MICROBIËLE ECOLOGIE: GESCHIEDENIS, STUDIEOBJECT EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE

De microbiële ecologie is een discipline van de omgevingsmicrobiologie die voortkomt uit de toepassing van ecologische principes op de microbiologie (mikros: klein, bios: leven, logo's: studie).

Deze discipline bestudeert de diversiteit van micro-organismen (microscopisch kleine eencellige organismen van 1 tot 30 µm), de relaties daartussen met de rest van levende wezens en met de omgeving.

Figuur 1. Algen, bacteriën en amoeboïde protozoa die in onbehandelde watermonsters interageren. Bron: CDC / Janice Haney Carr, op: publicdomainfiles.com

Aangezien micro-organismen de grootste terrestrische biomassa vertegenwoordigen, hebben hun ecologische activiteiten en functies een diepgaande invloed op alle ecosystemen.

De vroege fotosynthetische activiteit van cyanobacteriën en de daaruit voortvloeiende ophoping van zuurstof (O ₂ ) in de vroege atmosfeer is een van de duidelijkste voorbeelden van microbiële invloed in de evolutionaire geschiedenis van het leven op planeet Aarde.

Dit, aangezien de aanwezigheid van zuurstof in de atmosfeer, het ontstaan en de evolutie van alle bestaande aërobe levensvormen mogelijk maakte.

Figuur 2. Cyanobacteriën in een spiraalvorm. Bron: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Micro-organismen onderhouden een continue en essentiële activiteit voor het leven op aarde. De mechanismen die de microbiële diversiteit van de biosfeer in stand houden, vormen de basis van de dynamiek van terrestrische, aquatische en luchtecosystemen.

Gezien het belang ervan, zou het mogelijke uitsterven van microbiële gemeenschappen (door verontreiniging van hun leefgebieden met industriële toxische stoffen) het verdwijnen van de ecosystemen veroorzaken die afhankelijk zijn van hun functies.

Geschiedenis van microbiële ecologie

Principes van ecologie

In de eerste helft van de 20e eeuw werden de principes van de algemene ecologie ontwikkeld, rekening houdend met de studie van "hogere" planten en dieren in hun natuurlijke omgeving.

Micro-organismen en hun ecosysteemfuncties werden vervolgens genegeerd, ondanks hun grote belang in de ecologische geschiedenis van de planeet, zowel omdat ze de grootste terrestrische biomassa vertegenwoordigen als omdat ze de oudste organismen zijn in de evolutionaire geschiedenis van het leven op aarde. .

Destijds werden micro-organismen alleen beschouwd als afbrekers, mineralisatoren van organische stof en tussenpersonen in sommige nutriëntencycli.

Microbiologie

Wetenschappers Louis Pasteur en Robert Koch worden verondersteld de discipline van de microbiologie te hebben gesticht door de techniek van axenische microbiële cultuur te ontwikkelen, die een enkel celtype bevat dat afstamt van een enkele cel.

Figuur 3. Axenische bacteriekweek. Bron: pixabay.com

In axenische culturen konden de interacties tussen microbiële populaties echter niet worden bestudeerd. Het was nodig om methoden te ontwikkelen die de studie van microbiële biologische interacties in hun natuurlijke habitats (de essentie van ecologische relaties) mogelijk zouden maken.

De eerste microbiologen die interacties tussen micro-organismen, in de bodem en interacties met planten onderzochten, waren Sergéi Winogradsky en Martinus Beijerinck, terwijl de meerderheid zich concentreerde op het bestuderen van axenische culturen van micro-organismen die verband houden met ziekten of fermentatieprocessen van commercieel belang.

Winogradsky en Beijerinck bestudeerden in het bijzonder de microbiële biotransformaties van anorganische stikstof- en zwavelverbindingen in de bodem.

Microbiële ecologie

In het begin van de jaren zestig, in het tijdperk van zorg voor de kwaliteit van het milieu en de vervuilende impact van industriële activiteiten, kwam microbiële ecologie naar voren als een discipline. De Amerikaanse wetenschapper Thomas D. Brock was de eerste auteur van een tekst over dit onderwerp in 1966.

Het was echter aan het einde van de jaren zeventig toen de microbiële ecologie werd geconsolideerd als een gespecialiseerd multidisciplinair gebied, aangezien het afhankelijk is van andere wetenschappelijke takken, zoals ecologie, cel- en moleculaire biologie, biogeochemie, onder anderen.

Figuur 4. Microbiële interacties. Bron: Public Health Image Library, op publicdomainfiles.com

De ontwikkeling van microbiële ecologie hangt nauw samen met de methodologische vooruitgang die het mogelijk maakt de interacties tussen micro-organismen en de biotische en abiotische factoren van hun omgeving te bestuderen.

In de jaren negentig werden moleculaire biologietechnieken opgenomen in de zelfs in situ studie van microbiële ecologie, die de mogelijkheid bood om de enorme biodiversiteit die in de microbiële wereld bestaat te onderzoeken en ook om haar metabolische activiteiten in omgevingen onder extreme omstandigheden te kennen.

Figuur 5. Microbiële interacties. Bron. Janice Haney Carr, USCDCP, op: pixnio.com

Vervolgens maakte recombinant-DNA-technologie belangrijke vorderingen bij de eliminatie van milieuverontreinigingen en bij de bestrijding van commercieel belangrijke plagen.

Methoden in microbiële ecologie

Onder de methoden die de in situ studie van micro-organismen en hun metabolische activiteit mogelijk hebben gemaakt, zijn er:

Confocale lasermicroscopie.
Moleculaire hulpmiddelen zoals fluorescerende gen-probes, die de studie van complexe microbiële gemeenschappen mogelijk hebben gemaakt.
De polymerasekettingreactie of PCR (voor het acroniem in het Engels: Polymerase Chain Reaction).
Radioactieve merkers en chemische analyses, waarmee onder meer microbiële metabolische activiteit kan worden gemeten.

Subdisciplines

Microbiële ecologie is meestal onderverdeeld in subdisciplines, zoals:

De auto-ecologie of ecologie van genetisch verwante populaties.
De ecologie van microbiële ecosystemen, die de microbiële gemeenschappen in een bepaald ecosysteem bestudeert (terrestrisch, lucht- of aquatisch).
Microbiële biogeochemische ecologie, die biogeochemische processen bestudeert.
Ecologie van de relaties tussen de gastheer en de micro-organismen.
Microbiële ecologie toegepast op milieuverontreinigingsproblemen en bij het herstel van het ecologische evenwicht in tussengekomen systemen.

Studiegebieden

Onder de studiegebieden van microbiële ecologie zijn:

Microbiële evolutie en zijn fysiologische diversiteit, rekening houdend met de drie domeinen van het leven; Bacteriën, Arquea en Eucaria.
Reconstructie van microbiële fylogenetische relaties.
Kwantitatieve metingen van het aantal, de biomassa en de activiteit van micro-organismen in hun omgeving (inclusief niet-kweekbare).
Positieve en negatieve interacties binnen een microbiële populatie.
De interacties tussen verschillende microbiële populaties (neutralisme, commensalisme, synergisme, mutualisme, competitie, amensalisme, parasitisme en predatie).
Interacties tussen micro-organismen en planten: in de rhizosfeer (met stikstofbindende micro-organismen en mycorrhiza-schimmels), en in luchtstructuren van planten.
Fytopathogenen; bacterieel, schimmel en viraal.
Interacties tussen micro-organismen en dieren (onder meer mutualistische en commensale intestinale symbiose, predatie).
De samenstelling, werking en de processen van opvolging in microbiële gemeenschappen.
Microbiële aanpassingen aan extreme omgevingsomstandigheden (studie van Extremofiele micro-organismen).
De soorten microbiële habitats (atmosfeer-ecosfeer, hydro-ecosfeer, litho-ecosfeer en extreme habitats).
Biogeochemische cycli beïnvloed door microbiële gemeenschappen (cycli van onder meer koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel, fosfor, ijzer).
Diverse biotechnologische toepassingen bij milieuproblemen en van economisch belang.

Toepassingen

Micro-organismen zijn essentieel in de wereldwijde processen die het behoud van de gezondheid van het milieu en de mens mogelijk maken. Bovendien dienen ze als model bij de studie van talrijke populatie-interacties (bijvoorbeeld predatie).

Het begrip van de fundamentele ecologie van micro-organismen en hun effecten op het milieu heeft het mogelijk gemaakt om biotechnologische metabole capaciteiten te identificeren die van toepassing zijn op verschillende gebieden van economisch belang. Enkele van deze gebieden worden hieronder genoemd:

Beheersing van biologische afbraak door corrosieve biofilms van metalen constructies (zoals pijpleidingen, containers voor radioactief afval, onder andere).
Beheersing van ongedierte en ziekteverwekkers.
Herstel van landbouwbodems die zijn aangetast door overexploitatie.
Biologische behandeling van vast afval in compostering en stortplaatsen.
Biologische behandeling van afvalwater, via afvalwaterzuiveringssystemen (bijvoorbeeld met behulp van geïmmobiliseerde biofilms).
Bioremediatie van bodems en wateren die zijn verontreinigd met anorganische stoffen (zoals zware metalen) of xenobiotisch (giftige synthetische producten, niet gegenereerd door natuurlijke biosynthetische processen). Deze xenobiotische verbindingen omvatten halogeenkoolwaterstoffen, nitroaromaten, polychloorbifenylen, dioxines, alkylbenzylsulfonaten, petroleumkoolwaterstoffen en pesticiden.

Figuur 6. Milieuverontreiniging met stoffen van industriële oorsprong. Bron: pixabay.com

Biorecuperatie van mineralen door bioleaching (bijvoorbeeld goud en koper).
Productie van biobrandstoffen (ethanol, methaan, onder andere koolwaterstoffen) en microbiële biomassa.

Referenties

Kim, MB. (2008). Vooruitgang in milieumicrobiologie. Myung-Bo Kim Editor. blz 275.
Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA en Brock, T. (2015). Brockbiologie van micro-organismen. 14 ed. Benjamin Cummings. pp 1041.
Madsen, EL (2008). Milieumicrobiologie: van genomen tot biogeochemie. Wiley-Blackwell. blz 490.
McKinney, RE (2004). Milieuverontreiniging Microbiologie. M. Dekker. blz 453.
Prescott, LM (2002). Microbiologie. Vijfde editie, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. blz 1147.
Van den Burg, B. (2003). Extremofielen als bron voor nieuwe enzymen. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
Wilson, SC en Jones, KC (1993). Bioremediatie van grond die is verontreinigd met polynucleaire aromatische koolwaterstoffen (PAK's): een overzicht. Milieuverontreiniging, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.

MICROBIËLE ECOLOGIE: GESCHIEDENIS, STUDIEOBJECT EN TOEPASSINGEN - BIOLOGIE - 2025