Ekologia mikrobiologiczna - Microbial ecology

Wielka anomalia liczby płytek. Liczba komórek uzyskanych przez hodowlę jest o rzędy wielkości mniejsza niż te obserwowane bezpośrednio pod mikroskopem. Dzieje się tak, ponieważ mikrobiolodzy są w stanie wyhodować tylko niewielką część naturalnie występujących drobnoustrojów przy użyciu obecnych technik laboratoryjnych, w zależności od środowiska.

Ekologia mikrobiologiczna (lub mikrobiologia środowiska ) jest ekologia z mikroorganizmów : ich relacje ze sobą i ze swoim otoczeniem. Dotyczy to trzech głównych domen życia — Eukariota , Archaea i Bakterie — a także wirusów .

Mikroorganizmy poprzez swoją wszechobecność oddziałują na całą biosferę . Życie drobnoustrojów odgrywa podstawową rolę w regulowaniu systemów biogeochemicznych w praktycznie wszystkich środowiskach naszej planety, w tym w tych najbardziej ekstremalnych , od środowisk zamarzniętych i kwaśnych jezior po kominy hydrotermalne na dnie najgłębszych oceanów i niektóre z najbardziej znanych, takich jak jak ludzkie jelito cienkie . W konsekwencji ilościowej wielkości życia drobnoustrojów (obliczonej jako5,0 × 10 ³⁰ komórek; o osiem rzędów wielkości więcej niż liczba gwiazd w obserwowalnym wszechświecie) mikroby, ze względu na samą biomasę , stanowią znaczący pochłaniacz dwutlenku węgla . Oprócz wiązania węgla, kluczowe zbiorcze procesy metaboliczne mikroorganizmów (w tym wiązanie azotu , metabolizm metanu i metabolizm siarki ) kontrolują globalny obieg biogeochemiczny. Ogrom produkcji mikroorganizmów jest taki, że nawet przy całkowitym braku życia eukariotycznego procesy te prawdopodobnie będą kontynuowane bez zmian.

Historia

Chociaż drobnoustroje były badane od XVII wieku, badania te były prowadzone głównie z perspektywy fizjologicznej, a nie ekologicznej. Na przykład Louis Pasteur i jego uczniowie interesowali się problemem rozmieszczenia drobnoustrojów zarówno na lądzie, jak iw oceanach. Martinus Beijerinck wynalazł kulturę wzbogacania , podstawową metodę badania drobnoustrojów ze środowiska. Często błędnie przypisuje się mu sformułowanie idei biogeograficznej drobnoustrojów, że „wszystko jest wszędzie, ale środowisko wybiera”, co stwierdził Lourens Baas Becking . Siergiej Winogradsky był jednym z pierwszych badaczy, którzy próbowali zrozumieć mikroorganizmy poza kontekstem medycznym – czyniąc go jednym z pierwszych studentów ekologii mikrobiologicznej i mikrobiologii środowiskowej – odkrywając chemosyntezę i rozwijając w tym procesie kolumnę Winogradskiego .

Beijerinck i Windogradsky skupili się jednak na fizjologii mikroorganizmów, a nie na siedlisku drobnoustrojów czy ich interakcjach ekologicznych. Współczesną ekologię mikrobiologiczną zapoczątkował Robert Hungate i współpracownicy, którzy badali ekosystem żwacza . Badanie żwacza wymagało od Hungate opracowania technik hodowli drobnoustrojów beztlenowych, a także pionierem ilościowego podejścia do badania drobnoustrojów i ich aktywności ekologicznej, które różnicowało względny wkład gatunków i szlaków katabolicznych .

Postęp w ekologii mikrobiologicznej jest związany z rozwojem nowych technologii. Pomiar szybkości procesów biogeochemicznych w przyrodzie był napędzany dostępnością radioizotopów, począwszy od lat pięćdziesiątych. Na przykład ¹⁴ CO ₂ pozwoliło na analizę tempa fotosyntezy w oceanie (ref). Kolejny znaczący przełom nastąpił w latach 80., kiedy opracowano mikroelektrody wrażliwe na związki chemiczne, takie jak O2. Elektrody te mają rozdzielczość przestrzenną 50–100 μm i umożliwiły analizę przestrzennej i czasowej dynamiki biogeochemicznej w matach i osadach mikrobiologicznych.

Chociaż pomiary szybkości procesów biogeochemicznych mogły analizować zachodzące procesy, były one niekompletne, ponieważ nie dostarczały informacji o tym, które konkretne drobnoustroje są odpowiedzialne. Od dawna wiadomo było, że „klasyczne” techniki uprawy pozwoliły odzyskać mniej niż 1% drobnoustrojów z naturalnego siedliska. Jednak począwszy od lat 90. wyewoluował zestaw technik niezależnych od uprawy w celu określenia względnej liczebności drobnoustrojów w środowisku. Carl Woese po raz pierwszy wykazał, że sekwencja cząsteczki rybosomalnego RNA 16S może zostać wykorzystana do analizy relacji filogenetycznych. Norm Pace wykorzystał ten przełomowy pomysł i zastosował go do analizy „kto tam jest” w środowisku naturalnym. Procedura obejmuje (a) izolację kwasów nukleinowych bezpośrednio ze środowiska naturalnego, (b) amplifikację PCR małych podjednostkowych sekwencji genów rRNA, (c) sekwencjonowanie amplikonów oraz (d) porównanie tych sekwencji z bazą danych sekwencji z czyste kultury i DNA środowiska. Dostarczyło to ogromnego wglądu w różnorodność obecną w siedliskach drobnoustrojów. Nie wyjaśnia jednak, jak powiązać określone drobnoustroje z ich rolą biogeochemiczną. Metagenomika , czyli sekwencjonowanie całkowitego DNA odzyskanego ze środowiska, może dostarczyć wglądu w potencjał biogeochemiczny, podczas gdy metatranskryptomika i metaproteomika mogą mierzyć rzeczywistą ekspresję potencjału genetycznego, ale pozostają trudniejsze technicznie.

Role

Mikroorganizmy są kręgosłupem wszystkich ekosystemów , ale tym bardziej w strefach, w których fotosynteza nie jest możliwa z powodu braku światła. W takich strefach drobnoustroje chemosyntetyczne dostarczają energię i węgiel innym organizmom. Te organizmy chemotroficzne mogą również funkcjonować w środowiskach pozbawionych tlenu, wykorzystując do oddychania inne akceptory elektronów .

Inne drobnoustroje rozkładają się , ze zdolnością do recyklingu składników odżywczych z produktów odpadowych innych organizmów. Mikroby te odgrywają istotną rolę w cyklach biogeochemicznych. Obieg azotu The obieg fosforu The obiegu siarki i cykl węgla wszystko zależy od mikroorganizmów w ten czy inny sposób. Na przykład azot, który stanowi 78% ziemskiej atmosfery, jest niedostępny dla większości organizmów, dopóki nie zostanie przekształcony w biologicznie dostępną formę w wyniku mikrobiologicznego procesu wiązania azotu .

Ze względu na wysoki poziom horyzontalnego transferu genów między społecznościami drobnoustrojów ekologia drobnoustrojów ma również znaczenie dla badań ewolucji .

Symbioza

Mikroby, zwłaszcza bakterie, często wchodzą w symbiotyczne relacje ( pozytywne lub negatywne ) z innymi mikroorganizmami lub większymi organizmami. Chociaż fizycznie małe, symbiotyczne relacje między drobnoustrojami są istotne w procesach eukariotycznych i ich ewolucji. Rodzaje symbiotycznych relacji, w których uczestniczą drobnoustroje, obejmują mutualizm , komensalizm , pasożytnictwo i amensalizm, a relacje te wpływają na ekosystem na wiele sposobów.

Wzajemność

Wzajemność w ekologii drobnoustrojów to związek między gatunkami drobnoustrojów a człowiekiem, który pozwala obu stronom czerpać korzyści. Jednym z takich przykładów może być syntrofia , znana również jako żywienie krzyżowe, której klasycznym przykładem jest " Methanobacterium omelianskii ". Konsorcjum to składa się z organizmu fermentującego etanol i metanogenu . Organizm fermentujący etanol dostarcza partnerowi archeonów H ₂ , którego ten metanogen potrzebuje do wzrostu i produkcji metanu. Postawiono hipotezę, że syntrofia odgrywa znaczącą rolę w środowiskach o ograniczonej energii i składnikach odżywczych, takich jak głębokie warstwy podpowierzchniowe, gdzie może pomóc społeczności drobnoustrojów o różnych właściwościach funkcjonalnych przetrwać, rosnąć i wytwarzać maksymalną ilość energii. Beztlenowe utlenianie metanu (AOM) jest przeprowadzane przez mutualistyczne konsorcjum bakterii redukującej siarczany i beztlenowego archeona utleniającego metan . Reakcję stosowany przez partnerów bakteryjnego wytwarzania H ₂ jest endergonic (a więc termodynamicznie unfavored), jednakże, gdy jest ona połączona przy użyciu reakcji, przez partnera archeonów ogólna reakcja przebiega exergonic . W ten sposób oba organizmy są w relacji wzajemnej, która pozwala im rosnąć i rozwijać się w środowisku, śmiertelnym dla każdego gatunku. Porost jest przykładem organizmu symbiotycznego.

komensalizm

Komensalizm jest bardzo powszechny w świecie drobnoustrojów, co dosłownie oznacza „jedzenie z tego samego stołu”. Produkty metaboliczne jednej populacji drobnoustrojów są stosowane przez inną populację drobnoustrojów bez korzyści lub szkody dla pierwszej populacji. Istnieje wiele „par” gatunków drobnoustrojów, które przeprowadzają reakcję utleniania lub redukcji według tego samego równania chemicznego. Na przykład metanogeny wytwarzają metan poprzez redukcję CO ₂ do CH ₄ , podczas gdy metanotrofy utleniają metan z powrotem do CO ₂ .

Amensalizm

Amensalizm (powszechnie znany również jako antagonizm) to rodzaj symbiotycznej relacji, w której jeden gatunek/organizm jest uszkodzony, podczas gdy drugi pozostaje nienaruszony. Jednym z przykładów takiego związku, który zachodzi w ekologii drobnoustrojów, jest między gatunkami drobnoustrojów Lactobacillus casei i Pseudomonas taetrolens . Współistniejąc w środowisku, Pseudomonas taetrolens wykazuje zahamowany wzrost i zmniejszoną produkcję kwasu laktobionowego (jego głównego produktu) najprawdopodobniej z powodu produktów ubocznych wytwarzanych przez Lactobacillus casei podczas produkcji kwasu mlekowego. Jednak Lactobacillus casei nie wykazuje żadnej różnicy w swoim zachowaniu i taki związek można określić jako amensalizm.

Zarządzanie zasobami mikrobiologicznymi

Biotechnologię można stosować wraz z ekologią mikrobiologiczną, aby sprostać wielu wyzwaniom środowiskowym i ekonomicznym . Na przykład techniki molekularne, takie jak odciski palców społeczności lub metagenomika, można wykorzystać do śledzenia zmian w społecznościach drobnoustrojów w czasie lub oceny ich bioróżnorodności . Zarządzanie cyklem węgla w celu sekwestracji dwutlenku węgla i zapobiegania nadmiernej metanogenezie jest ważne w łagodzeniu globalnego ocieplenia , a perspektywy bioenergii poszerzają się dzięki rozwojowi mikrobiologicznych ogniw paliwowych . Zarządzanie zasobami drobnoustrojów opowiada się za bardziej progresywnym podejściem do chorób , w którym środki kontroli biologicznej są przedkładane nad próby ich zwalczania. Aby wykorzystać potencjał tej dziedziny, należy lepiej scharakteryzować przepływy w społecznościach drobnoustrojów . Ponadto istnieją również implikacje kliniczne, ponieważ symbiozy drobnoustrojów morskich są cennym źródłem istniejących i nowych środków przeciwdrobnoustrojowych, a tym samym oferują kolejny kierunek badań w ewolucyjnym wyścigu zbrojeń oporności na antybiotyki , co jest pilnym problemem dla naukowców.

W środowisku zabudowanym i interakcji międzyludzkich

Mikroby występują we wszystkich obszarach, w tym w domach, biurach, centrach handlowych i szpitalach. W 2016 r. czasopismo Microbiome opublikowało zbiór różnych prac badających ekologię mikrobiologiczną środowiska zbudowanego .

Badanie z 2006 roku dotyczące bakterii chorobotwórczych w szpitalach wykazało, że ich zdolność do przetrwania różniła się w zależności od typu, przy czym niektóre przeżyły tylko kilka dni, a inne miesiące.

Podobnie zmienia się długość życia drobnoustrojów w domu. Generalnie bakterie i wirusy wymagają wilgotnego środowiska o wilgotności powyżej 10 procent. E. coli może przetrwać od kilku godzin do dnia. Bakterie, które tworzą zarodniki, mogą przetrwać dłużej, a Staphylococcus aureus mogą przetrwać potencjalnie tygodnie lub, w przypadku Bacillus anthracis , lata.

W domu zwierzęta domowe mogą być nosicielami bakterii; na przykład gady są powszechnie nosicielami salmonelli.

S. aureus jest szczególnie powszechny i bezobjawowo kolonizuje około 30% populacji ludzkiej; Próby dekolonizacji nosicieli zakończyły się ograniczonym sukcesem i ogólnie obejmują płukanie mupirocyną do nosa i chlorheksydyną , potencjalnie wraz z wankomycyną i kotrimoksazolem w leczeniu infekcji jelitowych i dróg moczowych.

Środki przeciwdrobnoustrojowe

Niektóre metale, zwłaszcza miedź i srebro, mają właściwości przeciwdrobnoustrojowe. Stosowanie antybakteryjnych powierzchni dotykowych ze stopu miedzi to technika, która zaczęto stosować w XXI wieku w celu zapobiegania przenoszeniu bakterii. Nanocząstki srebra zaczęto również wprowadzać do powierzchni budynków i tkanin, chociaż pojawiły się obawy co do potencjalnych skutków ubocznych maleńkich cząstek na zdrowie człowieka.

Languages

In other projects