MIKROBIOLOGIA: HISTORIA, TUTKIMUSKOHDE JA SOVELLUKSET - BIOLOGIA - 2026

Mikrobiekologian on tieteenala ympäristön mikrobiologian soveltamisesta johtuvia ekologisten periaatteiden mikrobiologian (Mikros: pieni, bios: elämä, logot: tutkimus).

Tällä tieteenalalla tutkitaan mikro-organismien (mikroskooppisten yksisoluisten organismien välillä 1 - 30 um) monimuotoisuutta, niiden välisiä suhteita muihin eläviin olentoihin ja ympäristöön.

Kuva 1. Levät, bakteerit ja amoeboidiset alkueläimet ovat vuorovaikutuksessa käsittelemättömissä vesinäytteissä. Lähde: CDC / Janice Haney Carr, osoitteessa: publicdomainfiles.com

Koska mikro-organismit edustavat suurinta maanpäällistä biomassaa, niiden ekologiset aktiivisuudet ja toiminnot vaikuttavat perusteellisesti kaikkiin ekosysteemeihin.

Sinileväbakteerien varhainen fotosynteettinen aktiivisuus ja siitä johtuva hapen (O ₂) kerääntyminen varhaiseen ilmakehään edustavat selkeimpiä esimerkkejä mikrobien vaikutuksista maapallon elämän evoluutiohistoriassa.

Tämä, ottaen huomioon, että hapen läsnäolo ilmakehässä, mahdollisti kaikkien olemassa olevien aerobisten elämänmuotojen ilmestymisen ja kehittymisen.

Kuva 2. Sineobakteerit spiraalin muodossa. Lähde: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikro-organismit ylläpitävät jatkuvaa ja välttämätöntä toimintaa elämää varten maan päällä. Mekanismit, jotka ylläpitävät biosfäärin mikrobimuotoisuutta, ovat maa-, vesi- ja ilmaekosysteemien dynamiikan perusta.

Kun otetaan huomioon sen merkitys, mikrobiyhteisöjen mahdollinen sukupuuttoon sukupuutto (johtuen niiden elinympäristöjen saastumisesta teollisesti myrkyllisillä aineilla) aiheuttaisi ekosysteemien katoamisen niiden toiminnoista riippuen.

Mikrobiökologian historia

Ekologian periaatteet

1900-luvun alkupuolella kehitettiin yleisen ekologian periaatteita ottaen huomioon ”korkeampien” kasvien ja eläinten tutkiminen niiden luonnollisessa ympäristössä.

Mikro-organismit ja niiden ekosysteemifunktiot jätettiin sitten huomiotta, huolimatta niiden suuresta merkityksestä planeetan ekologisessa historiassa, sekä siksi, että ne edustavat suurinta maanpäällistä biomassaa että koska ne ovat vanhimpia organismeja Maan elämän evoluutiohistoriassa..

Tuolloin vain mikro-organismeja pidettiin hajoajina, orgaanisen aineen mineralisaatioina ja välittäjinä joissain ravintorakoissa.

Mikrobiologia

Tutkijoiden Louis Pasteurin ja Robert Kochin katsotaan perustaneen mikrobiologian kurinalaisuuden kehittämällä aksenisen mikrobiviljelyn tekniikkaa, joka sisältää yhden solutyypin ja polveutuu yhdestä solusta.

Kuvio 3. Akseninen bakteeriviljelmä. Lähde: pixabay.com

Akseeniviljelmissä mikrobipopulaatioiden vuorovaikutusta ei kuitenkaan voitu tutkia. Oli tarpeen kehittää menetelmiä, joiden avulla voitaisiin tutkia mikrobiologisia biologisia vuorovaikutuksia niiden luonnollisissa elinympäristöissä (ekologisten suhteiden ydin).

Ensimmäiset mikrobiologit, jotka tutkivat mikro-organismien vuorovaikutuksia maaperässä ja vuorovaikutusta kasvien kanssa, olivat Sergéi Winogradsky ja Martinus Beijerinck, kun taas suurin osa keskittyi tutkimaan tauteihin tai kaupallisesti kiinnostaviin käymisprosesseihin liittyviä mikro-organismien akseeniviljelmiä.

Winogradsky ja Beijerinck tutkivat erityisesti epäorgaanisten typpi- ja rikkiyhdisteiden mikrobimuutoksia maaperässä.

Mikrobiologia

1960-luvun alkupuolella, ympäristön laadun ja teollisuuden saastuttavien vaikutusten aikakaudella, mikrobiökologia nousi kurinalaisuudeksi. Amerikkalainen tiedemies Thomas D. Brock oli ensimmäinen aiheen kirjoittaja vuonna 1966.

Kuitenkin se oli 1970-luvun lopulla, kun mikrobiökologia yhdistettiin erikoistuneeksi monitieteiseksi alueeksi, koska se riippuu muun muassa muista tieteenaloista, kuten ekologia, solu- ja molekyylibiologia, biogeokemia.

Kuva 4. Mikrobivaikutukset. Lähde: Public Health Image Library, publicdomainfiles.com

Mikrobiologisen ekologian kehitys liittyy läheisesti metodologiseen kehitykseen, jonka avulla voidaan tutkia mikro-organismien ja niiden ympäristön bioottisten ja abioottisten tekijöiden vuorovaikutusta.

1990-luvulla molekyylibiologiatekniikat sisällytettiin mikrobiökologian tasapainoiseen in situ -tutkimukseen tarjoamalla mahdollisuus tutkia mikrobimaailmassa vallitsevaa laajaa biologista monimuotoisuutta ja tuntea myös sen metaboliset aktiivisuudet ympäristöissä äärimmäisissä olosuhteissa.

Kuva 5. Mikrobivaikutukset. Lähde. Janice Haney Carr, USCDCP, osoitteessa: pixnio.com

Myöhemmin rekombinantti-DNA-tekniikka mahdollisti merkittävän edistymisen ympäristösaasteiden poistamisessa sekä kaupallisesti tärkeiden tuholaisten torjunnassa.

Menetelmät mikrobiökologiassa

Menetelmistä, jotka ovat mahdollistaneet mikro-organismien ja niiden metabolisen aktiivisuuden tutkimuksen in situ, on muun muassa:

• Konfokaalinen lasermikroskopia.
• Molekyyliset työkalut, kuten fluoresoivat geenikoettimet, jotka ovat mahdollistaneet monimutkaisten mikrobiyhteisöjen tutkimuksen.
• Polymeraasiketjureaktio tai PCR (englanniksi sen lyhenteellä: Polymeraasiketjureaktio).
• Radioaktiiviset markkerit ja kemialliset analyysit, joiden avulla voidaan mitata muun muassa mikrobien metabolista aktiivisuutta.

Alalajeja

Mikrobiologia jaetaan yleensä ala-aloihin, kuten:

• Geneettisesti sukulaisten populaatioiden autoekologia tai ekologia.
• Mikrobien ekosysteemien ekologia, joka tutkii tietyssä ekosysteemissä (maa-, ilma- tai vesieliöissä) esiintyviä mikrobiyhteisöjä.
• Mikrobiologinen biogeokemiallinen ekologia, joka tutkii biogeokemiallisia prosesseja.
• Ekologia isännän ja mikro-organismien välisistä suhteista.
• Mikrobiökologia soveltuu ympäristön saastumisongelmiin ja ekologisen tasapainon palauttamiseen interventioissa käytetyissä järjestelmissä.

Opintoalueet

Mikrobiökologian tutkimusalueisiin kuuluvat:

• Mikrobien kehitys ja sen fysiologinen monimuotoisuus, ottaen huomioon kolme elämän osa-aluetta; Bakteerit, Arquea ja Eucaria.
• Mikrobisten fylogeneettisten suhteiden jälleenrakentaminen.
• Määrälliset mittaukset niiden ympäristössä olevien mikro-organismien (mukaan lukien ei-viljelykelpoiset) lukumäärälle, biomassalle ja aktiivisuudelle.
• Positiiviset ja negatiiviset vuorovaikutukset mikrobipopulaation sisällä.
• Eri mikrobipopulaatioiden väliset vuorovaikutukset (neutralismi, kommensalismi, synergismi, molemminpuolisuus, kilpailu, amensalismi, parasitismi ja saalistus).
• Mikro-organismien ja kasvien väliset vuorovaikutukset: risosfäärissä (typpeä kiinnittävien mikro-organismien ja mykorritsisienten kanssa) ja kasvien ilmarakenteissa.
• fytopatogeenien; bakteerien, sienten ja virusten.
• Mikro-organismien ja eläinten väliset vuorovaikutukset (keskinäinen ja kommensalinen suoliston symbioosi, muun muassa saalistus).
• Koostumus-, toiminta- ja peräkkäisprosessit mikrobiyhteisöissä.
• Mikrobien mukautukset äärimmäisiin ympäristöolosuhteisiin (Extremofiilisten mikro-organismien tutkimus).
• Mikrobisten elinympäristöjen tyypit (ilmakehän ekosfääri, hydroekosfääri, litoekosfääri ja äärimmäiset elinympäristöt).
• Biogeokemialliset syklit, joihin vaikuttavat mikrobiyhteisöt (muun muassa hiilen, vedyn, hapen, typen, rikin, fosforin, raudan jaksot).
• Erilaisia ​​bioteknologisia sovelluksia ympäristöongelmiin ja taloudellisesti kiinnostaviin.

Sovellukset

Mikro-organismit ovat välttämättömiä globaaleissa prosesseissa, jotka mahdollistavat ympäristön ja ihmisten terveyden ylläpidon. Lisäksi ne toimivat mallina lukuisten väestövuorovaikutusten tutkimisessa (esimerkiksi saalistus).

Mikro-organismien perusökologian ja niiden ympäristövaikutusten ymmärtäminen on mahdollistanut bioteknologisen metabolisen kapasiteetin tunnistamisen taloudellisesti kiinnostavilla alueilla. Jotkut näistä alueista mainitaan jäljempänä:

• Biohajoamisen hallinta metallisten rakenteiden (kuten putkistojen, radioaktiivisten jätteiden kontit) syövyttävien biokalvojen avulla.
• Tuholaisten ja taudinaiheuttajien torjunta.
• Ylen hyväksikäytöstä huonontuneiden maatalousmaiden kunnostaminen.
• Kiinteän jätteen biokäsittely kompostoinnissa ja kaatopaikoilla.
• Jätevesien biokäsittely jätevedenkäsittelyjärjestelmien avulla (esimerkiksi käyttämällä immobilisoituja biokalvoja).
• Epäorgaanisilla aineilla (kuten raskasmetalleilla) saastuneiden maaperien ja vesien biologinen kunnostaminen tai ksenobiottisilla (myrkylliset synteettiset tuotteet, joita ei ole syntynyt luonnollisissa biosynteesimenetelmissä). Näihin ksenobiottisiin yhdisteisiin kuuluvat halogeenihiilivedyt, nitroaromaatit, polyklooratut bifenyylit, dioksiinit, alkyylibentsyylisulfonaatit, maaöljyhiilivedyt ja torjunta-aineet.

Kuva 6. Ympäristön saastuminen teollisuusperäisillä aineilla. Lähde: pixabay.com

• Mineraalien (esimerkiksi kullan ja kuparin) biologinen talteenotto biologisen liuotuksen avulla.
• Biopolttoaineiden (etanolin, metaanin ja muiden hiilivetyjen joukossa) ja mikrobien biomassan tuotanto.

Viitteet

1. Kim, MB. (2008). Ympäristömikrobiologian edistyminen. Myung-Bo Kim -toimittaja. s. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA ja Brock, T. (2015). Mikro-organismien Brock-biologia. 14 toim. Benjamin Cummings. s. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Ympäristömikrobiologia: genomista biogeokemiaan. Wiley-Blackwell. s. 490.
4. McKinney, RE (2004). Ympäristön pilaantumisen valvonnan mikrobiologia. M. Dekker. s. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologia. Viides painos, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. sivut 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofiilit uusien entsyymien lähteenä. Nykyinen lausunto mikrobiologiassa, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, ja Jones, KC (1993). Polynukleaarisilla aromaattisilla hiilivedyillä (PAH) saastuneen maaperän bioremedikaatio: Katsaus. Ympäristön pilaantuminen, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.