MIKROBU EKOLOĢIJA: VĒSTURE, PĒTĪJUMA OBJEKTS UN PIELIETOJUMS - BIOLOĢIJA - 2025

Mikrobu ekoloģiju ir disciplīna vides mikrobioloģijā rodas piemērošanas ekoloģiskajiem principiem mikrobioloģijas (MIKROS: mazs, BIOS: dzīve, logotipus: studiju).

Šajā disciplīnā tiek pētīta mikroorganismu daudzveidība (mikroskopiski vienšūnu organismi no 1 līdz 30 µm), attiecības starp tiem ar pārējām dzīvajām būtnēm un ar vidi.

1. attēls. Aļģes, baktērijas un amoeboid vienšūņi mijiedarbojas neapstrādātos ūdens paraugos. Avots: CDC / Janice Haney Carr, vietnē: publicdomainfiles.com

Tā kā mikroorganismi pārstāv lielāko sauszemes biomasu, to ekoloģiskās aktivitātes un funkcijas dziļi ietekmē visas ekosistēmas.

Cianobaktēriju agrīnā fotosintēzes aktivitāte un no tām izrietošā skābekļa (O ₂ ) uzkrāšanās agrā atmosfērā ir viens no skaidrākajiem mikrobu ietekmes piemēriem Zemes dzīves evolūcijas vēsturē.

Tas, ņemot vērā, ka skābekļa klātbūtne atmosfērā ļāva parādīties un attīstīties visām esošajām aerobo dzīvības formām.

Zilās baktērijas spirāles formā. Avots: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganismi uztur nepārtrauktu un būtisku dzīvības darbību uz Zemes. Mehānismi, kas uztur biosfēras mikrobu daudzveidību, ir sauszemes, ūdens un gaisa ekosistēmu dinamikas pamatā.

Ņemot vērā tā nozīmi, iespējamā mikrobu kopienu izzušana (sakarā ar to dzīvotņu piesārņošanu ar rūpnieciski toksiskām vielām) izraisītu ekosistēmu izzušanu atkarībā no to funkcijām.

Mikrobu ekoloģijas vēsture

Ekoloģijas principi

20. gadsimta pirmajā pusē tika izstrādāti vispārējās ekoloģijas principi, ņemot vērā “augstāku” augu un dzīvnieku izpēti to dabiskajā vidē.

Pēc tam, neraugoties uz to lielo nozīmi planētas ekoloģiskajā vēsturē, mikroorganismi un to ekosistēmu funkcijas tika ignorēti gan tāpēc, ka tie pārstāv lielāko sauszemes biomasu, gan tāpēc, ka tie ir vecākie organismi Zemes dzīves evolūcijas vēsturē. .

Tajā laikā tikai mikroorganismi tika uzskatīti par sadalītājiem, organisko vielu mineralizatoriem un starpniekiem dažos uzturvielu ciklos.

Mikrobioloģija

Tiek uzskatīts, ka zinātnieki Luiss Pasteurs un Roberts Kohs ir nodibinājuši mikrobioloģijas disciplīnu, izstrādājot aksiālo mikrobu kultūras paņēmienu, kurā ir viena šūnas tips, kas cēlies no vienas šūnas.

3. attēls. Aksēnu baktēriju kultūra. Avots: pixabay.com

Tomēr aksiēnajās kultūrās mijiedarbību starp mikrobu populācijām nevarēja izpētīt. Bija jāizstrādā metodes, kas ļautu izpētīt mikrobu bioloģisko mijiedarbību to dabiskajos biotopos (ekoloģisko attiecību būtība).

Pirmie mikrobiologi, kas pārbaudīja mikroorganismu mijiedarbību augsnē un mijiedarbību ar augiem, bija Sergéi Winogradsky un Martinus Beijerinck, savukārt vairākums koncentrējās uz mikroorganismu aksiālo kultūru izpēti, kas saistītas ar slimībām vai fermentācijas procesiem komerciālos nolūkos.

Winogradsky un Beijerinck īpaši pētīja neorganisko slāpekļa un sēra savienojumu mikrobu biotransformācijas augsnē.

Mikrobu ekoloģija

Sešdesmito gadu sākumā, rūpējoties par vides kvalitāti un rūpnieciskās darbības piesārņojošo iedarbību, mikrobioloģiskā ekoloģija parādījās kā disciplīna. Amerikāņu zinātnieks Tomass D. Broks bija pirmais teksta par šo tēmu autors 1966. gadā.

Tomēr tas notika 70. gadu beigās, kad mikrobu ekoloģija tika konsolidēta kā daudznozaru specializēta joma, jo tā ir atkarīga no citām zinātnes nozarēm, piemēram, ekoloģijas, šūnu un molekulārās bioloģijas, bioģeoķīmijas.

4. attēls. Mikrobu mijiedarbība. Avots: Sabiedrības veselības attēlu bibliotēka vietnē publicdomainfiles.com

Mikrobu ekoloģijas attīstība ir cieši saistīta ar metodiskajiem sasniegumiem, kas ļauj izpētīt mijiedarbību starp mikroorganismiem un to vides biotiskajiem un abiotiskajiem faktoriem.

Deviņdesmitajos gados molekulārās bioloģijas metodes tika iekļautas mikrobu ekoloģijas pat in situ izpētē, piedāvājot iespēju izpētīt milzīgo bioloģisko daudzveidību, kas pastāv mikrobu pasaulē, kā arī zināt tās metabolisma aktivitātes vidē ekstremālos apstākļos.

5. attēls. Mikrobu mijiedarbība. Avots. Janice Haney Carr, USCDCP, vietnē: pixnio.com

Pēc tam rekombinantās DNS tehnoloģija ļāva panākt nozīmīgu progresu vides piesārņotāju likvidēšanā, kā arī komerciāli nozīmīgu kaitēkļu apkarošanā.

Metodes mikrobu ekoloģijā

Starp metodēm, kas ļāva veikt mikroorganismu un to metaboliskās aktivitātes in situ izpēti, ir:

• Konfokālā lāzera mikroskopija.
• Molekulārie rīki, piemēram, fluorescējošās gēnu zondes, kas ļāva izpētīt sarežģītas mikrobu kopienas.
• Polimerāzes ķēdes reakcija vai PCR (tā akronīms angļu valodā: Polymerāzes ķēdes reakcija).
• Radioaktīvie marķieri un ķīmiskās analīzes, kas cita starpā ļauj noteikt mikrobu metabolisma aktivitāti.

Apakšdisciplīnas

Mikrobu ekoloģija parasti tiek sadalīta apakšdisciplīnās, piemēram:

• Ģenētiski saistītu populāciju autoekoloģija vai ekoloģija.
• Mikrobu ekosistēmu ekoloģija, kas pēta mikrobu kopienas noteiktā ekosistēmā (sauszemes, gaisa vai ūdens).
• Mikrobu bioģeoķīmiskā ekoloģija, kas pēta bioģeoķīmiskos procesus.
• Saimnieka un mikroorganismu attiecību ekoloģija.
• Mikrobu ekoloģija, kas tiek piemērota vides piesārņojuma problēmām un ekoloģiskā līdzsvara atjaunošanai iejaukšanās sistēmās.

Studiju virzieni

Starp mikrobu ekoloģijas izpētes jomām ietilpst:

• Mikrobu evolūcija un tās fizioloģiskā daudzveidība, ņemot vērā trīs dzīves jomas; Baktērijas, Arquea un Eucaria.
• Mikrobu filoģenētisko attiecību rekonstrukcija.
• Kvantitatīvie mikroorganismu skaita, biomasas un aktivitātes mērījumi to vidē (ieskaitot neuzturamos).
• Pozitīva un negatīva mijiedarbība mikrobu populācijā.
• Dažādu mikrobu populāciju mijiedarbība (neitrālisms, kommensālisms, sinerģisms, savstarpēja sadarbība, konkurence, amensālisms, parazitisms un plēsēji).
• Mijiedarbība starp mikroorganismiem un augiem: rizosfērā (ar slāpekli fiksējošiem mikroorganismiem un mikorizas sēnēm) un augu antenu struktūrās.
• Fitopatogēni; baktēriju, sēnīšu un vīrusu.
• Mijiedarbība starp mikroorganismiem un dzīvniekiem (savstarpēja un kommensāla zarnu simbioze, plēsonība, cita starpā).
• Sastāvs, darbība un pēctecības procesi mikrobu kopienās.
• Mikrobu adaptācija ekstrēmiem vides apstākļiem (Extremophilic mikroorganismu izpēte).
• Mikrobu dzīvotņu veidi (atmosfēras ekosfēra, hidroekosfēra, litoekosfēra un ekstremālie biotopi).
• Bioģeoķīmiskie cikli, kurus ietekmē mikrobu kopienas (cita starpā oglekļa, ūdeņraža, skābekļa, slāpekļa, sēra, fosfora, dzelzs cikli).
• Dažādi biotehnoloģiju pielietojumi vides problēmās un ekonomiskās interesēs.

Lietojumprogrammas

Mikroorganismi ir nozīmīgi globālajos procesos, kas ļauj uzturēt vidi un cilvēku veselību. Turklāt tie kalpo par paraugu daudzu iedzīvotāju mijiedarbību (piemēram, plēsēju) izpētē.

Izpratne par mikroorganismu pamata ekoloģiju un to ietekmi uz vidi ļāva identificēt biotehnoloģiskās metabolisma spējas, kas piemērojamas dažādām ekonomiskās intereses jomām. Dažas no šīm jomām ir minētas zemāk:

• Biodegradācijas kontrole ar korozīvu metāla konstrukciju (piemēram, cauruļvadu, radioaktīvo atkritumu konteineru) bioplēvēm.
• Kaitēkļu un patogēnu kontrole.
• Lauksaimniecības augsnes atjaunošana, kas noārdīta pārmērīgas izmantošanas rezultātā.
• Cieto atkritumu bioloģiskā apstrāde kompostēšanā un poligonos.
• Notekūdeņu bioloģiskā attīrīšana, izmantojot notekūdeņu attīrīšanas sistēmas (piemēram, izmantojot imobilizētas bioplēves).
• Ar neorganiskām vielām (piemēram, smagajiem metāliem) vai ksenobiotiskiem līdzekļiem (toksiski sintētiski produkti, kas nav radušies dabiskos biosintēzes procesos) piesārņotu augsņu un ūdeņu biorehabilitācija. Šie ksenobiotiskie savienojumi ietver halogēnogļūdeņražus, nitroaromātiskos savienojumus, polihlorbifenilus, dioksīnus, alkilbenzilsulfonātus, naftas ogļūdeņražus un pesticīdus.

6. attēls. Vides piesārņojums ar rūpnieciskas izcelsmes vielām. Avots: pixabay.com

• Minerālu bioreģenerācija, izmantojot bioloģisko izskalošanos (piemēram, zelts un varš).
• Biodegvielu (etanola, metāna, starp citiem ogļūdeņražiem) un mikrobu biomasas ražošana.

Atsauces

1. Kima, MB. (2008). Vides mikrobioloģijas progress. Myung-Bo Kim redaktors. 275. lpp.
2. Madigans, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA un Brock, T. (2015). Broka mikroorganismu bioloģija. 14 ed. Bendžamins Cummings. 1041 lpp.
3. Madsens, EL (2008). Vides mikrobioloģija: no genomiem līdz bioģeoķīmijai. Vailijs-Blekvels. 490. lpp.
4. Makkinijs, RE (2004). Vides piesārņojuma kontroles mikrobioloģija. M. Dekkers. 453. lpp.
5. Preskots, LM (2002). Mikrobioloģija. Piektais izdevums, McGraw-Hill Science / Engineering / Matemātika. 1147. lpp.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofili kā jaunu enzīmu avots. Pašreizējais atzinums mikrobioloģijā, 6. (3), 213. – 218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Vilsons, SC un Džounss, KC (1993). Ar daudzkārtņu aromātiskajiem ogļūdeņražiem (PAH) piesārņotās augsnes biorehabilitācija: pārskats. Vides piesārņojums, 81 (3), 229. – 249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.