Ιστορία της μικροβιακής οικολογίας, αντικείμενο μελέτης και εφαρμογές

Το μικροβιακή οικολογία είναι μια πειθαρχία της περιβαλλοντικής μικροβιολογίας που προκύπτει από την εφαρμογή οικολογικών αρχών στη μικροβιολογία (mikros: μικρό, bios: ζωή, λογότυπα: μελέτη).

Αυτή η πειθαρχία μελετά την ποικιλομορφία των μικροοργανισμών (μικροσκοπικοί μονοκύτταροι οργανισμοί από 1 έως 30 μm), τις σχέσεις τους με τα υπόλοιπα ζωντανά όντα και με το περιβάλλον.

Δεδομένου ότι οι μικροοργανισμοί αντιπροσωπεύουν τη μεγαλύτερη χερσαία βιομάζα, οι δραστηριότητές τους και οι οικολογικές λειτουργίες επηρεάζουν βαθιά όλα τα οικοσυστήματα.

Η πρώιμη φωτοσυνθετική δράση των κυανοβακτηρίων και η επακόλουθη συσσώρευση οξυγόνου (Ο₂) στην πρωτόγονη ατμόσφαιρα, αντιπροσωπεύει ένα από τα καθαρότερα παραδείγματα μικροβιακής επιρροής στην εξελικτική ιστορία της ζωής στον πλανήτη Γη.

Αυτό, δεδομένου ότι η παρουσία οξυγόνου στην ατμόσφαιρα, επέτρεψε την εμφάνιση και την εξέλιξη όλων των υπαρχουσών αερόβιων μορφών ζωής.

Οι μικροοργανισμοί διατηρούν μια συνεχή και ουσιαστική δραστηριότητα για τη ζωή στη Γη. Οι μηχανισμοί που διατηρούν τη μικροβιακή ποικιλομορφία της βιόσφαιρας αποτελούν τη βάση της δυναμικής των χερσαίων, υδάτινων και εναέριων οικοσυστημάτων.

Δεδομένης της σημασίας της, η πιθανή εξαφάνιση των μικροβιακών κοινοτήτων (λόγω μόλυνσης των οικοτόπων τους με βιομηχανικές τοξικές ουσίες) θα προκαλούσε την εξαφάνιση οικοσυστημάτων που εξαρτώνταν από τις λειτουργίες τους.

Ευρετήριο

• 1 Ιστορία της μικροβιακής οικολογίας
  • 1.1 Αρχές οικολογίας
  • 1.2 Μικροβιολογία
  • 1.3 Μικροβιακή οικολογία
• 2 Μέθοδοι στην μικροβιακή οικολογία
• 3 Υπο-πειθαρχίες
• 4 Τομείς σπουδών
• 5 Εφαρμογές
• 6 Αναφορές

Ιστορία της μικροβιακής οικολογίας

Αρχές οικολογίας

Το πρώτο μισό του 20ου αιώνα αναπτύχθηκαν οι αρχές της γενικής οικολογίας, λαμβάνοντας υπόψη τη μελέτη των "ανώτερων" φυτών και των ζώων στο φυσικό τους περιβάλλον.

Είναι τότε προφανές μικροοργανισμών και των λειτουργιών των οικοσυστημάτων τους, παρά τη μεγάλη σημασία της στην οικολογική ιστορία του πλανήτη, αντιπροσωπεύοντας έτσι το μεγαλύτερο επίγειο βιομάζας, όπως είναι οι φορείς παλαιότερα στην εξελικτική ιστορία της ζωής πάνω στη Γη.

Εκείνη την εποχή, μόνο μικροοργανισμοί θεωρήθηκαν ως αποικοδομητές, ανοργανοποιητές οργανικής ύλης και ενδιάμεσοι σε ορισμένους κύκλους θρεπτικών ουσιών.

Μικροβιολογία

Θεωρείται ότι οι επιστήμονες Λουί Παστέρ και Robert Koch ίδρυσε την πειθαρχία της μικροβιολογίας, να αναπτύξει την τεχνική της αξενικής μικροβιακής καλλιέργειας, το οποίο περιέχει ένα μόνο τύπο κυττάρου, καταγόταν από ένα μόνο κύτταρο.

Ωστόσο, στις αξενικές καλλιέργειες, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροβιακών πληθυσμών δεν μπορούσαν να μελετηθούν. Ήταν απαραίτητη η ανάπτυξη μεθόδων που επέτρεψαν τη μελέτη των μικροβιακών βιολογικών αλληλεπιδράσεων στους φυσικούς τους οικοτόπους (ουσία των οικολογικών σχέσεων).

Οι πρώτες μικροβιολόγοι να εξετάσει τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροοργανισμών στις αλληλεπιδράσεις του εδάφους και των φυτών ήταν Σεργκέι Winogradsky και Martinus Beijerinck, ενώ οι περισσότεροι επικεντρώθηκε στην μελέτη ασθενειών που σχετίζονται αξενική ή διεργασίες ζύμωσης των μικροοργανισμών εμπορικού ενδιαφέροντος.

Οι Winogradsky και Beijerinck μελέτησαν ειδικότερα τους μικροβιακούς βιομετασχηματισμούς ανόργανων αζωτούχων και θειούχων ενώσεων στο έδαφος.

Μικροβιακή οικολογία

Στις αρχές της δεκαετίας του '60, στην εποχή της ανησυχίας για την ποιότητα του περιβάλλοντος και τη μολυσματική επίδραση των βιομηχανικών δραστηριοτήτων, η μικροβιακή οικολογία εμφανίστηκε ως πειθαρχία. Ο Αμερικανός επιστήμονας Thomas D. Brock, ήταν ο πρώτος συγγραφέας ενός κειμένου για το θέμα το 1966.

Ωστόσο, ήταν στα τέλη της δεκαετίας του 1970, όταν μικροβιακή οικολογία ως διεπιστημονική εξειδικευμένο τομέα ενοποιούνται, δεδομένου ότι εξαρτάται από άλλους κλάδους της επιστήμης, όπως η οικολογία, κυτταρική και μοριακή βιολογία, βιογεωχημικές, μεταξύ άλλων,.

Η ανάπτυξη της μικροβιακής οικολογίας συνδέεται στενά με τις μεθοδολογικές εξελίξεις που μας επιτρέπουν να μελετήσουμε τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροοργανισμών και των βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων του περιβάλλοντος τους.

Στη δεκαετία του 1990 ενσωματώθηκαν στη μελέτη οι τεχνικές της μοριακής βιολογίας επί τόπου της μικροβιακής οικολογίας, προσφέροντας τη δυνατότητα εξερεύνησης της τεράστιας βιοποικιλότητας που υπάρχει στον μικροβιακό κόσμο και γνωρίζοντας επίσης τις μεταβολικές της δραστηριότητες σε περιβάλλοντα κάτω από ακραίες συνθήκες.

Στη συνέχεια, η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου ϋΝΑ επέτρεψε σημαντικές προόδους στην εξάλειψη των περιβαλλοντικών μολυσματικών ουσιών, καθώς και στον έλεγχο παρασίτων εμπορικής σημασίας.

Μέθοδοι στην μικροβιακή οικολογία

Μεταξύ των μεθόδων που επέτρεψαν τη μελέτη επί τόπου των μικροοργανισμών και της μεταβολικής δραστηριότητάς τους είναι:

• Συνομοσπονδιακή μικροσκοπία με λέιζερ.
• Μοριακά εργαλεία όπως ανιχνευτές φθορίζοντος γονιδίου, οι οποίοι επέτρεψαν τη μελέτη σύνθετων μικροβιακών κοινοτήτων.
• Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης ή η PCR (για το ακρωνύμιό της στην Αγγλική: Αντίδραση Αλυσίδας Πολυμεράσης).
• Ραδιενεργός δείκτες και χημικές αναλύσεις, οι οποίες επιτρέπουν τη μέτρηση της μεταβολικής δραστηριότητας του μικροβίου, μεταξύ άλλων.

Υποκατηγορίες

Η μικροβιακή οικολογία χωρίζεται συχνά σε υπο-κλάδους, όπως:

• Η αυτοεκλογία ή η οικολογία γενετικά σχετικών πληθυσμών.
• Η οικολογία των μικροβιακών οικοσυστημάτων, που μελετά τις μικροβιακές κοινότητες σε ένα συγκεκριμένο οικοσύστημα (επίγεια, εναέρια ή υδάτινα).
• Η μικροβιακή βιογεωχημική οικολογία, η οποία μελετά τις βιογεωχημικές διεργασίες.
• Οικολογία των σχέσεων μεταξύ του ξενιστή και των μικροοργανισμών.
• Η μικροβιακή οικολογία εφαρμόζεται σε προβλήματα περιβαλλοντικής μόλυνσης και στην αποκατάσταση της οικολογικής ισορροπίας στα παρεμβαλλόμενα συστήματα.

Περιοχές μελέτης

Μεταξύ των περιοχών μελέτης της μικροβιακής οικολογίας, είναι:

• Η μικροβιακή εξέλιξη και η φυσιολογική ποικιλομορφία της, λαμβάνοντας υπόψη τους τρεις τομείς της ζωής. Βακτήρια, Αρχαία και Ευκαρία.
• Η ανακατασκευή των μικροβιακών φυλογενετικών σχέσεων.
• Ποσοτικές μετρήσεις του αριθμού, της βιομάζας και της δραστηριότητας των μικροοργανισμών στο περιβάλλον τους (συμπεριλαμβανομένων των μη καλλιεργούμενων).
• Θετικές και αρνητικές αλληλεπιδράσεις εντός ενός μικροβιακού πληθυσμού.
• Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφόρων μικροβιακών πληθυσμών (ουδετερότητα, συναισθηματικότητα, συνεργία, αμοιβαίο πνεύμα, ανταγωνισμός, αμνησία, παρασιτισμός και θήρευση).
• Αλληλεπιδράσεις μεταξύ μικροοργανισμών και φυτών: στη ριζόσφαιρα (με μικροοργανισμούς που καθορίζουν το άζωτο και μυκορριζικούς μύκητες) και στις εναέριες δομές των φυτών.
• Τα φυτοπαθογόνα. βακτηριακά, μυκητιακά και ιικά.
• Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μικροοργανισμών και των ζώων (αμοιβαία και συνηθισμένη εντερική συμβίωση, θήρευση, μεταξύ άλλων).
• Η σύνθεση, η λειτουργία και οι διαδοχικές διεργασίες σε μικροβιακές κοινότητες.
• Μικροβιακές προσαρμογές σε ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες (μελέτη ακτινοφιλικών μικροοργανισμών).
• Τα είδη των μικροβιακών ενδιαιτημάτων (ατμο-οικοσφαίρια, υδρο-οικοσφαίρια, λιθο-οικοσφαίρια και ακραίες οικοτόποι).
• Οι βιογεωχημικοί κύκλοι επηρεάζονται από τις μικροβιακές κοινότητες (κύκλοι άνθρακα, υδρογόνο, οξυγόνο, άζωτο, θείο, φώσφορος, σίδηρος, μεταξύ άλλων).
• Διάφορες βιοτεχνολογικές εφαρμογές σε περιβαλλοντικά και οικονομικά συμφέροντα.

Εφαρμογές

Οι μικροοργανισμοί είναι απαραίτητοι σε παγκόσμιες διαδικασίες που επιτρέπουν τη διατήρηση της περιβαλλοντικής και ανθρώπινης υγείας. Επιπλέον, χρησιμεύουν ως μοντέλο στη μελέτη πολυάριθμων πληθυσμιακών αλληλεπιδράσεων (π.χ. θήρευση).

Η κατανόηση της θεμελιώδους οικολογίας των μικροοργανισμών και των επιπτώσεών τους στο περιβάλλον επέτρεψε να προσδιοριστούν οι βιοτεχνολογικές μεταβολικές ικανότητες που ισχύουν σε διαφορετικές περιοχές οικονομικού ενδιαφέροντος. Ορισμένες από αυτές τις περιοχές αναφέρονται παρακάτω:

• Έλεγχος της βιοαπόφραξης από διαβρωτικές βιοφίλμ των μεταλλικών κατασκευών (όπως οι αγωγοί, οι περιέκτες ραδιενεργών αποβλήτων, μεταξύ άλλων).
• Έλεγχος παρασίτων και παθογόνων παραγόντων.
• Αποκατάσταση των γεωργικών εδαφών που υποβαθμίζονται από την υπερβολική εκμετάλλευση.
• Βιοκατεργασία στερεών αποβλήτων σε λιπασματοποίηση και χώρους υγειονομικής ταφής.
• Βιολογική επεξεργασία των αποβλήτων, μέσω συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων (για παράδειγμα μέσω ακινητοποιημένων βιοφίλμ).
• Βιοαποκατάσταση εδαφών μολυσμένων με ξενοβιοτικά και ανόργανες ουσίες (όπως βαρέα μέταλλα), ή (τοξικά συνθετικά προϊόντα που δεν παράγονται από φυσικές βιοσυνθετικές διαδικασίες) νερό. Μεταξύ αυτών των ξενοβιοτικών ενώσεων είναι αλογονάνθρακες, νιτροαρωματικές, πολυχλωριωμένα διφαινύλια, διοξίνες, alquilbencílicos σουλφονικά, υδρογονάνθρακες πετρελαίου και τα φυτοφάρμακα.

• Βιοαποικοδόμηση ορυκτών μέσω βιοαποικοδομήσεως (για παράδειγμα χρυσού και χαλκού).
• Παραγωγή βιοκαυσίμων (αιθανόλη, μεθάνιο, μεταξύ άλλων υδρογονανθράκων) και μικροβιακή βιομάζα.

Αναφορές

1. Κιμ, Μ-Β. (2008). Πρόοδος στην περιβαλλοντική μικροβιολογία. Myung-Bo Kim Editor. σ. 275.
2. Madigan, Μ.Τ., Martinko, J. Μ., Bender, Κ. S., Buckley, D. Η. Stahl, D. Α. And Brock, Τ. (2015). Brock βιολογία μικροοργανισμών. 14 ed. Benjamin Cummings. σ. 1041.
3. Madsen, Ε. L. (2008). Περιβαλλοντική Μικροβιολογία: Από Γονιδώματα έως Βιογεωχημεία. Wiley-Blackwell. σ. 490.
4. McKinney, R. Ε. (2004). Μικροβιολογία ελέγχου της ρύπανσης του περιβάλλοντος. M. Dekker σ. 453.
5. Prescott, L. Μ. (2002). Μικροβιολογία Πέμπτη έκδοση, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. σ. 1147.
6. Van den Burg, Β. (2003). Οι εξωμόφιλοι ως πηγή νέων ενζύμων. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060 - 2.
7. Wilson, S.C., and Jones, Κ.Ο. (1993). Βιοαποικοδόμηση εδάφους που έχει μολυνθεί από πολυνυρηνικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες (PAH): Ανασκόπηση. Περιβαλλοντική Ρύπανση, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.