MIKROBNA EKOLOGIJA: POVIJEST, PREDMET PROUČAVANJA I PRIMJENE - BIOLOGIJA - 2025

Mikrobna ekologija je disciplina mikrobiologiju okoliša koje proizlaze iz primjene ekoloških načela u mikrobiološkim (mikros: Mala, BIOS-a: život, logotipa: Studija).

Ova disciplina proučava raznolikost mikroorganizama (mikroskopski jednoćelijski organizmi od 1 do 30 µm), odnose među njima sa ostatkom živih bića i sa okolinom.

Slika 1. Alge, bakterije i protozoje amoeboida, koji djeluju u uzorcima neobrađene vode. Izvor: CDC / Janice Haney Carr, na: publicdomainfiles.com

Budući da mikroorganizmi predstavljaju najveću kopnenu biomasu, njihove ekološke aktivnosti i funkcije duboko utječu na sve ekosustave.

Rana fotosintetska aktivnost cijanobakterija i posljedično akumuliranje kisika (O ₂) u ranoj atmosferi predstavlja jedan od najjasnijih primjera utjecaja mikroba u evolucijskoj povijesti života na planeti Zemlji.

To je, s obzirom na to da je prisutnost kisika u atmosferi, omogućila pojavu i evoluciju svih postojećih oblika aerobnog života.

Slika 2. Cijanobakterije u spiralnom obliku. Izvor: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganizmi održavaju kontinuiranu i osnovnu aktivnost za život na Zemlji. Mehanizmi koji održavaju mikrobnu raznolikost biosfere osnova su dinamike kopnenih, vodenih i zračnih ekosustava.

S obzirom na njegovu važnost, moguće izumiranje mikrobnih zajednica (zbog onečišćenja njihovih staništa industrijskim otrovnim tvarima) stvorilo bi nestanak ekosustava ovisno o njihovim funkcijama.

Povijest mikrobne ekologije

Načela ekologije

U prvoj polovici 20. stoljeća razvili su se principi opće ekologije uzimajući u obzir proučavanje „viših“ biljaka i životinja u njihovom prirodnom okruženju.

Mikroorganizmi i njihove funkcije ekosustava tada su zanemareni, unatoč njihovoj važnosti u ekološkoj povijesti planeta, i zato što predstavljaju najveću zemaljsku biomasu, i zato što su najstariji organizmi u evolucijskoj povijesti života na Zemlji.,

U to se vrijeme samo mikroorganizmi smatrali degradatorima, mineralizatorima organske tvari i posrednicima u nekim ciklusima hranjivih tvari.

Mikrobiologija

Smatra se da su znanstvenici Louis Pasteur i Robert Koch utemeljili disciplinu mikrobiologije razvijanjem tehnike aksenične mikrobne kulture koja sadrži jedan tip ćelije, porijeklom iz jedne stanice.

Slika 3. Aksenska bakterijska kultura. Izvor: pixabay.com

Međutim, u aksenskim kulturama interakcije mikrobnih populacija nisu se mogle proučavati. Bilo je potrebno razviti metode koje će omogućiti proučavanje mikrobioloških bioloških interakcija u njihovim prirodnim staništima (suština ekoloških odnosa).

Prvi mikrobiolozi koji su ispitivali interakcije između mikroorganizama, u tlu i interakcije s biljkama, bili su Sergéi Winogradsky i Martinus Beijerinck, dok se većina fokusirala na proučavanje aksenskih kultura mikroorganizama povezanih s bolestima ili fermentacijskim procesima od komercijalnog interesa.

Winogradsky i Beijerinck proučavali su posebno mikrobne biotransformacije anorganskih dušikovih i sumpornih spojeva u tlu.

Mikrobna ekologija

Početkom 1960-ih, u doba brige za kvalitetu okoliša i onečišćavajući utjecaj industrijskih aktivnosti, mikrobna ekologija pojavila se kao disciplina. Američki znanstvenik Thomas D. Brock, bio je prvi autor teksta na tu temu 1966. godine.

Međutim, bilo je to krajem 1970-ih kada se mikrobna ekologija konsolidirala kao specijalizirano multidisciplinarno područje, budući da ovisi o drugim znanstvenim granama, poput ekologije, stanične i molekularne biologije, biogeokemije.

Slika 4. Interakcije mikroba. Izvor: Biblioteka slika javnog zdravlja, na publicdomainfiles.com

Razvoj mikrobne ekologije usko je povezan s metodološkim napretkom koji omogućava proučavanje interakcija između mikroorganizama i biotskih i abiotskih čimbenika njihove okoline.

U 1990-ima, tehnike molekularne biologije ugrađene su u čak in situ studiju mikrobne ekologije, nudeći mogućnost istraživanja ogromne biološke raznolikosti koja postoji u mikrobnom svijetu, kao i poznavanje njegovih metaboličkih aktivnosti u okruženju pod ekstremnim uvjetima.

Slika 5. Interakcije mikroba. Izvor. Janice Haney Carr, USCDCP, na: pixnio.com

Nakon toga, rekombinantna DNA tehnologija omogućila je važan napredak u uklanjanju onečišćujućih tvari iz okoliša, kao i u kontroli komercijalno važnih štetočina.

Metode u mikrobnoj ekologiji

Među metodama koje su omogućile in situ istraživanje mikroorganizama i njihovu metaboličku aktivnost, postoje:

• Konfokalna laserska mikroskopija.
• Molekularni alati poput fluorescentnih genskih sondi koji su omogućili proučavanje složenih mikrobnih zajednica.
• Lančana reakcija polimeraze ili PCR (za akronim na engleskom: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktivni markeri i kemijske analize, koje između ostalog omogućavaju mjerenje metaboličke aktivnosti mikroba.

Pod-discipline

Mikrobna ekologija obično se dijeli na poddiscipline, kao što su:

• Autoekologija ili ekologija genetski srodne populacije.
• Ekologija mikrobnih ekosustava koja proučava mikrobne zajednice u određenom ekosustavu (kopnenom, zračnom ili vodenom).
• Mikrobna biogeokemijska ekologija, koja proučava biogeokemijske procese.
• Ekologija odnosa domaćina i mikroorganizama.
• Mikrobna ekologija primijenjena na probleme onečišćenja okoliša i na vraćanje ekološke ravnoteže u interveniranim sustavima.

Područja proučavanja

Među područjima proučavanja mikrobne ekologije su:

• Evolucija mikroba i njegova fiziološka raznolikost, s obzirom na tri područja života; Bakterije, Arquea i Eucaria.
• Obnova mikrobnih filogenetskih odnosa.
• Kvantitativna mjerenja broja, biomase i aktivnosti mikroorganizama u njihovom okruženju (uključujući nekulturne).
• Pozitivne i negativne interakcije unutar mikrobne populacije.
• Interakcije između različitih mikrobnih populacija (neutralnost, kommensalizam, sinergizam, međusobnost, nadmetanje, amensalizam, parazitizam i grabežljivost).
• Interakcije između mikroorganizama i biljaka: u rizosferi (s mikroorganizmima koji učvršćuju dušik i mikoriznim gljivicama), te u biljnim zračnim strukturama.
• fitopatogenima; bakterijske, gljivične i virusne.
• Interakcije između mikroorganizama i životinja (međusobna i komenzalna crijevna simbioza, predation, među ostalim).
• Sastav, funkcioniranje i procesi sukcesije u mikrobnim zajednicama.
• Prilagođavanje mikrobioma ekstremnim okolišnim uvjetima (proučavanje Ekstremnofilnih mikroorganizama).
• Vrste mikrobnih staništa (atmosfera-ekosfera, hidroekosfera, litoekosfera i ekstremna staništa).
• Biogeokemijski ciklusi pod utjecajem mikrobnih zajednica (ciklusi ugljika, vodika, kisika, dušika, sumpora, fosfora, željeza, među ostalim).
• Razne biotehnološke primjene u ekološkim problemima i od gospodarskog interesa.

Prijave

Mikroorganizmi su bitni u globalnim procesima koji omogućuju održavanje okoliša i zdravlja ljudi. Osim toga, oni služe kao model u proučavanju brojnih interakcija stanovništva (na primjer, predation).

Razumijevanje temeljne ekologije mikroorganizama i njihovog utjecaja na okoliš omogućilo je prepoznavanje biotehnoloških metaboličkih kapaciteta primjenjivih na različita područja od gospodarskog interesa. Neka od ovih područja spominju se u nastavku:

• Kontrola biorazgradnje korozivnim biofilmima metalnih konstrukcija (poput cjevovoda, spremnika radioaktivnog otpada, između ostalog).
• Suzbijanje štetočina i patogena.
• Obnova poljoprivrednih tla degradiranih pretjeranom eksploatacijom.
• Biološka obrada čvrstog otpada na kompostiranju i odlagalištima.
• Biološka obrada otpadnih voda, putem sustava za pročišćavanje otpadnih voda (na primjer, pomoću imobiliziranih biofilma).
• Bioremedijacija tla i voda zagađenih anorganskim tvarima (kao što su teški metali) ili ksenobioticima (toksični sintetički proizvodi, koji se ne stvaraju prirodnim biosintetskim procesima). Ovi ksenobiotski spojevi uključuju halokarbone, nitroaromatiku, poliklorirane bifenile, dioksine, alkilbenzil sulfonate, naftne ugljikovodike i pesticide.

Slika 6. Zagađivanje okoliša tvarima industrijskog podrijetla. Izvor: pixabay.com

• Biootkrivanje minerala biološkim ispiranjem (na primjer, zlato i bakar).
• Proizvodnja biogoriva (etanol, metan, između ostalih ugljikovodika) i mikrobna biomasa.

Reference

1. Kim, MB. (2008). Napredak u mikrobiologiji okoliša. Myung-Bo Kim urednik. pp 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA i Brock, T. (2015). Brock biologija mikroorganizama. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
3. Madsen, EL (2008). Mikrobiologija okoliša: od genoma do biogeohemije. Wiley-Blackwell. pp. 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiološka kontrola onečišćenja okoliša. M. Dekker. pp. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologija. Peto izdanje, McGraw-Hill znanost / inženjerstvo / matematika. pp. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofili kao izvor novih enzima. Trenutno mišljenje iz mikrobiologije, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC i Jones, KC (1993). Bioremedijacija tla zagađenog polinuklearnim aromatskim ugljikovodicima (PAHs): Pregled. Zagađenje okoliša, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.