Historie mikrobiální ekologie, předmět studia a aplikace

The mikrobiální ekologie je obor mikrobiologie životního prostředí, který vychází z aplikace ekologických principů na mikrobiologii (mikros: malý, bios: život, loga: studie).

Tato disciplína studuje rozmanitost mikroorganismů (mikroskopické jednobuněčné organismy od 1 do 30 µm), vztahy mezi nimi se zbytkem živých bytostí a s prostředím.

Protože mikroorganismy představují největší suchozemskou biomasu, jejich ekologické aktivity a funkce hluboce ovlivňují všechny ekosystémy..

Časná fotosyntetická aktivita sinic a následná akumulace kyslíku (O_dva) v primitivní atmosféře představuje jeden z nejjasnějších příkladů mikrobiálního vlivu v evoluční historii života na planetě Zemi.

To vzhledem k tomu, že přítomnost kyslíku v atmosféře umožnila vznik a vývoj všech existujících forem aerobního života..

Mikroorganismy udržují nepřetržitou a nezbytnou aktivitu pro život na Zemi. Mechanismy, které udržují mikrobiální rozmanitost biosféry, jsou základem dynamiky suchozemských, vodních a vzdušných ekosystémů..

Vzhledem k jeho důležitosti by možné vyhynutí mikrobiálních společenstev (v důsledku kontaminace jejich stanovišť průmyslovými toxickými látkami) vedlo k zániku ekosystémů v závislosti na jejich funkcích..

Rejstřík článků

• 1 Historie mikrobiální ekologie
  • 1.1 Principy ekologie
  • 1.2 Mikrobiologie
  • 1.3 Mikrobiální ekologie
• 2 Metody v mikrobiální ekologii
• 3 dílčí disciplíny
• 4 Studijní oblasti
• 5 Aplikace
• 6 Reference

Historie mikrobiální ekologie

Principy ekologie

V první polovině 20. století byly vyvinuty principy obecné ekologie s ohledem na studium „vyšších“ rostlin a živočichů v jejich přirozeném prostředí..

Mikroorganismy a jejich funkce ekosystémů byly poté ignorovány, a to navzdory jejich velkému významu v ekologické historii planety, a to jednak proto, že představují největší suchozemskou biomasu, jednak proto, že jsou nejstaršími organismy v evoluční historii života na Zemi.

V té době byly pouze mikroorganismy považovány za degradátory, mineralizátory organické hmoty a prostředníky v některých živinových cyklech..

Mikrobiologie

Předpokládá se, že vědci Louis Pasteur a Robert Koch založili disciplínu mikrobiologie vyvinutím techniky axenické mikrobiální kultury, která obsahuje jeden typ buňky, potomek jedné buňky.

V axenických kulturách však nebylo možné studovat interakce mezi mikrobiálními populacemi. Bylo nutné vyvinout metody, které umožní studium mikrobiálních biologických interakcí v jejich přirozeném prostředí (podstata ekologických vztahů).

První mikrobiologové, kteří zkoumali interakce mezi mikroorganismy v půdě a interakce s rostlinami, byli Sergéi Winogradsky a Martinus Beijerinck, zatímco většina se zaměřila na studium axenických kultur mikroorganismů souvisejících s chorobami nebo fermentačními procesy komerčního zájmu..

Winogradsky a Beijerinck studovali zejména mikrobiální biotransformace anorganických sloučenin dusíku a síry v půdě..

Mikrobiální ekologie

Na počátku šedesátých let, v době zájmu o kvalitu životního prostředí a znečištění průmyslových aktivit, se mikrobiální ekologie stala disciplínou. Americký vědec Thomas D. Brock byl prvním autorem textu na toto téma v roce 1966.

Bylo to však na konci 70. let, kdy byla mikrobiální ekologie sloučena jako multidisciplinární specializovaná oblast, protože to závisí na jiných vědeckých oborech, jako je ekologie, buněčná a molekulární biologie, biogeochemie, mezi ostatními..

Vývoj mikrobiální ekologie úzce souvisí s metodickým pokrokem, který umožňuje studovat interakce mezi mikroorganismy a biotickými a abiotickými faktory v jejich prostředí..

V 90. letech byly do studie začleněny techniky molekulární biologie in situ mikrobiální ekologie, nabízející možnost prozkoumat obrovskou biologickou rozmanitost existující v mikrobiálním světě a také znát jeho metabolické aktivity v prostředích za extrémních podmínek.

Technologie rekombinantní DNA následně umožnila významné pokroky v eliminaci látek znečišťujících životní prostředí i v kontrole komerčně významných škůdců..

Metody v mikrobiální ekologii

Mezi metody, které umožnily studium in situ mikroorganismů a jejich metabolické aktivity, jsou:

• Konfokální laserová mikroskopie.
• Molekulární nástroje, jako jsou fluorescenční genové sondy, které umožnily studium komplexních mikrobiálních komunit.
• Polymerázová řetězová reakce (PCR).
• Radioaktivní markery a chemické analýzy, které mimo jiné umožňují měření mikrobiální metabolické aktivity.

Dílčí disciplíny

Mikrobiální ekologie se obvykle dělí na dílčí disciplíny, například:

• Autoekologie nebo ekologie geneticky příbuzných populací.
• Ekologie mikrobiálních ekosystémů, která studuje mikrobiální společenství v konkrétním ekosystému (suchozemském, vzdušném nebo vodním).
• Mikrobiální biogeochemická ekologie, která studuje biogeochemické procesy.
• Ekologie vztahů hostitel-mikroorganismus.
• Mikrobiální ekologie aplikovaná na problémy znečištění životního prostředí a při obnově ekologické rovnováhy v intervenovaných systémech.

Studijní oblasti

Mezi oblasti studia mikrobiální ekologie patří:

• Mikrobiální evoluce a její fyziologická rozmanitost s ohledem na tři oblasti života; Bakterie, Archea a Eucaria.
• Rekonstrukce mikrobiálních fylogenetických vztahů.
• Kvantitativní měření počtu, biomasy a aktivity mikroorganismů v jejich prostředí (včetně nekultivovatelných).
• Pozitivní a negativní interakce uvnitř mikrobiální populace.
• Interakce mezi různými mikrobiálními populacemi (neutralismus, komenzalismus, synergismus, vzájemnost, konkurence, amensalismus, parazitismus a predace).
• Interakce mezi mikroorganismy a rostlinami: v rhizosféře (s mikroorganismy vázajícími dusík a mykorhizními houbami) a ve vzdušných strukturách rostlin.
• Fytopatogeny; bakteriální, plísňové a virové.
• Interakce mezi mikroorganismy a zvířaty (vzájemná a komenzální intestinální symbióza, predace, mimo jiné).
• Složení, fungování a procesy nástupnictví v mikrobiálních komunitách.
• Mikrobiální adaptace na extrémní podmínky prostředí (studie extremofilních mikroorganismů).
• Typy mikrobiálních stanovišť (atmosféra-ekosféra, hydroeksféra, litoskosféra a extrémní stanoviště).
• Biogeochemické cykly ovlivněné mikrobiálními společenstvími (mimo jiné cykly uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, síry, fosforu, železa).
• Různé biotechnologické aplikace v environmentálních problémech a ekonomickém zájmu.

Aplikace

Mikroorganismy jsou nezbytné v globálních procesech, které umožňují zachování životního prostředí a lidského zdraví. Kromě toho slouží jako model při studiu četných populačních interakcí (například predace).

Pochopení základní ekologie mikroorganismů a jejich účinků na životní prostředí umožnilo identifikovat biotechnologické metabolické kapacity použitelné v různých oblastech hospodářského zájmu. Některé z těchto oblastí jsou uvedeny níže:

• Kontrola biologického znečišťování korozivními biofilmy kovových konstrukcí (například potrubí, kontejnerů na radioaktivní odpady atd.).
• Hubení škůdců a patogenů.
• Obnova zemědělských půd degradovaných nadměrným využíváním.
• Biologické zpracování tuhého odpadu při kompostování a skládkách.
• Biologické zpracování odpadních vod prostřednictvím systémů čištění odpadních vod (například pomocí imobilizovaných biofilmů).
• Bioremediace půd a vod kontaminovaných anorganickými látkami (například těžkými kovy) nebo xenobiotiky (toxické syntetické produkty, které nevznikají přirozenými biosyntetickými procesy). Mezi tyto xenobiotické sloučeniny patří halogenované uhlovodíky, nitroaromáty, polychlorované bifenyly, dioxiny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhlovodíky a pesticidy..

• Biologické získávání minerálů biologickým bělením (například zlata a mědi).
• Výroba biopaliv (ethanol, metan, mimo jiné uhlovodíky) a mikrobiální biomasy.

Reference

1. Kim, MB. (2008). Pokrok v environmentální mikrobiologii. Editor Myung-Bo Kim. str. 275.
2. Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K.S., Buckley, D. H. Stahl, D. A. a Brock, T. (2015). Brockova biologie mikroorganismů. 14 vyd. Benjamin Cummings. str. 1041.
3. Madsen, E. L. (2008). Mikrobiologie životního prostředí: Od genů k biogeochemii. Wiley-Blackwell. 490 stran.
4. McKinney, R. E. (2004). Mikrobiologie kontroly znečištění životního prostředí. M. Dekker. 453.
5. Prescott, L. M. (2002). Mikrobiologie. Páté vydání, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofily jako zdroj nových enzymů. Současné stanovisko v mikrobiologii, 6 (3), 213-218. doi: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, S. C. a Jones, K. C. (1993). Bioremediace půdy kontaminované polynukleárními aromatickými uhlovodíky (PAH): Přehled. Znečištění životního prostředí, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.