Microbiële ecologie geschiedenis, object van studie en toepassingen

De microbiële ecologie is een discipline van omgevingsmicrobiologie die voortkomt uit de toepassing van ecologische principes op microbiologie (Mikros: klein, bios: levenslang, logo's: studie).

Deze discipline bestudeert de diversiteit van micro-organismen (microscopisch kleine eencellige organismen van 1 tot 30 µm), de relaties daartussen met de rest van levende wezens en met de omgeving..

Aangezien micro-organismen de grootste terrestrische biomassa vertegenwoordigen, hebben hun ecologische activiteiten en functies een diepgaande invloed op alle ecosystemen..

De vroege fotosynthetische activiteit van cyanobacteriën en de daaruit voortvloeiende ophoping van zuurstof (O_twee) in de primitieve atmosfeer, vertegenwoordigt een van de duidelijkste voorbeelden van microbiële invloed in de evolutionaire geschiedenis van het leven op planeet Aarde.

Dit, aangezien de aanwezigheid van zuurstof in de atmosfeer het ontstaan ​​en de evolutie van alle bestaande aërobe levensvormen mogelijk maakte..

Micro-organismen onderhouden een continue en essentiële activiteit voor het leven op aarde. De mechanismen die de microbiële diversiteit van de biosfeer in stand houden, vormen de basis van de dynamiek van terrestrische, aquatische en luchtecosystemen..

Gezien het belang ervan, zou het mogelijke uitsterven van microbiële gemeenschappen (als gevolg van verontreiniging van hun leefgebieden met industriële toxische stoffen) het verdwijnen van ecosystemen veroorzaken die afhankelijk zijn van hun functies..

Artikel index

• 1 Geschiedenis van microbiële ecologie
  • 1.1 Principes van ecologie
  • 1.2 Microbiologie
  • 1.3 Microbiële ecologie
• 2 Methoden in microbiële ecologie
• 3 Subdisciplines
• 4 studiegebieden
• 5 Toepassingen
• 6 referenties

Geschiedenis van microbiële ecologie

Principes van ecologie

In de eerste helft van de 20e eeuw werden de principes van de algemene ecologie ontwikkeld, rekening houdend met de studie van "hogere" planten en dieren in hun natuurlijke omgeving..

Micro-organismen en hun ecosysteemfuncties werden vervolgens genegeerd, ondanks hun grote belang in de ecologische geschiedenis van de planeet, zowel omdat ze de grootste terrestrische biomassa vertegenwoordigen als omdat ze de oudste organismen zijn in de evolutionaire geschiedenis van het leven op aarde..

Destijds werden alleen micro-organismen beschouwd als afbrekers, mineralisatoren van organische stof en tussenpersonen in sommige nutriëntencycli..

Microbiologie

Aangenomen wordt dat de wetenschappers Louis Pasteur en Robert Koch de discipline van de microbiologie hebben gesticht door de techniek van axenische microbiële cultuur te ontwikkelen, die een enkel celtype bevat, afstammeling van een enkele cel..

In axenische culturen konden de interacties tussen microbiële populaties echter niet worden bestudeerd. Het was noodzakelijk om methoden te ontwikkelen die de studie van microbiële biologische interacties in hun natuurlijke habitats mogelijk zouden maken (essentie van ecologische relaties).

De eerste microbiologen die interacties tussen micro-organismen, in de bodem en interacties met planten onderzochten, waren Sergéi Winogradsky en Martinus Beijerinck, terwijl de meerderheid zich richtte op het bestuderen van axenische culturen van micro-organismen die verband houden met ziekten of fermentatieprocessen van commercieel belang..

Winogradsky en Beijerinck bestudeerden met name de microbiële biotransformaties van anorganische stikstof- en zwavelverbindingen in de bodem..

Microbiële ecologie

In het begin van de jaren zestig, in het tijdperk van zorg voor de kwaliteit van het milieu en de vervuilende impact van industriële activiteiten, kwam microbiële ecologie naar voren als een discipline. De Amerikaanse wetenschapper Thomas D. Brock was de eerste auteur van een tekst over dit onderwerp in 1966.

Het was echter aan het einde van de jaren zeventig toen microbiële ecologie werd geconsolideerd als een multidisciplinair gespecialiseerd gebied, aangezien het afhankelijk is van andere wetenschappelijke takken, zoals ecologie, cellulaire en moleculaire biologie, biogeochemie, onder anderen..

De ontwikkeling van microbiële ecologie hangt nauw samen met methodologische vooruitgang die het mogelijk maakt de interacties tussen micro-organismen en biotische en abiotische factoren in hun omgeving te bestuderen..

In de jaren negentig werden technieken voor moleculaire biologie in de studie opgenomen, waaronder in situ van microbiële ecologie, die de mogelijkheid biedt om de enorme biodiversiteit die in de microbiële wereld bestaat te verkennen en ook de metabolische activiteiten ervan in omgevingen onder extreme omstandigheden te kennen.

Vervolgens maakte recombinant-DNA-technologie belangrijke vorderingen mogelijk bij de eliminatie van milieuverontreinigende stoffen en bij de bestrijding van commercieel belangrijke plaagorganismen..

Methoden in microbiële ecologie

Onder de methoden die de studie mogelijk hebben gemaakt in situ van micro-organismen en hun metabolische activiteit, zijn:

• Confocale lasermicroscopie.
• Moleculaire hulpmiddelen zoals fluorescerende gen-probes, die de studie van complexe microbiële gemeenschappen mogelijk hebben gemaakt.
• Polymerase-kettingreactie (PCR).
• Radioactieve merkers en chemische analyses, waarmee onder meer microbiële metabolische activiteit kan worden gemeten.

Subdisciplines

Microbiële ecologie is meestal onderverdeeld in subdisciplines, zoals:

• De auto-ecologie of ecologie van genetisch verwante populaties.
• De ecologie van microbiële ecosystemen, die de microbiële gemeenschappen in een bepaald ecosysteem bestudeert (terrestrisch, lucht- of aquatisch).
• Microbiële biogeochemische ecologie, die biogeochemische processen bestudeert.
• Ecologie van relaties tussen gastheer en micro-organisme.
• Microbiële ecologie toegepast op problemen met milieuverontreiniging en bij het herstel van het ecologische evenwicht in tussengekomen systemen.

Studiegebieden

Onder de studiegebieden van microbiële ecologie zijn:

• Microbiële evolutie en zijn fysiologische diversiteit, rekening houdend met de drie domeinen van het leven; Bacteriën, Archea en Eucaria.
• Reconstructie van microbiële fylogenetische relaties.
• Kwantitatieve metingen van het aantal, de biomassa en de activiteit van micro-organismen in hun omgeving (inclusief niet-kweekbare).
• Positieve en negatieve interacties binnen een microbiële populatie.
• Interacties tussen verschillende microbiële populaties (neutralisme, commensalisme, synergisme, mutualisme, competitie, amensalisme, parasitisme en predatie).
• Interacties tussen micro-organismen en planten: in de rhizosfeer (met stikstofbindende micro-organismen en mycorrhiza-schimmels) en in luchtstructuren van planten.
• Fytopathogenen; bacterieel, schimmel en viraal.
• Interacties tussen micro-organismen en dieren (onder andere mutualistische en commensale intestinale symbiose, predatie).
• De samenstelling, werking en de processen van opvolging in microbiële gemeenschappen.
• Microbiële aanpassingen aan extreme omgevingsomstandigheden (studie van extremofiele micro-organismen).
• De soorten microbiële habitats (atmosfeer-ecosfeer, hydro-ecosfeer, litho-ecosfeer en extreme habitats).
• Biogeochemische cycli beïnvloed door microbiële gemeenschappen (cycli van onder meer koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel, fosfor, ijzer).
• Diverse biotechnologische toepassingen bij milieuproblemen en van economisch belang.

Toepassingen

Micro-organismen zijn essentieel in de wereldwijde processen die het behoud van de gezondheid van het milieu en de mens mogelijk maken. Bovendien dienen ze als model bij de studie van talrijke populatie-interacties (bijvoorbeeld predatie).

Het begrip van de fundamentele ecologie van micro-organismen en hun effecten op het milieu heeft het mogelijk gemaakt om biotechnologische metabole capaciteiten te identificeren die van toepassing zijn op verschillende gebieden van economisch belang. Enkele van deze gebieden worden hieronder genoemd:

• Beheersing van biologische achteruitgang door corrosieve biofilms van metalen constructies (zoals pijpleidingen, containers voor radioactief afval, enz.).
• Bestrijding van ongedierte en ziekteverwekkers.
• Herstel van landbouwbodems die zijn aangetast door overexploitatie.
• Biologische behandeling van vast afval in compostering en stortplaatsen.
• Biologische behandeling van afvalwater, via afvalwaterzuiveringssystemen (bijvoorbeeld met geïmmobiliseerde biofilms).
• Bioremediatie van bodems en wateren die verontreinigd zijn met anorganische stoffen (zoals zware metalen) of xenobiotica (giftige synthetische producten, niet gegenereerd door natuurlijke biosynthetische processen). Deze xenobiotische verbindingen omvatten halogeenkoolwaterstoffen, nitroaromaten, polychloorbifenylen, dioxines, alkylbenzylsulfonaten, petroleumkoolwaterstoffen en pesticiden..

• Biorecuperatie van mineralen door bioleaching (bijvoorbeeld goud en koper).
• Productie van biobrandstoffen (ethanol, methaan, onder andere koolwaterstoffen) en microbiële biomassa.

Referenties

1. Kim, M-B. (2008). Vooruitgang in milieumicrobiologie. Myung-Bo Kim Editor. blz 275.
2. Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K.S., Buckley, D. H. Stahl, D. A. en Brock, T. (2015). Brockbiologie van micro-organismen. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
3. Madsen, E. L. (2008). Milieumicrobiologie: van genomen tot biogeochemie. Wiley-Blackwell. blz 490.
4. McKinney, R. E. (2004). Milieuverontreiniging Microbiologie. M. Dekker. blz 453.
5. Prescott, L. M. (2002). Microbiologie. Vijfde editie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. pp 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofielen als bron voor nieuwe enzymen. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, S. C., en Jones, K. C. (1993). Bioremediatie van grond die is verontreinigd met polynucleaire aromatische koolwaterstoffen (PAK's): een overzicht. Milieuvervuiling, 81 (3), 229-249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.