EKOLOGI MIKROBA: SEJARAH, OBJEK KAJIAN DAN APLIKASI - BIOLOGI - 2024

The ekologi mikrob merupakan disiplin mikrobiologi alam sekitar yang timbul daripada pemakaian prinsip ekologi dengan mikrobiologi (Mikros: kecil, bios: kehidupan, logo: belajar).

Disiplin ini mengkaji kepelbagaian mikroorganisma (mikroskopik uniselular organisma dari 1 hingga 30 µm), hubungan antara mereka dengan makhluk hidup yang lain dan dengan persekitaran.

Rajah 1. Alga, bakteria dan protozoa amoeboid berinteraksi dalam sampel air yang tidak dirawat. Sumber: CDC / Janice Haney Carr, di: publicdomainfiles.com

Oleh kerana mikroorganisma mewakili biomas terestrial terbesar, aktiviti dan fungsi ekologi mereka sangat mempengaruhi semua ekosistem.

Kegiatan fotosintetik awal cyanobacteria dan pengumpulan oksigen (O ₂ ) yang seterusnya dalam atmosfer primitif mewakili salah satu contoh pengaruh mikrob yang paling jelas dalam sejarah evolusi kehidupan di planet Bumi.

Ini, memandangkan kehadiran oksigen di atmosfer, memungkinkan penampilan dan evolusi semua bentuk kehidupan aerobik yang ada.

Gambar 2. Cyanobacteria dalam bentuk lingkaran. Sumber: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganisma mengekalkan aktiviti yang berterusan dan penting untuk kehidupan di Bumi. Mekanisme yang mengekalkan kepelbagaian mikroba biosfera adalah asas dinamika ekosistem daratan, akuatik dan udara.

Memandangkan kepentingannya, kemungkinan kepunahan komuniti mikroba (kerana pencemaran habitat mereka dengan bahan toksik industri), akan menyebabkan hilangnya ekosistem yang bergantung pada fungsinya.

Sejarah ekologi mikrob

Prinsip ekologi

Pada separuh pertama abad ke-20, prinsip-prinsip ekologi umum dikembangkan, dengan mempertimbangkan kajian tumbuhan dan haiwan yang "lebih tinggi" di persekitaran semula jadi mereka.

Mikroorganisma dan fungsi ekosistemnya kemudian diabaikan, walaupun sangat penting dalam sejarah ekologi planet ini, baik kerana mereka mewakili biomas terestrial terbesar dan kerana mereka adalah organisma tertua dalam sejarah evolusi kehidupan di Bumi. .

Pada masa itu, hanya mikroorganisma yang dianggap sebagai degrader, mineralizer bahan organik dan perantara dalam beberapa kitaran nutrien.

Mikrobiologi

Saintis Louis Pasteur dan Robert Koch dianggap telah mendirikan disiplin mikrobiologi dengan mengembangkan teknik kultur mikroba aksenik, yang mengandungi jenis sel tunggal, yang berasal dari satu sel.

Rajah 3. Budaya bakteria aksen. Sumber: pixabay.com

Walau bagaimanapun, dalam budaya axenic interaksi antara populasi mikroba tidak dapat dipelajari. Adalah perlu untuk mengembangkan kaedah yang membolehkan kajian mengenai interaksi biologi mikroba di habitat semula jadi mereka (intipati hubungan ekologi).

Ahli mikrobiologi pertama yang memeriksa interaksi antara mikroorganisma, di dalam tanah dan interaksi dengan tumbuh-tumbuhan, adalah Sergéi Winogradsky dan Martinus Beijerinck, sementara majoritinya menumpukan perhatian pada kajian budaya mikroorganisma aksenik yang berkaitan dengan penyakit atau proses penapaian kepentingan komersial.

Winogradsky dan Beijerinck mengkaji secara khusus biotransformasi mikroba sebatian nitrogen dan sulfur anorganik di dalam tanah.

Ekologi mikrob

Pada awal 1960-an, di era kepedulian terhadap kualiti alam sekitar dan kesan pencemaran aktiviti industri, ekologi mikroba muncul sebagai disiplin. Saintis Amerika Thomas D.Brock, adalah pengarang pertama teks mengenai perkara ini pada tahun 1966.

Namun, pada akhir tahun 1970-an ketika ekologi mikroba digabungkan sebagai bidang multidisiplin khusus, kerana bergantung pada cabang saintifik lain, seperti ekologi, biologi sel dan molekul, biogeokimia, antara lain.

Rajah 4. Interaksi mikrob. Sumber: Perpustakaan Imej Kesihatan Awam, di publicdomainfiles.com

Perkembangan ekologi mikroba berkait rapat dengan kemajuan metodologi yang memungkinkan untuk mengkaji interaksi antara mikroorganisma dengan faktor biotik dan abiotik persekitaran mereka.

Pada tahun 1990-an, teknik biologi molekul dimasukkan ke dalam kajian genetik ekologi mikroba, yang menawarkan kemungkinan untuk meneroka keanekaragaman hayati yang ada di dunia mikroba dan juga mengetahui aktiviti metaboliknya di persekitaran dalam keadaan yang ekstrem.

Rajah 5. Interaksi mikrob. Sumber. Janice Haney Carr, USCDCP, di: pixnio.com

Selepas itu, teknologi DNA rekombinan memungkinkan kemajuan penting dalam penghapusan pencemaran alam sekitar, dan juga dalam pengendalian perosak yang penting secara komersial.

Kaedah dalam ekologi mikrob

Di antara kaedah yang membolehkan kajian mikroorganisma in situ dan aktiviti metaboliknya, terdapat:

• Mikroskopi laser konfokal.
• Alat molekul seperti prob gen pendarfluor, yang telah memungkinkan kajian komuniti mikroba kompleks.
• Tindak balas rantai polimerase atau PCR (untuk singkatannya dalam bahasa Inggeris: Polymerase Chain Reaction).
• Penanda radioaktif dan analisis kimia, yang memungkinkan mengukur aktiviti metabolik mikroba, antara lain.

Sub-disiplin

Ekologi mikroba biasanya dibahagikan kepada sub-disiplin, seperti:

• Autoekologi atau ekologi populasi yang berkaitan secara genetik.
• Ekologi ekosistem mikroba, yang mengkaji komuniti mikroba dalam ekosistem tertentu (daratan, udara atau akuatik).
• Ekologi biogeokimia mikroba, yang mengkaji proses biogeokimia.
• Ekologi hubungan antara tuan rumah dan mikroorganisma.
• Ekologi mikroba diterapkan untuk masalah pencemaran alam sekitar dan dalam pemulihan keseimbangan ekologi dalam sistem campur tangan.

Kawasan kajian

Antara bidang kajian ekologi mikroba adalah:

• Evolusi mikroba dan kepelbagaian fisiologinya, dengan mempertimbangkan tiga domain kehidupan; Bakteria, Arquea dan Eucaria.
• Pembentukan semula hubungan filogenetik mikroba.
• Pengukuran kuantitatif bilangan, biojisim dan aktiviti mikroorganisma di persekitarannya (termasuk yang tidak dapat dikultur).
• Interaksi positif dan negatif dalam populasi mikroba.
• Interaksi antara populasi mikroba yang berbeza (netralisme, komensalisme, sinergisme, mutualisme, persaingan, amensalisme, parasitisme, dan predasi).
• Interaksi antara mikroorganisma dan tumbuhan: di rizosfera (dengan mikroorganisma penetapan nitrogen dan kulat mikorizal), dan dalam struktur udara tumbuhan.
• Fitopatogen; bakteria, kulat dan virus.
• Interaksi antara mikroorganisma dan haiwan (simbiosis usus mutlak dan komensal, predasi, antara lain).
• Komposisi, fungsi dan proses penggantian dalam komuniti mikroba.
• Penyesuaian mikrob terhadap keadaan persekitaran yang melampau (kajian mikroorganisma Extremophilic).
• Jenis-jenis habitat mikroba (atmosfera-atmosfera, hidro-ekosfera, litosfera dan habitat ekstrem).
• Kitaran biogeokimia dipengaruhi oleh komuniti mikroba (kitaran karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, fosfor, besi, antara lain).
• Pelbagai aplikasi bioteknologi dalam masalah persekitaran dan kepentingan ekonomi.

Permohonan

Mikroorganisma sangat penting dalam proses global yang membolehkan pemeliharaan kesihatan alam sekitar dan manusia. Di samping itu, mereka berfungsi sebagai model dalam kajian banyak interaksi penduduk (sebagai contoh, predasi).

Pemahaman mengenai ekologi asas mikroorganisma dan kesannya terhadap alam sekitar memungkinkan untuk mengenal pasti keupayaan metabolik bioteknologi yang berlaku untuk bidang kepentingan ekonomi yang berlainan. Sebilangan bidang ini disebutkan di bawah:

• Pengawalan biodegradasi oleh biofilem struktur logam yang menghakis (seperti saluran paip, bekas sisa radioaktif, antara lain).
• Mengawal perosak dan patogen.
• Pemulihan tanah pertanian dirosakkan oleh eksploitasi berlebihan.
• Biotreatment sisa pepejal di kompos dan tapak pelupusan.
• Biotreatment efluen, melalui sistem rawatan air sisa (contohnya, menggunakan biofilm yang tidak bergerak).
• Bioremediasi tanah dan perairan yang tercemar dengan bahan bukan organik (seperti logam berat), atau xenobiotik (produk sintetik toksik, tidak dihasilkan oleh proses biosintetik semula jadi). Sebatian xenobiotik ini merangkumi halokarbon, nitroaromatics, biphenyls polychlorinated, dioksin, alkilbenzil sulfonat, hidrokarbon petroleum, dan racun perosak.

Gambar 6. Pencemaran alam sekitar dengan bahan yang berasal dari industri. Sumber: pixabay.com

• Biorecovery mineral melalui bioleaching (contohnya, emas dan tembaga).
• Pengeluaran biofuel (etanol, metana, antara hidrokarbon lain) dan biojisim mikrob.

Rujukan

1. Kim, MB. (2008). Kemajuan dalam Mikrobiologi Alam Sekitar. Editor Myung-Bo Kim. hlm 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA dan Brock, T. (2015). Biologi mikroorganisma. 14 ed. Benjamin Cummings. hlm 1041.
3. Madsen, EL (2008). Mikrobiologi Alam Sekitar: Dari Genom hingga Biogeokimia. Wiley-Blackwell. hlm 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologi Kawalan Pencemaran Alam Sekitar. M. Dekker. hlm 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Edisi kelima, Sains / Kejuruteraan / Matematik McGraw-Hill. hlm 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremophiles sebagai sumber enzim novel. Pendapat Semasa dalam Mikrobiologi, 6 (3), 213-218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, dan Jones, KC (1993). Bioremediasi tanah yang tercemar dengan hidrokarbon aromatik polinuklear (PAH): Satu tinjauan. Pencemaran Alam Sekitar, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.