MIKROBIÁLNÍ EKOLOGIE: HISTORIE, PŘEDMĚT STUDIA A APLIKACE - BIOLOGIE - 2025

Mikrobiální ekologie je disciplína environmentální mikrobiologie vyplývajících z uplatňování ekologických zásad pro mikrobiologii (Mikros: malý, BIOS: život, loga: studie).

Tato disciplína studuje rozmanitost mikroorganismů (mikroskopické jednobuněčné organismy od 1 do 30 µm), vztahy mezi nimi a ostatními živými bytostmi a prostředím.

Obrázek 1. Řasy, bakterie a amoeboidní prvoky interagující ve vzorcích neupravené vody. Zdroj: CDC / Janice Haney Carr, na: publicdomainfiles.com

Protože mikroorganismy představují největší suchozemskou biomasu, jejich ekologické aktivity a funkce hluboce ovlivňují všechny ekosystémy.

Časná fotosyntetická aktivita cyanobakterií a následné hromadění kyslíku (O ₂) v primitivní atmosféře představuje jeden z nejjasnějších příkladů mikrobiálního vlivu v evoluční historii života na planetě Zemi.

To, vzhledem k tomu, že přítomnost kyslíku v atmosféře, umožnilo výskyt a vývoj všech existujících forem aerobního života.

Obrázek 2. Cyanobakterie ve tvaru spirály. Zdroj: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganismy udržují nepřetržitou a zásadní činnost pro život na Zemi. Mechanismy, které udržují mikrobiální rozmanitost biosféry, jsou základem dynamiky suchozemských, vodních a vzdušných ekosystémů.

Vzhledem k jeho důležitosti by případné vyhynutí mikrobiálních komunit (kvůli kontaminaci jejich stanovišť průmyslovými toxickými látkami) vedlo k zániku ekosystémů v závislosti na jejich funkci.

Dějiny mikrobiální ekologie

Principy ekologie

V první polovině 20. století byly vyvinuty principy obecné ekologie s ohledem na studium „vyšších“ rostlin a živočichů v jejich přirozeném prostředí.

Mikroorganismy a jejich ekosystémové funkce byly poté ignorovány, navzdory jejich velkému významu v ekologické historii planety, protože představují největší pozemskou biomasu a protože jsou nejstaršími organismy v evoluční historii života na Zemi..

V té době byly mikroorganismy považovány za degradátory, mineralizátory organických látek a meziprodukty pouze v některých cyklech živin.

Mikrobiologie

Vědci Louis Pasteur a Robert Koch jsou považováni za vědce, kteří založili disciplínu mikrobiologie tím, že vyvinuli techniku ​​axenové mikrobiální kultury, která obsahuje jediný typ buňky, pocházející z jediné buňky.

Obrázek 3. Axenická bakteriální kultura. Zdroj: pixabay.com

Avšak v axenických kulturách nebylo možné studovat interakce mezi mikrobiálními populacemi. Bylo nutné vyvinout metody, které by umožnily studium mikrobiálních biologických interakcí v jejich přirozeném prostředí (podstata ekologických vztahů).

První mikrobiologové, kteří zkoumali interakce mezi mikroorganismy v půdě a interakce s rostlinami, byli Sergéi Winogradsky a Martinus Beijerinck, zatímco většina se zaměřila na studium axenických kultur mikroorganismů souvisejících s chorobami nebo fermentačními procesy komerčního zájmu.

Winogradsky a Beijerinck studovali zejména mikrobiální biotransformace anorganických sloučenin dusíku a síry v půdě.

Mikrobiální ekologie

Na počátku šedesátých let, v době zájmu o kvalitu životního prostředí a znečišťujících dopadů průmyslových činností, se mikrobiální ekologie stala disciplínou. Americký vědec Thomas D. Brock byl prvním autorem textu na toto téma v roce 1966.

Bylo to však na konci 70. let, kdy byla mikrobiální ekologie konsolidována jako specializovaná multidisciplinární oblast, protože závisí mimo jiné na jiných vědeckých oborech, jako je ekologie, buněčná a molekulární biologie, biogeochemie.

Obrázek 4. Mikrobiální interakce. Zdroj: Knihovna obrazů veřejného zdraví, na adrese publicdomainfiles.com

Rozvoj mikrobiální ekologie úzce souvisí s metodologickým pokrokem, který umožňuje studovat interakce mezi mikroorganismy a biotickými a abiotickými faktory jejich prostředí.

V 90. letech 20. století byly techniky molekulární biologie začleněny do studie mikrobiální ekologie in situ, která nabízí možnost prozkoumat obrovskou biologickou rozmanitost existující v mikrobiálním světě a také znát její metabolické aktivity v prostředích v extrémních podmínkách.

Obrázek 5. Mikrobiální interakce. Zdroj. Janice Haney Carr, USCDCP, na: pixnio.com

Technologie rekombinantní DNA následně umožnila významný pokrok v eliminaci kontaminantů prostředí a v kontrole komerčně důležitých škůdců.

Metody v mikrobiální ekologii

Mezi metody, které umožnily in situ studium mikroorganismů a jejich metabolické aktivity, patří:

• Konfokální laserová mikroskopie.
• Molekulární nástroje, jako jsou fluorescenční genové sondy, které umožnily studium komplexních mikrobiálních komunit.
• Polymerázová řetězová reakce nebo PCR (pro její zkratku v angličtině: Polymerase Chain Reaction).
• Radioaktivní markery a chemické analýzy, které mimo jiné umožňují měření mikrobiální metabolické aktivity.

Dílčí disciplíny

Mikrobiální ekologie se obvykle dělí na dílčí obory, jako například:

• Autoekologie nebo ekologie geneticky příbuzných populací.
• Ekologie mikrobiálních ekosystémů, která studuje mikrobiální společenství v konkrétním ekosystému (suchozemském, vzdušném nebo vodním).
• Mikrobiální biogeochemická ekologie, která studuje biogeochemické procesy.
• Ekologie vztahů mezi hostitelem a mikroorganismy.
• Mikrobiální ekologie aplikovaná na problémy kontaminace životního prostředí a na obnovu ekologické rovnováhy v intervenovaných systémech.

Studijní oblasti

Mezi oblasti studia mikrobiální ekologie patří:

• Mikrobiální evoluce a její fyziologická rozmanitost s ohledem na tři oblasti života; Bakterie, Arquea a Eucaria.
• Rekonstrukce mikrobiálních fylogenetických vztahů.
• Kvantitativní měření počtu, biomasy a aktivity mikroorganismů v jejich prostředí (včetně nekultivovatelných).
• Pozitivní a negativní interakce v mikrobiální populaci.
• Interakce mezi různými mikrobiálními populacemi (neutralismus, komensalismus, synergismus, vzájemnost, konkurence, amensalismus, parazitismus a predace).
• Interakce mezi mikroorganismy a rostlinami: v rhizosféře (s mikroorganismy vázajícími dusík a mykorhizními houbami) a v leteckých strukturách rostlin.
• Fytopatogeny; bakteriální, houbové a virové.
• Interakce mezi mikroorganismy a zvířaty (mezi jiným vzájemná a komenzální střevní symbióza, predace).
• Složení, fungování a procesy sukcese v mikrobiálních komunitách.
• Mikrobiální adaptace na extrémní podmínky prostředí (studium extrémemofilních mikroorganismů).
• Druhy mikrobiálních stanovišť (atmosféra-ekosféra, hydroekosféra, litoekosféra a extrémní stanoviště).
• Biogeochemické cykly ovlivněné mikrobiálními komunitami (mezi jinými cykly uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, síry, fosforu, železa).
• Různé biotechnologické aplikace v environmentálních problémech a ekonomickém zájmu.

Aplikace

Mikroorganismy jsou nezbytné v globálních procesech, které umožňují zachování životního prostředí a lidského zdraví. Kromě toho slouží jako model při studiu četných populačních interakcí (například predace).

Pochopení základní ekologie mikroorganismů a jejich účinků na životní prostředí umožnilo identifikovat biotechnologické metabolické kapacity použitelné v různých oblastech hospodářského zájmu. Některé z těchto oblastí jsou uvedeny níže:

• Řízení biodegradace korozivními biofilmy kovových struktur (jako jsou potrubí, radioaktivní odpadní kontejnery).
• Kontrola škůdců a patogenů.
• Obnova zemědělských půd degradovaných nadměrným využíváním.
• Biologické zpracování pevného odpadu při kompostování a skládkování.
• Biologické čištění odpadních vod pomocí systémů čištění odpadních vod (například pomocí imobilizovaných biofilmů).
• Bioremediace půd a vod kontaminovaných anorganickými látkami (jako jsou těžké kovy) nebo xenobiotiky (toxické syntetické produkty, které se nevytvářejí přirozenými biosyntetickými procesy). Tyto xenobiotické sloučeniny zahrnují halogenované uhlovodíky, nitroaromatika, polychlorované bifenyly, dioxiny, alkylbenzylsulfonáty, ropné uhlovodíky a pesticidy.

Obrázek 6. Kontaminace životního prostředí látkami průmyslového původu. Zdroj: pixabay.com

• Biologický objev minerálů prostřednictvím biologického odbarvení (například zlato a měď).
• Výroba biopaliv (ethanolu, metanu, mimo jiné uhlovodíky) a mikrobiální biomasy.

Reference

1. Kim, MB. (2008). Pokrok v mikrobiologii životního prostředí. Myung-Bo Kim Editor. str. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA a Brock, T. (2015). Brock biologie mikroorganismů. 14 ed. Benjamin Cummings. str. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Environmentální mikrobiologie: od genomů po biogeochemii. Wiley-Blackwell. str. 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologie pro kontrolu znečištění životního prostředí. M. Dekker. str. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologie. Páté vydání, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. str. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremofily jako zdroj nových enzymů. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10,016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, a Jones, KC (1993). Bioremediace půdy kontaminované polynukleárními aromatickými uhlovodíky (PAH): Přehled. Znečištění životního prostředí, 81 (3), 229–249. doi: 10,016 / 0269-7491 (93) 90206-4.