MIKROBIELLE ÖKOLOGIE: GESCHICHTE, UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND UND ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die mikrobielle Ökologie ist eine Disziplin der Umweltmikrobiologie, die sich aus der Anwendung ökologischer Prinzipien auf die Mikrobiologie ergibt (Mikros: klein, Bios: Leben, Logos: Studie).

Diese Disziplin untersucht die Vielfalt von Mikroorganismen (mikroskopisch kleine einzellige Organismen von 1 bis 30 µm), die Beziehungen zwischen ihnen zum Rest der Lebewesen und zur Umwelt.

Abbildung 1. Algen, Bakterien und Amöbenprotozoen, die in unbehandelten Wasserproben interagieren. Quelle: CDC / Janice Haney Carr, unter: publicdomainfiles.com

Da Mikroorganismen die größte terrestrische Biomasse darstellen, wirken sich ihre ökologischen Aktivitäten und Funktionen tiefgreifend auf alle Ökosysteme aus.

Die frühe photosynthetische Aktivität von Cyanobakterien und die daraus resultierende Anreicherung von Sauerstoff (O ₂ ) in der primitiven Atmosphäre ist eines der deutlichsten Beispiele für mikrobiellen Einfluss in der Evolutionsgeschichte des Lebens auf dem Planeten Erde.

Dies ermöglichte angesichts der Anwesenheit von Sauerstoff in der Atmosphäre das Auftreten und die Entwicklung aller vorhandenen aeroben Lebensformen.

Abbildung 2. Spiralförmige Cyanobakterien. Quelle: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganismen behalten eine kontinuierliche und wesentliche Aktivität für das Leben auf der Erde bei. Die Mechanismen, die die mikrobielle Vielfalt der Biosphäre erhalten, sind die Grundlage für die Dynamik terrestrischer, aquatischer und luftiger Ökosysteme.

Angesichts seiner Bedeutung würde das mögliche Aussterben mikrobieller Gemeinschaften (aufgrund der Kontamination ihrer Lebensräume mit industriellen toxischen Substanzen) das Verschwinden von Ökosystemen in Abhängigkeit von ihren Funktionen verursachen.

Geschichte der mikrobiellen Ökologie

Prinzipien der Ökologie

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden die Prinzipien der allgemeinen Ökologie unter Berücksichtigung der Untersuchung „höherer“ Pflanzen und Tiere in ihrer natürlichen Umgebung entwickelt.

Mikroorganismen und ihre Ökosystemfunktionen wurden dann trotz ihrer großen Bedeutung für die ökologische Geschichte des Planeten ignoriert, sowohl weil sie die größte terrestrische Biomasse darstellen als auch weil sie die ältesten Organismen in der Evolutionsgeschichte des Lebens auf der Erde sind. .

Zu dieser Zeit wurden in einigen Nährstoffkreisläufen nur Mikroorganismen als Abbauprodukte, Mineralisatoren organischer Stoffe und Zwischenprodukte angesehen.

Mikrobiologie

Es wird angenommen, dass die Wissenschaftler Louis Pasteur und Robert Koch die Disziplin der Mikrobiologie begründeten, indem sie die Technik der axenischen Mikrobenkultur entwickelten, die einen einzelnen Zelltyp enthält, der von einer einzelnen Zelle abstammt.

Abbildung 3. Axenische Bakterienkultur. Quelle: pixabay.com

In axenischen Kulturen konnten die Wechselwirkungen zwischen mikrobiellen Populationen jedoch nicht untersucht werden. Es war notwendig, Methoden zu entwickeln, mit denen mikrobielle biologische Wechselwirkungen in ihren natürlichen Lebensräumen untersucht werden können (die Essenz ökologischer Beziehungen).

Die ersten Mikrobiologen, die Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen im Boden und Wechselwirkungen mit Pflanzen untersuchten, waren Sergéi Winogradsky und Martinus Beijerinck, während sich die Mehrheit auf die Untersuchung axenischer Kulturen von Mikroorganismen im Zusammenhang mit Krankheiten oder Fermentationsprozessen von kommerziellem Interesse konzentrierte.

Winogradsky und Beijerinck untersuchten insbesondere die mikrobiellen Biotransformationen anorganischer Stickstoff- und Schwefelverbindungen im Boden.

Mikrobielle Ökologie

In den frühen 1960er Jahren, in Zeiten der Sorge um die Umweltqualität und der umweltschädlichen Auswirkungen industrieller Aktivitäten, entwickelte sich die mikrobielle Ökologie zu einer Disziplin. Der amerikanische Wissenschaftler Thomas D. Brock war 1966 der erste Autor eines Textes zu diesem Thema.

Es war jedoch Ende der 1970er Jahre, als die mikrobielle Ökologie als spezialisierter multidisziplinärer Bereich konsolidiert wurde, da sie von anderen wissenschaftlichen Zweigen wie Ökologie, Zell- und Molekularbiologie und Biogeochemie abhängt.

Abbildung 4. Mikrobielle Wechselwirkungen. Quelle: Public Health Image Library, unter publicdomainfiles.com

Die Entwicklung der mikrobiellen Ökologie hängt eng mit den methodischen Fortschritten zusammen, die es ermöglichen, die Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und den biotischen und abiotischen Faktoren ihrer Umwelt zu untersuchen.

In den 1990er Jahren wurden molekularbiologische Techniken in die gleichmäßige In-situ-Untersuchung der mikrobiellen Ökologie einbezogen, um die enorme Artenvielfalt der mikrobiellen Welt zu erkunden und ihre Stoffwechselaktivitäten in Umgebungen unter extremen Bedingungen zu kennen.

Abbildung 5. Mikrobielle Wechselwirkungen. Quelle. Janice Haney Carr, USCDCP, unter: pixnio.com

Anschließend ermöglichte die rekombinante DNA-Technologie wichtige Fortschritte bei der Beseitigung von Umweltkontaminanten sowie bei der Bekämpfung kommerziell wichtiger Schädlinge.

Methoden der mikrobiellen Ökologie

Unter den Methoden, die die In-situ-Untersuchung von Mikroorganismen und ihrer Stoffwechselaktivität ermöglicht haben, sind:

• Konfokale Lasermikroskopie.
• Molekulare Werkzeuge wie fluoreszierende Gensonden, mit denen komplexe mikrobielle Gemeinschaften untersucht werden konnten.
• Die Polymerasekettenreaktion oder PCR (für das Akronym in Englisch: Polymerasekettenreaktion).
• Radioaktive Marker und chemische Analysen, mit denen unter anderem die mikrobielle Stoffwechselaktivität gemessen werden kann.

Unterdisziplinen

Die mikrobielle Ökologie ist normalerweise in Unterdisziplinen unterteilt, wie z.

• Die Autoökologie oder Ökologie genetisch verwandter Populationen.
• Die Ökologie mikrobieller Ökosysteme, die die mikrobiellen Gemeinschaften in einem bestimmten Ökosystem (terrestrisch, luftig oder aquatisch) untersucht.
• Mikrobielle biogeochemische Ökologie, die biogeochemische Prozesse untersucht.
• Ökologie der Beziehungen zwischen Wirt und Mikroorganismen.
• Mikrobielle Ökologie bei Umweltkontaminationsproblemen und bei der Wiederherstellung des ökologischen Gleichgewichts in intervenierten Systemen.

Untersuchungsgebiete

Zu den Untersuchungsgebieten der mikrobiellen Ökologie gehören:

• Mikrobielle Evolution und ihre physiologische Vielfalt unter Berücksichtigung der drei Lebensbereiche; Bakterien, Arquea und Eukaria.
• Rekonstruktion mikrobieller phylogenetischer Beziehungen.
• Quantitative Messungen der Anzahl, Biomasse und Aktivität von Mikroorganismen in ihrer Umgebung (einschließlich nicht kultivierbarer).
• Positive und negative Wechselwirkungen innerhalb einer mikrobiellen Population.
• Die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen mikrobiellen Populationen (Neutralismus, Kommensalismus, Synergismus, Gegenseitigkeit, Wettbewerb, Amensalismus, Parasitismus und Raub).
• Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Pflanzen: in der Rhizosphäre (mit stickstofffixierenden Mikroorganismen und Mykorrhizapilzen) und in Pflanzenluftstrukturen.
• Phytopathogene; bakteriell, pilzartig und viral.
• Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und Tieren (gegenseitige und kommensale Darmsymbiose, Prädation ua).
• Zusammensetzung, Funktionsweise und Nachfolgeprozesse in mikrobiellen Gemeinschaften.
• Mikrobielle Anpassungen an extreme Umweltbedingungen (Untersuchung extremophiler Mikroorganismen).
• Die Arten von mikrobiellen Lebensräumen (Atmosphäre-Ökosphäre, Hydro-Ökosphäre, Litho-Ökosphäre und extreme Lebensräume).
• Biogeochemische Kreisläufe, die von mikrobiellen Gemeinschaften beeinflusst werden (Zyklen von Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor, Eisen ua).
• Verschiedene biotechnologische Anwendungen bei Umweltproblemen und von wirtschaftlichem Interesse.

Anwendungen

Mikroorganismen sind in den globalen Prozessen, die die Erhaltung der Umwelt und der menschlichen Gesundheit ermöglichen, von wesentlicher Bedeutung. Darüber hinaus dienen sie als Modell für die Untersuchung zahlreicher Populationsinteraktionen (z. B. Raubtiere).

Das Verständnis der grundlegenden Ökologie von Mikroorganismen und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt hat es ermöglicht, biotechnologische Stoffwechselkapazitäten zu identifizieren, die für verschiedene Bereiche von wirtschaftlichem Interesse gelten. Einige dieser Bereiche sind nachstehend aufgeführt:

• Kontrolle des biologischen Abbaus durch korrosive Biofilme metallischer Strukturen (wie Pipelines, Behälter für radioaktive Abfälle usw.).
• Bekämpfung von Schädlingen und Krankheitserregern.
• Wiederherstellung landwirtschaftlicher Böden durch Übernutzung.
• Biobehandlung fester Abfälle bei Kompostierung und Deponierung.
• Biobehandlung von Abwässern durch Abwasserbehandlungssysteme (z. B. unter Verwendung von immobilisierten Biofilmen).
• Bioremediation von Böden und Gewässern, die mit anorganischen Substanzen (wie Schwermetallen) oder Xenobiotika (toxische synthetische Produkte, die nicht durch natürliche Biosyntheseprozesse erzeugt werden) kontaminiert sind. Diese xenobiotischen Verbindungen umfassen Halogenkohlenwasserstoffe, Nitroaromaten, polychlorierte Biphenyle, Dioxine, Alkylbenzylsulfonate, Erdölkohlenwasserstoffe und Pestizide.

Abbildung 6. Umweltverschmutzung mit Stoffen industriellen Ursprungs. Quelle: pixabay.com

• Biorecovery von Mineralien durch Bioleaching (z. B. Gold und Kupfer).
• Herstellung von Biokraftstoffen (Ethanol, Methan ua Kohlenwasserstoffe) und mikrobieller Biomasse.

Verweise

1. Kim, MB. (2008). Fortschritte in der Umweltmikrobiologie. Myung-Bo Kim Herausgeber. S. 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA und Brock, T. (2015). Brock-Biologie von Mikroorganismen. 14 ed. Benjamin Cummings. S. 1041.
3. Madsen, EL (2008). Umweltmikrobiologie: Vom Genom zur Biogeochemie. Wiley-Blackwell. S. 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologie zur Kontrolle der Umweltverschmutzung. M. Dekker. S. 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologie. Fünfte Ausgabe, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. S. 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Extremophile als Quelle für neuartige Enzyme. Current Opinion in Microbiology, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC und Jones, KC (1993). Bioremediation von mit mehrkernigen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) kontaminiertem Boden: Eine Übersicht. Environmental Pollution, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.