- A mikrobiológiai ökológia története
- Az ökológia alapelvei
- Mikrobiológia
- Mikrobiális ökológia
- Módszerek a mikrobiológiai ökológiában
- Al-tudományok
- Tanulmányi területek
- Alkalmazások
- Irodalom
A mikrobiális ökológia a környezeti mikrobiológia tudományága, amely az ökológiai alapelveknek a mikrobiológiába történő alkalmazásából származik (mikros: kicsi, bio: élet, logók: tanulmány).
Ez a tudományág megvizsgálja a mikroorganizmusok sokféleségét (mikroszkopikus egysejtű organizmusok 1 és 30 μm között), a kapcsolatokat az élő élőlények többi részével és a környezettel.

1. ábra: Algák, baktériumok és amoeboid protozók kölcsönhatásba lépnek kezeletlen vízmintákban. Forrás: CDC / Janice Haney Carr, a: publicdomainfiles.com oldalon
Mivel a mikroorganizmusok képviselik a legnagyobb szárazföldi biomasszát, ökológiai tevékenységeik és funkcióik mélyen érintik az összes ökoszisztémát.
A cianobaktériumok korai fotoszintézis aktivitása és az ebből következő oxigén (O 2) felhalmozódása a primitív légkörben a mikrobiális hatás egyik legszembetűnőbb példája a Föld bolygó életének evolúciós történetében.
Ez, mivel az oxigén jelenléte a légkörben lehetővé tette az összes létező aerob életforma megjelenését és fejlődését.

2. ábra. Cianobaktériumok spirál alakban. Forrás: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839
A mikroorganizmusok folyamatos és nélkülözhetetlen tevékenységet tartanak fenn a Földön. A szárazföldi, vízi és légi ökoszisztémák dinamikájának alapját a bioszféra mikrobiális sokféleségét fenntartó mechanizmusok képezik.
Figyelembe véve fontosságát, a mikrobiális közösségek esetleges kihalása (mivel élőhelyeiket ipari mérgező anyagokkal szennyezik) a funkciójuktól függő ökoszisztémák eltűnését idézné elő.
A mikrobiológiai ökológia története
Az ökológia alapelvei
A 20. század első felében kidolgozták az általános ökológia alapelveit, figyelembe véve a „magasabb” növényeket és állatokat természetes környezetükben.
A mikroorganizmusokat és ökoszisztéma-funkcióikat ezután figyelmen kívül hagyták, annak nagy jelentősége ellenére a bolygó ökológiai történelemében, mind azért, mert ezek képviselik a legnagyobb földi biomasszát, mind pedig azért, mert ők a Föld életének evolúciós történetében a legrégebbi szervezetek..
Abban az időben csak a mikroorganizmusokat tekintették degradátoroknak, szerves anyagok mineralizálóknak és közvetítőknek bizonyos tápanyag-ciklusokban.
Mikrobiológia
A tudósok, Louis Pasteur és Robert Koch úgy vélik, hogy megalapozták a mikrobiológia tudományágát az axenikus mikrobiális tenyésztési módszer kifejlesztésével, amely egyetlen sejttípust tartalmaz, egyetlen sejtből származik.

3. ábra. Axenikus baktériumtenyészet. Forrás: pixabay.com
Az axenikus tenyészetekben azonban a mikrobiális populációk közötti kölcsönhatásokat nem lehetett vizsgálni. Olyan módszereket kellett kidolgozni, amelyek lehetővé teszik a mikrobiális biológiai kölcsönhatások tanulmányozását természetes élőhelyükön (az ökológiai kapcsolatok lényege).
Az első mikrobiológusok, amelyek a mikroorganizmusok kölcsönhatásait, a talajban és a növényekkel való kölcsönhatásokat vizsgálták, Sergéi Winogradsky és Martinus Beijerinck voltak, míg a többség a betegségekkel vagy a kereskedelem szempontjából fontos erjesztési folyamatokkal kapcsolatos mikroorganizmusok axen kultúrájának vizsgálatára összpontosított.
Winogradsky és Beijerinck különösen a szervetlen nitrogén- és kénvegyületek mikrobiális biotranszformációit vizsgálta a talajban.
Mikrobiális ökológia
Az 1960-as évek elején, a környezeti minőséggel és az ipari tevékenységek szennyező hatásával kapcsolatos korszakban, a mikrobiális ökológia tudományágként jelent meg. Thomas D. Brock amerikai tudós 1966-ban volt az első szerző a témában megfogalmazott szöveg számára.
Ugyanakkor az 1970-es évek végén alakult ki a mikrobiológiai ökológia speciális multidiszciplináris területként, mivel más tudományos ágazatoktól, például ökológiától, sejt- és molekuláris biológiától, a biogeokémiatól függ.

4. ábra. Mikrobiális kölcsönhatások. Forrás: Közegészségügyi Képkönyvtár, a publicdomainfiles.com oldalon
A mikrobiológiai ökológia fejlődése szorosan kapcsolódik a módszertani fejlődéshez, amely lehetővé teszi a mikroorganizmusok és a környezetük biotikus és abiotikus tényezőinek kölcsönhatásainak tanulmányozását.
Az 1990-es években a molekuláris biológiai technikákat beépítették a mikrobiális ökológia egyenletes in situ tanulmányába, lehetőséget nyújtva a mikrobiális világban meglévő hatalmas biodiverzitás feltárására, valamint annak metabolikus aktivitásának megismerésére szélsőséges körülmények között.

5. ábra. Mikrobiális kölcsönhatások. Forrás. Janice Haney Carr, USCDCP, itt: pixnio.com
Ezt követően a rekombináns DNS technológia lehetővé tette a jelentős előrelépéseket a környezeti szennyeződések eltávolításában, valamint a kereskedelemben fontos kártevők elleni küzdelemben.
Módszerek a mikrobiológiai ökológiában
A mikroorganizmusok és metabolikus aktivitásuk in situ vizsgálatát lehetővé tevő módszerek között szerepelnek a következők:
- Konfokális lézermikroszkópia.
- Molekuláris eszközök, például fluoreszcens génpróbák, amelyek lehetővé tették a komplex mikrobiális közösségek tanulmányozását.
- A polimeráz láncreakció vagy PCR (rövidítésként angolul: Polymerase Chain Reaction).
- Radioaktív markerek és kémiai elemzések, amelyek többek között lehetővé teszik a mikrobiális anyagcsere-aktivitás mérését.
Al-tudományok
A mikrobiális ökológiát általában alfegyelemre osztják, például:
- A genetikailag rokon populációk autoekológiája vagy ökológiája.
- A mikrobiális ökoszisztémák ökológiája, amely egy adott ökoszisztéma (szárazföldi, légi vagy vízi) mikrobiális közösségeit vizsgálja.
- Mikrobiális biogeokémiai ökológia, amely a biogeokémiai folyamatokat vizsgálja.
- A gazda és a mikroorganizmusok közötti kapcsolatok ökológiája.
- A mikrobiális ökológia a környezetszennyezés problémáira és az intervenciós rendszerek ökológiai egyensúlyának helyreállítására.
Tanulmányi területek
A mikrobiológiai ökológia vizsgálati területei a következők:
- Mikrobiális evolúció és fiziológiai sokfélesége, figyelembe véve az élet három területét; Baktériumok, Arquea és Eucaria.
- Mikrobiális filogenetikai kapcsolatok rekonstrukciója.
- A környezetükben levő mikroorganizmusok számának, biomasszájának és aktivitásának (beleértve a nem táplálkozhatókat is) mennyiségi mérése.
- Pozitív és negatív kölcsönhatások egy mikrobiális populáción belül.
- A különböző mikrobiális populációk közötti kölcsönhatások (semlegesség, kommenzalizmus, szinergizmus, kölcsönösség, verseny, amenszalizmus, parazitizmus és ragadozás).
- A mikroorganizmusok és a növények közötti kölcsönhatások: a rizoszférában (nitrogént rögzítő mikroorganizmusokkal és mikorrizális gombákkal), valamint a növényi légi struktúrákban.
- fitopatogének; baktériumok, gombák és vírusok.
- A mikroorganizmusok és az állatok kölcsönhatása (a kölcsönös és a commenális bél szimbiózis, többek között a ragadozás).
- A mikrobiális közösségek összetétele, működése és az egymás utáni folyamatok.
- Mikrobiális alkalmazkodás a szélsőséges környezeti feltételekhez (extrémofil mikroorganizmusok vizsgálata).
- A mikrobiális élőhelyek típusai (légkör-ökoszféra, hidroökoszféra, litoökoszféra és extrém élőhelyek).
- A mikrobiális közösségek által befolyásolt biogeokémiai ciklusok (többek között a szén, hidrogén, oxigén, nitrogén, kén, foszfor, vas ciklusai).
- Különféle biotechnológiai alkalmazások környezeti problémákban és gazdasági szempontból fontosak.
Alkalmazások
A mikroorganizmusok nélkülözhetetlenek a globális folyamatokban, amelyek lehetővé teszik a környezet és az emberi egészség fenntartását. Ezenkívül modellként szolgálnak számos populáció kölcsönhatásának (például a ragadozás) tanulmányozásához.
A mikroorganizmusok alapvető ökológiájának és a környezetre gyakorolt hatásának megértése lehetővé tette a biotechnológiai anyagcsere-képesség azonosítását a gazdasági érdek különböző területein. E területek néhányát alább említjük:
- A biológiai lebonthatóság ellenőrzése fémszerkezetek (például csővezetékek, radioaktív hulladék tartályok) korrozív biofilmeivel.
- A kártevők és kórokozók ellenőrzése.
- A túlzott kiaknázással romlott mezőgazdasági talajok helyreállítása.
- A szilárd hulladék biológiai kezelése komposztálás és hulladéklerakók során.
- A szennyvíz biológiai kezelése szennyvízkezelő rendszerek révén (például immobilizált biofilmekkel).
- Szervetlen anyagokkal (például nehézfémekkel) szennyezett talajok és vizek, vagy xenobiotikumokkal (toxikus szintetikus termékek, nem természetes bioszintézis folyamatokkal előállított) bio rehabilitációja. Ezen xenobiotikus vegyületek közé tartoznak a halogén-szénhidrogének, nitro-aromás vegyületek, poliklórozott bifenilek, dioxinok, alkil-benzil-szulfonátok, kőolaj-szénhidrogének és peszticidek.

6. ábra. A környezeti szennyezés ipari eredetű anyagokkal. Forrás: pixabay.com
- Ásványi anyagok (például arany és réz) biológiai kimosódással történő bio-visszanyerése.
- Bioüzemanyagok (etanol, metán, többek között a szénhidrogének) és mikrobiális biomassza előállítása.
Irodalom
- Kim, MB. (2008). Előrelépés a környezeti mikrobiológiában. Myung-Bo Kim szerkesztő. 275. o.
- Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA és Brock, T. (2015). A mikroorganizmusok Brock biológiája. 14 ed. Benjamin Cummings. 1041.
- Madsen, EL (2008). Környezeti mikrobiológia: A genomoktól a biogeokémiaig. Wiley-Blackwell. 490. o.
- McKinney, RE (2004). Környezeti szennyezés ellenőrzése Mikrobiológia M. Dekker. 453. oldal
- Prescott, LM (2002). Mikrobiológia. Ötödik kiadás, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147. o.
- Van den Burg, B. (2003). Extremophiles mint új enzimek forrása. Jelenlegi vélemény a mikrobiológiában, 6. (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
- Wilson, SC és Jones, KC (1993). Polinukleáris aromás szénhidrogénekkel (PAH) szennyezett talaj bio-rehabilitációja: áttekintés. Környezetszennyezés, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.
