MIKROBIÁLIS ÖKOLÓGIA: TÖRTÉNELEM, A TANULMÁNY TÁRGYA ÉS AZ ALKALMAZÁSOK - BIOLÓGIA - 2026

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

1. Kim, MB. (2008). Előrelépés a környezeti mikrobiológiában. Myung-Bo Kim szerkesztő. 275. o.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA és Brock, T. (2015). A mikroorganizmusok Brock biológiája. 14 ed. Benjamin Cummings. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Környezeti mikrobiológia: A genomoktól a biogeokémiaig. Wiley-Blackwell. 490. o.
4. McKinney, RE (2004). Környezeti szennyezés ellenőrzése Mikrobiológia M. Dekker. 453. oldal
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiológia. Ötödik kiadás, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. 1147. o.
6. 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.
7. 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.