МИКРОБНА ЕКОЛОГИЯ: ИСТОРИЯ, ОБЕКТ НА ИЗСЛЕДВАНЕ И ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

В микробната екология е дисциплина на микробиология на околната среда, произтичащи от прилагането на екологични принципи за микробиология (Mikros: малък, BIOS: живот, лога: проучване).

Тази дисциплина изучава многообразието на микроорганизмите (микроскопични едноклетъчни организми от 1 до 30 µm), връзките между тях с останалите живи същества и със средата.

Фигура 1. Водорасли, бактерии и амебоидни протозои, взаимодействащи в необработени водни проби. Източник: CDC / Джанис Хани Кар, на адрес: publicdomainfiles.com

Тъй като микроорганизмите представляват най-голямата сухоземна биомаса, техните екологични дейности и функции оказват дълбоко влияние върху всички екосистеми.

Ранната фотосинтетична активност на цианобактериите и последващото натрупване на кислород (O ₂) в примитивната атмосфера представлява един от най-ясните примери за влияние на микробите в еволюционната история на живота на планетата Земя.

Това, като се има предвид, че наличието на кислород в атмосферата, позволи появата и развитието на всички съществуващи форми на аеробен живот.

Фигура 2. Цианобактерии в спирална форма. Източник: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Микроорганизмите поддържат непрекъсната и основна дейност за живота на Земята. Механизмите, които поддържат микробното разнообразие на биосферата, са в основата на динамиката на сухоземните, водни и въздушни екосистеми.

Като се има предвид неговото значение, евентуалното изчезване на микробните общности (поради замърсяване на техните местообитания с промишлени токсични вещества) би довело до изчезването на екосистемите, зависещи от техните функции.

История на микробната екология

Принципи на екологията

През първата половина на 20 век се развиват принципите на общата екология, като се има предвид изучаването на „висши“ растения и животни в естествената им среда.

След това микроорганизмите и техните екосистемни функции бяха игнорирани, въпреки голямото им значение в екологичната история на планетата, както защото представляват най-голямата сухоземна биомаса, така и защото те са най-старите организми в еволюционната история на живота на Земята.,

По това време само микроорганизмите се считат за разградители, минерализатори на органични вещества и посредници в някои хранителни цикли.

микробиология

Смята се, че учените Луи Пастьор и Робърт Кох са основали дисциплината на микробиологията, като са разработили техниката на аксеновата микробна култура, която съдържа един тип клетки, произхождащ от една клетка.

Фигура 3. Аксенова бактериална култура. Източник: pixabay.com

В аксеновите култури обаче взаимодействията между микробните популации не могат да бъдат изследвани. Необходимо беше да се разработят методи, които да позволят изследването на микробните биологични взаимодействия в техните естествени местообитания (същността на екологичните връзки).

Първите микробиолози, които изследват взаимодействията между микроорганизмите, в почвата и взаимодействията с растенията, бяха Сергей Виноградски и Мартинус Бейеринк, докато по-голямата част се фокусира върху изучаването на аксенови култури на микроорганизми, свързани с болести или ферментационни процеси от търговски интерес.

Winogradsky и Beijerinck изучават по-специално микробните биотрансформации на неорганични азотни и серни съединения в почвата.

Микробна екология

В началото на 60-те години, в ерата на загриженост за качеството на околната среда и замърсяващото въздействие на индустриалните дейности, микробната екология се очертава като дисциплина. Американският учен Томас Д. Брок е първият автор на текст по темата през 1966 г.

Въпреки това, в края на 70-те години микробната екология беше консолидирана като мултидисциплинарна специализирана област, тъй като тя зависи от други научни отрасли, като екология, клетъчна и молекулярна биология, биогеохимия.

Фигура 4. Микробни взаимодействия. Източник: Библиотека за изображения на общественото здраве, на publicdomainfiles.com

Развитието на микробната екология е тясно свързано с методологическия напредък, който позволява изучаване на взаимодействията между микроорганизмите и биотичните и абиотичните фактори на тяхната среда.

През 90-те години методите на молекулярната биология са включени в равномерното проучване in situ на микробната екология, предлагайки възможност за изследване на огромното биоразнообразие, съществуващо в микробния свят, а също и познаване на неговите метаболитни дейности в среда при екстремни условия.

Фигура 5. Микробни взаимодействия. Източник. Джанис Хани Кар, USCDCP, на: pixnio.com

Впоследствие рекомбинантната ДНК технология позволи важен напредък в елиминирането на замърсители от околната среда, както и в контрола на търговски важни вредители.

Методи в микробната екология

Сред методите, които са позволили in situ изследване на микроорганизми и тяхната метаболитна активност, има:

• Конфокална лазерна микроскопия.
• Молекулярни инструменти като флуоресцентни генни сонди, които позволиха изследването на сложни микробни общности.
• Полимеразната верижна реакция или PCR (за съкращението й на английски: Polymerase Chain Reaction).
• Радиоактивни маркери и химични анализи, които позволяват измерване на микробната метаболитна активност, наред с други.

Под-дисциплини

Микробната екология обикновено се разделя на поддисциплини, като например:

• Автоекологията или екологията на генетично свързани популации.
• Екологията на микробните екосистеми, която изучава микробните общности в определена екосистема (сухоземна, въздушна или водна).
• Микробна биогеохимична екология, която изучава биогеохимичните процеси.
• Екология на връзките между гостоприемника и микроорганизмите.
• Микробна екология, прилагана при проблеми със замърсяването на околната среда и във възстановяването на екологичния баланс в интервенционните системи.

Области на проучване

Сред областите на изследване на микробната екология са:

• Микробна еволюция и нейното физиологично разнообразие, като се имат предвид трите области на живота; Бактерии, Аркея и Евкария.
• Реконструкция на микробни филогенетични връзки.
• Количествени измервания на броя, биомасата и активността на микроорганизмите в тяхната среда (включително некултурните).
• Положителни и отрицателни взаимодействия в рамките на микробна популация.
• Взаимодействията между различни микробни популации (неутрализъм, коменсализъм, синергизъм, взаимност, конкуренция, аменсализъм, паразитизъм и хищничество).
• Взаимодействия между микроорганизми и растения: в ризосферата (с азотфиксиращи микроорганизми и микоризни гъби) и в растителните въздушни структури.
• фитопатогени; бактериални, гъбични и вирусни.
• Взаимодействия между микроорганизми и животни (взаимнистична и коменсална чревна симбиоза, хищничество, наред с други).
• Съставът, функционирането и процесите на наследяване в микробните общности.
• Микробни адаптации към екстремни условия на околната среда (проучване на екстремофилни микроорганизми).
• Видовете микробни местообитания (атмосфера-екосфера, хидроекосфера, литоекосфера и екстремни местообитания).
• Биогеохимични цикли, повлияни от микробните общности (цикли на въглерод, водород, кислород, азот, сяра, фосфор, желязо и други).
• Различни биотехнологични приложения при екологични проблеми и от икономически интерес.

Приложения

Микроорганизмите са от съществено значение в глобалните процеси, които позволяват поддържането на околната среда и здравето на хората. В допълнение, те служат за модел при изследване на многобройни взаимодействия между населението (например хищничество).

Разбирането на фундаменталната екология на микроорганизмите и тяхното въздействие върху околната среда даде възможност да се идентифицират биотехнологичните метаболитни способности, приложими в различни области от икономически интерес. Някои от тези области са споменати по-долу:

• Контрол на биоразграждането чрез корозивни биофилми на метални конструкции (като тръбопроводи, контейнери за радиоактивни отпадъци, между другото).
• Контрол на вредители и патогени.
• Възстановяване на земеделски почви, деградирани от прекомерна експлоатация.
• Биообработка на твърди отпадъци в компостиране и депа.
• Биолечение на отпадъчните води чрез системи за пречистване на отпадъчни води (например, използване на обездвижени биофилми).
• Биоремедиация на почви и води, замърсени с неорганични вещества (като тежки метали), или ксенобиотик (токсични синтетични продукти, не генерирани от естествени биосинтетични процеси). Тези ксенобиотични съединения включват халокарбони, нитроароматики, полихлорирани бифенили, диоксини, алкилбензил сулфонати, петролни въглеводороди и пестициди.

Фигура 6. Замърсяване на околната среда с вещества от индустриален произход. Източник: pixabay.com

• Биовъзстановяване на минерали чрез биоизвличане (например злато и мед).
• Производство на биогорива (етанол, метан, наред с други въглеводороди) и микробна биомаса.

Препратки

1. Ким, MB. (2008 г.). Напредък в микробиологията на околната среда. Myung-Bo Kim редактор. стр. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA и Brock, T. (2015). Брок биология на микроорганизмите. 14 изд. Бенджамин Къмингс. стр. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Микробиология на околната среда: от геноми до биогеохимия. Wiley-Blackwell. стр. 490.
4. McKinney, RE (2004). Микробиология за контрол на замърсяването на околната среда. М. Декер. стр. 453.
5. Прескот, LM (2002). Микробиология. Пето издание, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. стр. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Екстремофилите като източник на нови ензими. Настоящо мнение по микробиология, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC и Jones, KC (1993). Биоремедиация на почвата, замърсена с полиядрени ароматни въглеводороди (PAHs): Преглед. Замърсяване на околната среда, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.