МИКРОБНАЯ ЭКОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ, ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

Микробная экология дисциплина экологической микробиологии , вытекающая из применения экологических принципов в микробиологическом (Mikros: маленький, биос: жизнь, логотипы: исследование).

Эта дисциплина изучает разнообразие микроорганизмов (микроскопические одноклеточные организмы размером от 1 до 30 мкм), их взаимоотношения с остальными живыми существами и с окружающей средой.

Рисунок 1. Взаимодействие водорослей, бактерий и амебоидных простейших в необработанных образцах воды. Источник: CDC / Дженис Хейни Карр, по адресу: publicdomainfiles.com

Поскольку микроорганизмы представляют собой самую крупную биомассу суши, их экологическая деятельность и функции глубоко влияют на все экосистемы.

Ранняя фотосинтетическая активность цианобактерий и последующее накопление кислорода (O ₂ ) в ранней атмосфере представляет собой один из ярких примеров микробного влияния в эволюционной истории жизни на планете Земля.

Это, учитывая, что присутствие кислорода в атмосфере, позволило появиться и развиться всем существующим аэробным формам жизни.

Рисунок 2. Цианобактерии в форме спирали. Источник: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Микроорганизмы поддерживают непрерывную и важную деятельность для жизни на Земле. Механизмы, поддерживающие микробное разнообразие биосферы, лежат в основе динамики наземных, водных и воздушных экосистем.

Учитывая его важность, возможное исчезновение микробных сообществ (из-за загрязнения среды их обитания промышленными токсичными веществами) приведет к исчезновению экосистем, зависящих от их функций.

История микробной экологии

Принципы экологии

В первой половине 20 века были разработаны принципы общей экологии с учетом изучения «высших» растений и животных в их естественной среде обитания.

Микроорганизмы и их экосистемные функции тогда игнорировались, несмотря на их большое значение в экологической истории планеты, потому что они представляют самую большую земную биомассу и потому что они являются самыми старыми организмами в эволюционной истории жизни на Земле. ,

В то время только микроорганизмы считались деструкторами, минерализаторами органических веществ и посредниками в некоторых круговоротах питательных веществ.

микробиология

Считается, что ученые Луи Пастер и Роберт Кох основали микробиологическую дисциплину, разработав методику культивирования аксенических микробов, которая содержит один тип клеток, произошедший от одной клетки.

Рисунок 3. Аксеническая бактериальная культура. Источник: pixabay.com

Однако в аксенических культурах взаимодействие между микробными популяциями не могло быть изучено. Необходимо было разработать методы, которые позволили бы изучить микробные биологические взаимодействия в их естественной среде обитания (сущность экологических отношений).

Первыми микробиологами, изучавшими взаимодействие между микроорганизмами в почве и взаимодействие с растениями, были Сергей Виноградский и Мартинус Бейеринк, в то время как большинство из них сосредоточилось на изучении аксенических культур микроорганизмов, связанных с болезнями или процессами ферментации, представляющими коммерческий интерес.

Виноградский и Бейеринк изучали, в частности, микробные биотрансформации неорганических соединений азота и серы в почве.

Микробная экология

В начале 1960-х годов, в эпоху заботы о качестве окружающей среды и влиянии промышленных предприятий на загрязнение, микробная экология стала дисциплиной. Американский ученый Томас Д. Брок был первым автором текста на эту тему в 1966 году.

Однако именно в конце 1970-х годов микробная экология стала специализированной междисциплинарной областью, поскольку она зависит от других научных разделов, таких как экология, клеточная и молекулярная биология, биогеохимия и другие.

Рисунок 4. Микробные взаимодействия. Источник: Библиотека изображений общественного здравоохранения, publicdomainfiles.com

Развитие микробной экологии тесно связано с методическими достижениями, позволяющими изучать взаимодействия между микроорганизмами и биотическими и абиотическими факторами окружающей их среды.

В 1990-х годах методы молекулярной биологии были включены даже в исследования микробной экологии in situ, что дало возможность изучить огромное биоразнообразие, существующее в микробном мире, а также узнать его метаболическую активность в окружающей среде в экстремальных условиях.

Рисунок 5. Микробные взаимодействия. Источник. Дженис Хейни Карр, USCDCP, по адресу: pixnio.com

Впоследствии технология рекомбинантной ДНК позволила добиться значительных успехов в устранении загрязнителей окружающей среды, а также в борьбе с коммерчески важными вредителями.

Методы микробной экологии

Среди методов, которые позволили изучить микроорганизмы и их метаболическую активность in situ, можно выделить:

• Конфокальная лазерная микроскопия.
• Молекулярные инструменты, такие как флуоресцентные генные зонды, которые позволили изучать сложные микробные сообщества.
• Полимеразная цепная реакция или ПЦР (от английского аббревиатуры: полимеразная цепная реакция).
• Радиоактивные маркеры и химические анализы, которые, в частности, позволяют измерять метаболическую активность микробов.

Субдисциплин

Микробная экология обычно подразделяется на следующие дисциплины:

• Аутоэкология или экология генетически родственных популяций.
• Экология микробных экосистем, изучающая микробные сообщества в конкретной экосистеме (наземной, воздушной или водной).
• Микробная биогеохимическая экология, изучающая биогеохимические процессы.
• Экология взаимоотношений хозяина и микроорганизмов.
• Применение микробной экологии к проблемам загрязнения окружающей среды и восстановлению экологического баланса в затронутых системах.

Области исследования

Среди направлений изучения микробной экологии:

• Микробная эволюция и ее физиологическое разнообразие с учетом трех областей жизни; Бактерии, аркеа и эвкария.
• Реконструкция микробных филогенетических взаимоотношений.
• Количественные измерения количества, биомассы и активности микроорганизмов в окружающей их среде (в том числе некультивируемых).
• Положительные и отрицательные взаимодействия внутри микробной популяции.
• Взаимодействие между различными микробными популяциями (нейтрализм, комменсализм, синергизм, мутуализм, конкуренция, аменсализм, паразитизм и хищничество).
• Взаимодействие микроорганизмов с растениями: в ризосфере (с азотфиксирующими микроорганизмами и микоризными грибами) и в надземных структурах растений.
• фитопатогены; бактериальные, грибковые и вирусные.
• Взаимодействия между микроорганизмами и животными (мутуалистический и комменсальный симбиоз кишечника, хищничество и другие).
• Состав, функционирование и процессы сукцессии в микробных сообществах.
• Адаптация микробов к экстремальным условиям окружающей среды (изучение экстремофильных микроорганизмов).
• Типы микробных местообитаний (атмосфера-экосфера, гидроэкосфера, литоэкосфера и экстремальные местообитания).
• Биогеохимические циклы, на которые влияют микробные сообщества (циклы углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора, железа и др.).
• Различные биотехнологические приложения для решения экологических проблем и экономического интереса.

Приложения

Микроорганизмы играют важную роль в глобальных процессах, которые позволяют поддерживать окружающую среду и здоровье человека. Кроме того, они служат моделью при изучении многочисленных взаимодействий между популяциями (например, хищничества).

Понимание фундаментальной экологии микроорганизмов и их воздействия на окружающую среду позволило определить биотехнологические метаболические возможности, применимые к различным областям, представляющим экономический интерес. Некоторые из этих областей упомянуты ниже:

• Контроль биоразложения коррозионных биопленок металлических конструкций (таких как трубопроводы, контейнеры для радиоактивных отходов и др.).
• Борьба с вредителями и патогенами.
• Восстановление сельскохозяйственных почв, деградированных чрезмерной эксплуатацией.
• Биоочистка твердых бытовых отходов при компостировании и свалках.
• Биоочистка сточных вод с помощью систем очистки сточных вод (например, с использованием иммобилизованных биопленок).
• Биовосстановление почв и вод, загрязненных неорганическими веществами (такими как тяжелые металлы) или ксенобиотиками (токсичные синтетические продукты, не образующиеся в результате естественных процессов биосинтеза). Эти ксенобиотические соединения включают галогенуглероды, нитроароматические соединения, полихлорированные бифенилы, диоксины, алкилбензилсульфонаты, нефтяные углеводороды и пестициды.

Рисунок 6. Загрязнение окружающей среды веществами промышленного происхождения. Источник: pixabay.com

• Биологическое извлечение полезных ископаемых путем биовыщелачивания (например, золота и меди).
• Производство биотоплива (этанол, метан и другие углеводороды) и микробной биомассы.

Ссылки

1. Ким, МБ. (2008). Прогресс в экологической микробиологии. Редактор Мен Бо Ким. С. 275.
2. Мэдиган, М.Т., Мартинко, Дж.М., Бендер, К.С., Бакли, Д.Х. Шталь, Д.А. и Брок, Т. (2015). Брок-биология микроорганизмов. 14 изд. Бенджамин Каммингс. С. 1041.
3. Мадсен, Э.Л. (2008). Экологическая микробиология: от геномов до биогеохимии. Wiley-Blackwell. 490 с.
4. МакКинни, Р. Э. (2004). Микробиология контроля загрязнения окружающей среды. М. Деккер. С. 453.
5. Прескотт, LM (2002). Микробиология. Пятое издание, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. С. 1147.
6. Ван ден Бург, Б. (2003). Экстремофилы как источник новых ферментов. Текущее мнение в микробиологии, 6 (3), 213–218. DOI: 10,1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Уилсон, С.К., и Джонс, К.С. (1993). Биоремедиация почвы, загрязненной полиядерными ароматическими углеводородами (ПАУ): обзор. Загрязнение окружающей среды, 81 (3), 229–249. DOI: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.