História mikrobiálnej ekológie, predmet štúdia a aplikácie



mikrobiálna ekológia je disciplína environmentálnej mikrobiológie, ktorá vyplýva z uplatňovania ekologických princípov na mikrobiológiu (Mikros: malé, bios: život, loga: štúdie).

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

Keďže mikroorganizmy predstavujú najväčšiu suchozemskú biomasu, ich činnosť a ekologické funkcie hlboko ovplyvňujú všetky ekosystémy.

Časná fotosyntetická aktivita cyanobaktérií a následná akumulácia kyslíka (O2) v primitívnej atmosfére predstavuje jeden z najjasnejších príkladov mikrobiálneho vplyvu v evolučnej histórii života na planéte Zem.

To vzhľadom na to, že prítomnosť kyslíka v atmosfére umožnila vznik a vývoj všetkých existujúcich aeróbnych foriem života.

Mikroorganizmy si zachovávajú nepretržitú a nevyhnutnú aktivitu pre život na Zemi. Mechanizmy, ktoré zachovávajú mikrobiálnu diverzitu biosféry, sú základom dynamiky suchozemských, vodných a vzdušných ekosystémov..

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

index

  • 1 História mikrobiálnej ekológie
    • 1.1 Zásady ekológie
    • 1.2 Mikrobiológia
    • 1.3 Mikrobiálna ekológia
  • 2 Metódy v mikrobiálnej ekológii
  • 3 Vedľajšie disciplíny
  • 4 Oblasti štúdia
  • 5 Aplikácie
  • 6 Referencie

História mikrobiálnej ekológie

Zásady ekológie

V prvej polovici 20. storočia boli vyvinuté princípy všeobecnej ekológie s ohľadom na štúdium "vyšších" rastlín a živočíchov v ich prirodzenom prostredí..

Je zrejmé, že mikroorganizmy a ich ekosystémové funkcie boli ignorované, napriek ich veľkému významu v ekologickej histórii planéty, pretože predstavujú najväčšiu suchozemskú biomasu, a preto, že sú najstaršími organizmami v evolučnej histórii života na Zemi..

V tom čase boli iba mikroorganizmy považované za degradátory, mineralizátory organických látok a sprostredkovateľov v niektorých cykloch živín.

mikrobiológie

Predpokladá sa, že vedci Louis Pasteur a Robert Koch založili disciplínu mikrobiológie, pričom vyvinuli techniku ​​axenickej mikrobiálnej kultúry, ktorá obsahuje jeden bunkový typ, potomka jednej bunky..

V axenických kultúrach však nebolo možné študovať interakcie medzi mikrobiálnymi populáciami. Bolo potrebné vyvinúť metódy, ktoré 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 Sergej Winogradsky a Martinus Beijerinck, pričom väčšina sa zamerala na štúdium axénnych 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 šesťdesiatych rokov minulého storočia sa v ére záujmu o kvalitu životného prostredia a kontaminujúci vplyv priemyselných činností mikrobiálna ekológia ukázala ako disciplína. Americký vedec Thomas D. Brock bol prvým autorom textu na túto tému v roku 1966.

Koncom sedemdesiatych rokov však bola mikrobiálna ekológia konsolidovaná ako špecializovaná multidisciplinárna oblasť, pretože okrem iného závisí od iných vedeckých odborov, ako je ekológia, bunková a molekulárna biológia, biogeochémia..

Vývoj mikrobiálnej ekológie úzko súvisí s metodickými postupmi, ktoré nám umožňujú študovať interakcie medzi mikroorganizmami a biotickými a abiotickými faktormi ich prostredia..

V 90. rokoch boli do štúdie zahrnuté aj techniky molekulárnej biológie in situ mikrobiálnej ekológie, ktorá ponúka možnosť skúmania rozsiahlej biodiverzity existujúcej v mikrobiálnom svete a tiež poznania jej metabolických aktivít v prostredí v extrémnych podmienkach.

Následne technológia rekombinantnej DNA umožnila významné pokroky v eliminácii environmentálnych kontaminantov, ako aj pri kontrole škodcov komerčného významu..

Metódy v mikrobiálnej ekológii

Medzi metódami, ktoré umožnili štúdiu in situ mikroorganizmov a ich metabolickej aktivity sú: \ t

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

subdisciplines

Mikrobiálna ekológia sa často delí na sub-disciplíny, ako napríklad:

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

Študijné oblasti

Medzi oblasťami štúdia mikrobiálnej ekológie sú:

  • Mikrobiálny vývoj a jeho fyziologická diverzita vzhľadom na tri oblasti života; Baktérie, Archaea a Eucaria.
  • Rekonštrukcia mikrobiálnych fylogenetických vzťahov.
  • Kvantitatívne merania počtu, biomasy a aktivity mikroorganizmov v ich prostredí (vrátane nekultivovateľných) \ t.
  • Pozitívne a negatívne interakcie v mikrobiálnej populácii.
  • Interakcie medzi rôznymi mikrobiálnymi populáciami (neutralizmus, komensalizmus, synergizmus, vzájomnosť, konkurencia, amenalizmus, parazitizmus a predácia).
  • Interakcie medzi mikroorganizmami a rastlinami: v rhizosfére (s dusíkatými mikroorganizmami a mykoríznymi hubami) a v rastlinných vzdušných štruktúrach.
  • Fytopatogény; bakteriálne, plesňové a vírusové.
  • Interakcie medzi mikroorganizmami a zvieratami (vzájomná a komenzálna intestinálna symbióza, predácia, okrem iného).
  • Zloženie, fungovanie a postupnosť v mikrobiálnych spoločenstvách.
  • Mikrobiálne adaptácie na extrémne environmentálne podmienky (štúdium extrémofilných mikroorganizmov).
  • Druhy mikrobiálnych biotopov (atmo-ekosféra, hydro-ekosféra, lito-ekosféra a extrémne biotopy).
  • Biogeochemické cykly ovplyvnené mikrobiálnymi komunitami (cykly uhlíka, vodíka, kyslíka, dusíka, síry, fosforu, železa, okrem iného).
  • Rôzne biotechnologické aplikácie v environmentálnych problémoch a ekonomických záujmoch.

aplikácie

Mikroorganizmy sú nevyhnutné v globálnych procesoch, ktoré umožňujú zachovanie životného prostredia a ľudského zdravia. Okrem toho slúžia ako model pri štúdiu početných interakcií obyvateľstva (napr. Predácia)..

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

  • Kontrola biodeteriorácie kovových koróznych štruktúr (napr. Potrubia, kontajnery na rádioaktívny odpad, okrem iného) korozívnymi biofilmami \ t.
  • Kontrola škodcov a patogénov.
  • Obnova poľnohospodárskych pôd degradovaných nadmerným využívaním.
  • Biologické spracovanie pevného odpadu v kompostovaní a skládkach.
  • Biologická úprava odpadových vôd prostredníctvom systémov čistenia odpadových vôd (napríklad prostredníctvom imobilizovaných biofilmov) \ t.
  • Bioremediácia pôd a vody kontaminovanej anorganickými látkami (ako sú ťažké kovy) alebo xenobiotiká (toxické syntetické výrobky, ktoré nie sú vytvárané prirodzenými biosyntetickými procesmi). Medzi tieto xenobiotické zlúčeniny patria halogénované uhľovodíky, nitroaromáty, polychlórované bifenyly, dioxíny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhľovodíky a pesticídy..
  • Bioremediácia minerálov prostredníctvom biologického čistenia (napr. Zlato a meď) \ t.
  • Výroba biopalív (etanol, metán, okrem iných uhľovodíkov) a mikrobiálna biomasa.

referencie

  1. Kim, M-B. (2008). Pokrok v environmentálnej mikrobiológii. Myung-Bo Kim Editor. pp 275.
  2. Madigan, M.T., Martinko, J. M., Bender, K.S., Buckley, D.H. Stahl, D.A. a Brock, T. (2015). Brockova biológia mikroorganizmov. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
  3. Madsen, E. L. (2008). Environmentálna mikrobiológia: Od genómov k biogeochémii. Wiley-Blackwell. pp 490.
  4. McKinney, R.E. (2004). Mikrobiológia kontroly znečisťovania životného prostredia. M. Dekker pp 453.
  5. Prescott, L.M. (2002). Mikrobiológie. Piate vydanie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147.
  6. Van den Burg, B. (2003). Extremofily ako zdroj nových enzýmov. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
  7. Wilson, S.C., a Jones, K.C. (1993). Bioremediácia pôdy kontaminovanej polynukleárnymi aromatickými uhľovodíkmi (PAH): Prehľad. Znečistenie životného prostredia, 81 (3), 229-249. doi: 10,1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.