ECOLOGIA MICROBIANĂ: ISTORIC, OBIECT DE STUDIU ȘI APLICAȚII - BIOLOGIE - 2025

Ecologia microbiană este o disciplină de microbiologie de mediu care rezultă din aplicarea principiilor ecologice la microbiologie (Mikros: mici, bios: viata, logo - uri: studiu).

Această disciplină studiază diversitatea microorganismelor (microorganisme microscopice unicelulare de la 1 la 30 um), relațiile dintre ele cu restul ființelor vii și cu mediul.

Figura 1. Alge, bacterii și protozoare amoeboide care interacționează în probe de apă netratate. Sursa: CDC / Janice Haney Carr, la: publicdomainfiles.com

Întrucât microorganismele reprezintă cea mai mare biomasă terestră, activitățile și funcțiile lor ecologice afectează profund toate ecosistemele.

Activitatea fotosintetică timpurie a cianobacteriilor și acumularea ulterioară a oxigenului (O ₂ ) în atmosfera primitivă reprezintă unul dintre cele mai clare exemple de influență microbiană în istoria evolutivă a vieții pe planeta Pământ.

Acest lucru, având în vedere că prezența oxigenului în atmosferă, a permis apariția și evoluția tuturor formelor de viață aerobă existente.

Figura 2. Cianobacteriile în formă de spirală. Sursa: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Microorganismele mențin o activitate continuă și esențială pentru viața de pe Pământ. Mecanismele care mențin diversitatea microbiană a biosferei stau la baza dinamicii ecosistemelor terestre, acvatice și aeriene.

Având în vedere importanța sa, posibila dispariție a comunităților microbiene (din cauza contaminării habitatelor lor cu substanțe toxice industriale), ar genera dispariția ecosistemelor dependente de funcțiile lor.

Istoria ecologiei microbiene

Principiile ecologiei

În prima jumătate a secolului XX, principiile ecologiei generale au fost dezvoltate, având în vedere studiul plantelor și animalelor „superioare” în mediul lor natural.

Microorganismele și funcțiile ecosistemului lor au fost apoi ignorate, în ciuda importanței lor deosebite în istoria ecologică a planetei, atât pentru că reprezintă cea mai mare biomasă terestră, cât și pentru că sunt cele mai vechi organisme din istoria evoluției vieții de pe Pământ. .

La acel moment, numai microorganismele erau considerate degradante, mineralizatoare ale materiei organice și intermediari în unele cicluri de nutrienți.

Microbiologie

Oamenii de știință Louis Pasteur și Robert Koch sunt considerați că au fondat disciplina microbiologiei prin dezvoltarea tehnicii culturii microbiene axenice, care conține un singur tip de celule, descendent dintr-o singură celulă.

Figura 3. Cultura bacteriană axenică. Sursa: pixabay.com

Cu toate acestea, în culturile axenice, interacțiunile dintre populațiile microbiene nu au putut fi studiate. A fost necesară dezvoltarea unor metode care să permită studiul interacțiunilor biologice microbiene în habitatele lor naturale (esența relațiilor ecologice).

Primii microbiologi care au examinat interacțiunile dintre microorganisme, în sol și interacțiunile cu plantele, au fost Sergéi Winogradsky și Martinus Beijerinck, în timp ce majoritatea s-a concentrat pe studierea culturilor axenice de microorganisme legate de boli sau procese de fermentare de interes comercial.

Winogradsky și Beijerinck au studiat în special biotransformările microbiene ale azotului anorganic și ale compușilor cu sulf din sol.

Ecologie microbiană

La începutul anilor 1960, în era preocupării pentru calitatea mediului și impactul poluant al activităților industriale, ecologia microbiană a apărut ca o disciplină. Savantul american Thomas D. Brock, a fost primul autor al unui text pe această temă în 1966.

Cu toate acestea, a fost la sfârșitul anilor '70 când ecologia microbiană a fost consolidată ca o arie multidisciplinară specializată, deoarece depinde de alte ramuri științifice, precum ecologia, biologia celulară și moleculară, biogeochemia, printre altele.

Figura 4. Interacțiunile microbiene. Sursa: Public Health Image Library, la publicdomainfiles.com

Dezvoltarea ecologiei microbiene este strâns legată de progresele metodologice care permit studierea interacțiunilor dintre microorganisme și factorii biotici și abiotici ai mediului lor.

În anii 90, tehnicile de biologie moleculară au fost încorporate în studiul uniform in situ al ecologiei microbiene, oferind posibilitatea de a explora marea biodiversitate existentă în lumea microbiană și, de asemenea, cunoașterea activităților metabolice ale acesteia în medii în condiții extreme.

Figura 5. Interacțiunile microbiene. Sursă. Janice Haney Carr, USCDCP, la: pixnio.com

Ulterior, tehnologia ADN recombinantă a permis progrese importante în eliminarea contaminanților din mediu, precum și în controlul dăunătorilor importanți din punct de vedere comercial.

Metode în ecologia microbiană

Printre metodele care au permis studiul in situ al microorganismelor și al activității lor metabolice, se numără:

• Microscopie confocală cu laser.
• Instrumente moleculare precum sondele genice fluorescente, care au permis studiul comunităților microbiene complexe.
• Reacția în lanț a polimerazei sau PCR (pentru acronimul său în engleză: Polymerase Chain Reaction).
• Markeri radioactivi și analize chimice, care permit măsurarea activității metabolice microbiene, printre altele.

Sub-discipline

Ecologia microbiană este de obicei împărțită în subdiscipline, cum ar fi:

• Autoecologia sau ecologia populațiilor asociate genetic.
• Ecologia ecosistemelor microbiene, care studiază comunitățile microbiene dintr-un anumit ecosistem (terestru, aerian sau acvatic).
• Ecologie biogeochimică microbiană, care studiază procese biogeochimice.
• Ecologia relațiilor dintre gazdă și microorganisme.
• Ecologia microbiană aplicată problemelor de contaminare a mediului și restabilirea echilibrului ecologic în sistemele intervenite.

Domenii de studiu

Printre domeniile de studiu ale ecologiei microbiene se numără:

• Evoluția microbiană și diversitatea sa fiziologică, având în vedere cele trei domenii ale vieții; Bacterii, Arquea și Eucaria.
• Reconstrucția relațiilor filogenetice microbiene.
• Măsurări cantitative ale numărului, biomasei și activității microorganismelor din mediul lor (inclusiv a celor care nu sunt cultivabile).
• Interacțiuni pozitive și negative în cadrul unei populații microbiene.
• Interacțiunile dintre diferite populații microbiene (neutralism, comensalism, sinergism, mutualism, competiție, amensalism, parazitism și prădare).
• Interacțiuni între microorganisme și plante: în rizosfera (cu microorganisme fixatoare de azot și ciuperci micorizante) și în structurile aeriene ale plantelor.
• fitopatogeni; bacteriene, fungice și virale.
• Interacțiuni între microorganisme și animale (simbioză intestinală reciprocă și comensală, prădare, printre altele).
• Compoziția, funcționarea și procesele de succesiune în comunitățile microbiene.
• Adaptări microbiene la condiții extreme de mediu (studiul microorganismelor extreme).
• Tipurile de habitate microbiene (atmosferă-ecosferă, hidro-ecosferă, lito-ecosferă și habitate extreme).
• Cicluri biogeochimice influențate de comunitățile microbiene (cicluri de carbon, hidrogen, oxigen, azot, sulf, fosfor, fier, printre altele).
• Diferite aplicații biotehnologice în probleme de mediu și de interes economic.

Aplicații

Microorganismele sunt esențiale în procesele globale care permit menținerea sănătății mediului și a omului. În plus, ele servesc ca model în studiul numeroaselor interacțiuni ale populației (de exemplu, prădarea).

Înțelegerea ecologiei fundamentale a microorganismelor și a efectelor acestora asupra mediului a făcut posibilă identificarea capacităților metabolice biotehnologice aplicabile diferitelor domenii de interes economic. Unele dintre aceste domenii sunt menționate mai jos:

• Controlul biodegradării prin biofilme corozive ale structurilor metalice (cum ar fi conducte, containere de deșeuri radioactive, printre altele).
• Controlul dăunătorilor și agenților patogeni.
• Restaurarea solurilor agricole degradate prin exploatare excesivă.
• Biotratarea deșeurilor solide în compostare și depozitele de deșeuri.
• Biotratarea efluenților, prin sisteme de tratare a apelor uzate (de exemplu, folosind biofilme imobilizate).
• Bioremedierea solurilor și a apelor contaminate cu substanțe anorganice (cum ar fi metale grele) sau xenobiotice (produse sintetice toxice, care nu sunt generate de procesele biosintetice naturale). Acești compuși xenobiotici includ halocarboni, nitroaromatici, bifenili policlorurați, dioxine, alchilbenzil sulfonati, hidrocarburi de petrol și pesticide.

Figura 6. Contaminarea mediului cu substanțe de origine industrială. Sursa: pixabay.com

• Biorecovery de minerale prin bioleaching (de exemplu, aur și cupru).
• Producția de biocombustibili (etanol, metan, printre alte hidrocarburi) și biomasă microbiană.

Referințe

1. Kim, MB. (2008). Progresul în microbiologia mediului. Myung-Bo Kim Editor. p. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA și Brock, T. (2015). Biologia brută a microorganismelor. 14 ed. Benjamin Cummings. pp. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Microbiologie de mediu: De la genomi la biogeochemie. Wiley-Blackwell. pp. 490.
4. McKinney, RE (2004). Microbiologie pentru controlul poluării mediului. M. Dekker. p. 453.
5. Prescott, LM (2002). Microbiologie. A cincea ediție, McGraw-Hill Știință / Inginerie / Matematică. p. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofile ca sursă pentru enzime noi. Opinia curentă în microbiologie, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, și Jones, KC (1993). Bioremedierea solului contaminat cu hidrocarburi aromatice polinucleare (HAP): o revizuire. Poluarea mediului, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.