з застосування екологічних принципів в мікробіологічному (Mikros: маленький, биос: життя, логотипи: дослідження).
Ця дисципліна вивчає різноманітність мікроорганізмів (мікроскопічні одноклітинні організми від 1 до 30 мкм), зв’язки між ними з рештою живих істот та з навколишнім середовищем.
Фігура 1. Водорості, бактерії та найпростіші амебоїдів, що взаємодіють у зразках необробленої води. Джерело: CDC / Janice Haney Carr, за адресою: publicdomainfiles.com
Оскільки мікроорганізми представляють найбільшу наземну біомасу, їх екологічна діяльність та функції глибоко впливають на всі екосистеми.
Рання фотосинтетична активність ціанобактерій і подальше накопичення кисню (O 2 ) в ранній атмосфері є одним з найяскравіших прикладів впливу мікробів в еволюційній історії життя на планеті Земля.
Це з огляду на те, що присутність кисню в атмосфері дозволило виникнути та еволюціонувати всі існуючі форми аеробного життя.
Малюнок 2. Ціанобактерії у формі спіралі. Джерело: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839
Мікроорганізми підтримують безперервну і найважливішу діяльність для життя на Землі. Механізми, що підтримують мікробне різноманіття біосфери, є основою динаміки наземних, водних та повітряних екосистем.
Зважаючи на його важливість, можливе вимирання мікробних спільнот (через забруднення їх середовища проживання промисловими токсичними речовинами) призведе до зникнення екосистем, залежних від їх функцій.
Історія мікробної екології
Принципи екології
У першій половині XX століття були розроблені принципи загальної екології з урахуванням вивчення "вищих" рослин і тварин у їх природному середовищі.
Мікроорганізми та їх екосистемні функції тоді були ігноровані, незважаючи на їх велике значення в екологічній історії планети, і тому, що вони представляють найбільшу наземну біомасу, і тому, що вони є найдавнішими організмами в еволюційній історії життя на Землі. .
У той час лише мікроорганізми вважалися деградаторами, мінералізаторами органічної речовини та посередниками в деяких циклах поживних речовин.
Мікробіологія
Вчені Луї Пастер та Роберт Кох вважають за основу дисципліни мікробіології, розробивши техніку аксенової мікробної культури, яка містить тип одиничної клітини, що походить з однієї клітини.
Малюнок 3. Аксенова бактеріальна культура. Джерело: pixabay.com
Однак у аксенових культурах взаємодії між мікробними популяціями неможливо вивчити. Необхідно було розробити методи, які дозволяли б вивчити мікробні біологічні взаємодії в їх природних середовищах існування (сутність екологічних взаємозв'язків).
Першими мікробіологами, які вивчали взаємодію між мікроорганізмами, у ґрунті та взаємодією з рослинами, були Сергій Віноградський та Мартінус Беєрінк, а більшість акцентувала увагу на вивченні аксенічних культур мікроорганізмів, пов’язаних із захворюваннями чи процесами бродіння, що становлять комерційний інтерес.
Виноградський і Бейєрінк вивчали, зокрема, мікробні біотрансформації неорганічних сполук азоту та сірки в ґрунті.
Мікробна екологія
На початку 1960-х років, в епоху турботи про якість навколишнього середовища та забруднюючий вплив промислової діяльності, мікробна екологія постала як дисципліна. Американський вчений Томас Д. Брок був першим автором тексту на цю тему в 1966 році.
Однак це було наприкінці 1970-х років, коли мікробіологічна екологія консолідувалася як спеціалізована багатопрофільна область, оскільки це залежить від інших наукових галузей, таких як екологія, клітинна та молекулярна біологія, біогеохімія.
Малюнок 4. Мікробні взаємодії. Джерело: Бібліотека зображень громадського здоров'я, на publicdomainfiles.com
Розвиток мікробної екології тісно пов'язаний з методологічними досягненнями, що дозволяють вивчити взаємодію між мікроорганізмами та біотичними та абіотичними факторами їхнього середовища.
У 1990-х рр. Методи молекулярної біології були включені в рівномірне вивчення in situ мікробної екології, що дало можливість дослідити величезне біорізноманіття, що існує в мікробному світі, а також знати його метаболічну активність у середовищі в екстремальних умовах.
Малюнок 5. Мікробні взаємодії. Джерело Дженіс Хейні Карр, USCDCP, за адресою: pixnio.com
Згодом технологія рекомбінантних ДНК дозволила досягти значних успіхів у ліквідації забруднювачів навколишнього середовища, а також у боротьбі з комерційно важливими шкідниками.
Методи мікробної екології
Серед методів, які дозволили in situ вивчити мікроорганізми та їх метаболічну активність, є:
- Конфокальна лазерна мікроскопія.
- Молекулярні інструменти, такі як флуоресцентні генні зонди, які дозволили вивчити складні мікробні спільноти.
- Полімеразна ланцюгова реакція або ПЛР (її абревіатура англійською мовою: Polymerase Chain Reaction).
- Радіоактивні маркери та хімічні аналізи, що дозволяють, зокрема, вимірювати мікробну метаболічну активність.
Субдисципліни
Мікробна екологія зазвичай поділяється на піддисципліни, такі як:
- Автоекологія або екологія генетично споріднених популяцій.
- Екологія мікробних екосистем, яка вивчає мікробні спільноти в певній екосистемі (наземній, повітряній чи водної).
- Мікробна біогеохімічна екологія, яка вивчає біогеохімічні процеси.
- Екологія відносин між господарем і мікроорганізмами.
- Мікробна екологія застосовується до проблем забруднення навколишнього середовища та відновлення екологічної рівноваги в втручаних системах.
Області дослідження
Серед напрямів вивчення мікробної екології є:
- Мікробна еволюція та її фізіологічне різноманіття, враховуючи три сфери життя; Бактерії, Аркея та Евкарія.
- Реконструкція мікробних філогенетичних зв’язків.
- Кількісні вимірювання кількості, біомаси та активності мікроорганізмів у їхньому середовищі (включаючи некультурні).
- Позитивні та негативні взаємодії всередині мікробної популяції.
- Взаємодія між різними мікробними популяціями (нейтралізм, коменсалізм, синергізм, взаємність, конкуренція, аменсалізм, паразитизм та хижацтво).
- Взаємодія між мікроорганізмами та рослинами: у ризосфері (з азотфіксуючими мікроорганізмами та мікоризними грибами) та у повітряних спорудах рослин.
- Фітопатогени; бактеріальні, грибкові та вірусні.
- Взаємодія мікроорганізмів і тварин (взаємний та коменсальний кишковий симбіоз, хижацтво, серед інших).
- Склад, функціонування та процеси сукцесії в мікробних спільнотах.
- Мікробні пристосування до екстремальних умов навколишнього середовища (вивчення екстремофільних мікроорганізмів).
- Типи мікробних середовищ існування (атмосфера-екосфера, гідроекосфера, літоекосфера та екстремальні середовища існування).
- Біогеохімічні цикли, на які впливають мікробні спільноти (цикли вуглецю, водню, кисню, азоту, сірки, фосфору, заліза тощо).
- Різні біотехнологічні застосування в екологічних проблемах та економічних інтересах.
Програми
Мікроорганізми є важливими в глобальних процесах, що дозволяють підтримувати навколишнє середовище та здоров'я людини. Крім того, вони слугують зразком при вивченні численних взаємодій населення (наприклад, хижацтво).
Розуміння фундаментальної екології мікроорганізмів та їх впливу на навколишнє середовище дозволило виявити біотехнологічні метаболічні можливості, застосовні до різних галузей економічного інтересу. Деякі з цих областей згадуються нижче:
- Контроль біологічної деградації корозійними біоплівками металевих конструкцій (таких як трубопроводи, контейнери з радіоактивними відходами тощо).
- Контроль шкідників та збудників хвороб.
- Відновлення сільськогосподарських ґрунтів, деградованих внаслідок надмірної експлуатації.
- Біологічне оброблення твердих відходів на компостуванні та сміттєзвалищах.
- Біоочищення стоків за допомогою систем очищення стічних вод (наприклад, за допомогою іммобілізованих біоплівки).
- Біоремедіація ґрунтів та вод, забруднених неорганічними речовинами (такими як важкі метали), або ксенобіотики (токсичні синтетичні продукти, не утворюються природними біосинтетичними процесами). Ці ксенобіотичні сполуки включають галокарбонати, нітроароматики, поліхлоровані біфеніли, діоксини, алкилбензилсульфонати, нафтові вуглеводні та пестициди.
Малюнок 6. Забруднення навколишнього середовища речовинами промислового походження. Джерело: pixabay.com
- Біовідновлення мінералів за допомогою біовилуговування (наприклад, золота та міді).
- Виробництво біопалива (етанол, метан, серед інших вуглеводнів) та мікробної біомаси.
Список літератури
- Кім, МБ. (2008). Прогрес в екологічній мікробіології. Мюн-Бо Кім редактор. С. 275.
- Мадіган, МТ, Мартинко, Дж. М., Бендер, К. С., Баклі, DH Stahl, DA і Brock, T. (2015). Порушена біологія мікроорганізмів. 14 вид. Бенджамін Камінгс. С. 1041.
- Мадсен, EL (2008). Мікробіологія навколишнього середовища: від геномів до біогеохімії. Вілі-Блеквелл. С. 490.
- McKinney, RE (2004). Мікробіологія контролю забруднення навколишнього середовища. М. Декер. С. 453.
- Прескотт, Л.М. (2002). Мікробіологія. П'яте видання, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. С. 1147.
- Ван ден Бург, Б. (2003). Екстремофіли як джерело нових ферментів. Сучасна думка з мікробіології, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
- Wilson, SC та Jones, KC (1993). Біоремедіація ґрунту, забрудненого поліядерними ароматичними вуглеводнями (ПАВ): огляд. Забруднення навколишнього середовища, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.