אקולוגיה מיקרוביאלית: היסטוריה, מושא לימוד ויישומים - ביולוגיה - 2025

אקולוגיה מיקרוביאלית היא דיסציפלינה למיקרוביולוגיה סביבתית הנובעות מיישום של עקרונות אקולוגיים וכלה במיקרוביולוגיה (Mikros: קטן, BIOS: חיים, לוגו: מחקר).

תחום זה חוקר את המגוון של מיקרואורגניזמים (אורגניזמים חד-תאיים מיקרוסקופיים בין 1 ל- 30 מיקרומטר), את היחסים ביניהם עם שאר היצורים החיים ועם הסביבה.

איור 1 באיור 1. אצות, חיידקים ופרוטוזות אמיבואידים מתקיימות יחסי גומלין במדגם מים לא מטופלים. מקור: CDC / ג'ניס הייני קאר, בכתובת: publicdomainfiles.com

מכיוון שמיקרואורגניזמים מייצגים את הביומסה הארצית הגדולה ביותר, פעולותיהם האקולוגיות ופונקציותיהם משפיעות באופן עמוק על כל המערכות האקולוגיות.

הפעילות הפוטוסינתטית המוקדמת של ציאנובקטריה והצטברות החמצן (O ₂ ) בה באווירה הקדומה מייצגת אחת הדוגמאות הברורות ביותר להשפעה מיקרוביאלית בהיסטוריה האבולוציונית של החיים על כדור הארץ.

זאת, בהתחשב בכך שנוכחות חמצן באטמוספרה, אפשרה את הופעתם והתפתחותם של כל צורות החיים האירוביות הקיימות.

איור 2. איור חיידקים בצורת ספירלה. מקור: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

מיקרואורגניזמים מקיימים פעילות רציפה וחיונית לחיים על כדור הארץ. המנגנונים השומרים על המגוון המיקרוביאלי בביוספרה הם הבסיס לדינמיקה של מערכות אקולוגיות יבשתיות, ימיות ואוויריות.

בהתחשב בחשיבותה, הכחדה אפשרית של קהילות חיידקים (עקב זיהום בתי הגידול שלהם עם חומרים רעילים תעשייתיים), תביא להעלמתן של המערכות האקולוגיות התלויות בתפקודן.

היסטוריה של אקולוגיה מיקרוביאלית

עקרונות האקולוגיה

במחצית הראשונה של המאה העשרים פותחו עקרונות האקולוגיה הכללית בהתחשב במחקר של צמחים ובעלי חיים "גבוהים יותר" בסביבתם הטבעית.

אז התעלמו ממיקרואורגניזמים ותפקודי המערכת האקולוגית שלהם, למרות חשיבותם הרבה בהיסטוריה האקולוגית של כדור הארץ, הן מכיוון שהם מייצגים את הביומסה הארצית הגדולה ביותר והן מכיוון שהם האורגניזמים העתיקים ביותר בהיסטוריה האבולוציונית של החיים על כדור הארץ. .

באותה תקופה, רק מיקרואורגניזמים נחשבו לביזויים, מינרליזרים של חומר אורגני ומתווכים בכמה מחזורי תזונה.

מִיקרוֹבִּיוֹלוֹגִיָה

המדענים לואי פסטר ורוברט קוך נחשבים כמי שהקימו את תחום המיקרוביולוגיה על ידי פיתוח הטכניקה של התרבות המיקרוביאלית האקסנית, המכילה סוג תא בודד, שמוצא מתא בודד.

איור 3. תרבות חיידקים צירית. מקור: pixabay.com

עם זאת, בתרבויות אקסניות לא ניתן היה ללמוד את האינטראקציות בין אוכלוסיות מיקרוביאליות. היה צורך לפתח שיטות שיאפשרו לחקור אינטראקציות ביולוגיות מיקרוביאליות בסביבתם הטבעית (תמצית מערכות היחסים האקולוגיות).

המיקרוביולוגים הראשונים שבדקו אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים, באדמה ואינטראקציות עם צמחים, היו סרגיי וינוגרדסקי ומרטינוס ביירינק, ואילו הרוב התמקד בחקר תרבויות אקסניות של מיקרואורגניזמים הקשורים למחלות או לתהליכי תסיסה בעלי עניין מסחרי.

וינוגרדסקי וביירינק בחנו במיוחד את התצורות הביולוגיות של החיידקים של חנקן אורגני ותרכובות גופרית באדמה.

אקולוגיה מיקרוביאלית

בתחילת שנות השישים, בעידן הדאגה לאיכות הסביבה וההשפעה המזהמת של פעילויות תעשייתיות, האקולוגיה המיקרוביאלית הופיעה כתחום. המדען האמריקני תומאס ד ברוק, היה המחבר הראשון לטקסט בנושא בשנת 1966.

עם זאת, זה היה בסוף שנות השבעים כאשר אקולוגיה מיקרוביאלית אוחדה כאזור רב תחומי מיוחד, מכיוון שהיא תלויה בענפים מדעיים אחרים, כמו אקולוגיה, ביולוגיה תאית ומולקולרית, ביוגאוכימיה, בין היתר.

תרשים 4. אינטראקציות מיקרוביאליות. מקור: ספריית התמונות לבריאות הציבור, בכתובת publicdomainfiles.com

ההתפתחות של אקולוגיה מיקרוביאלית קשורה קשר הדוק להתקדמות המתודולוגית המאפשרת לחקור את האינטראקציות בין המיקרואורגניזמים לבין הגורמים הביוטיים והאביוטיים בסביבתם.

בשנות התשעים שולבו טכניקות ביולוגיה מולקולרית במחקר אפילו באתרם של אקולוגיה מיקרוביאלית, והציעו אפשרות לחקור את המגוון הביולוגי העצום הקיים בעולם המיקרוביאלי וגם לדעת את פעילותו המטבולית בסביבות בתנאים קיצוניים.

איור 5. אינטראקציות מיקרוביאליות. מָקוֹר. ג'ניס הייני קאר, USCDCP, באתר: pixnio.com

בהמשך הטכנולוגיה של DNA רקומביננטי אפשרה התקדמות חשובה בחיסול מזהמים סביבתיים, כמו גם בבקרת מזיקים חשובים מסחריים.

שיטות באקולוגיה מיקרוביאלית

בין השיטות שאיפשרו מחקר מקומי במיקרואורגניזמים ופעילותן המטבולית, ישנם:

• מיקרוסקופיית לייזר קונפוקלית.
• כלים מולקולריים כמו בדיקות גנים פלורסנטיים, אשר אפשרו לחקור קהילות מיקרוביאליות מורכבות.
• תגובת שרשרת הפולימראז או PCR (לראשי התיבות שלה באנגלית: Reaction Chain Polymerase).
• סמנים רדיואקטיביים וניתוחים כימיים המאפשרים מדידת פעילות מטבולית מיקרוביאלית בין היתר.

תת-דיסציפלינות

אקולוגיה מיקרוביאלית מחולקת בדרך כלל לתתי תחומים, כגון:

• האוטואקולוגיה או האקולוגיה של אוכלוסיות הקשורות גנטית.
• האקולוגיה של מערכות אקולוגיות מיקרוביאליות, החוקרת את קהילות החיידקים במערכת אקולוגית מסוימת (יבשתית, אווירית או מימית).
• אקולוגיה ביוגו-כימית מיקרוביאלית, החוקרת תהליכים ביוגאוכימיים.
• אקולוגיה של היחסים בין המארח למיקרואורגניזמים.
• אקולוגיה מיקרוביאלית המיושמת על בעיות זיהום סביבתי ובשיקום האיזון האקולוגי במערכות התערבות.

אזורי לימוד

בין תחומי המחקר של אקולוגיה מיקרוביאלית הם:

• האבולוציה המיקרוביאלית והמגוון הפיזיולוגי שלה, בהתחשב בשלושת תחומי החיים; חיידקים, ארקאה ואוקריה.
• שחזור של מערכות יחסים פילוגנטיות מיקרוביאליות.
• מדידות כמותיות של המספר, הביומסה והפעילות של מיקרואורגניזמים בסביבתם (כולל אלה שאינם מעובדים).
• אינטראקציות חיוביות ושליליות בתוך אוכלוסייה מיקרוביאלית.
• האינטראקציות בין אוכלוסיות מיקרוביאליות שונות (ניטרליזם, קומנסליזם, סינרגיזם, הדדיות, תחרות, אמנליזם, טפיליות וטורפות).
• אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים וצמחים: ברכוזפרה (עם מיקרואורגניזמים מקובעים חנקן ופטריות mycorrhizal), ובמבנים אוויריים צמחיים.
• פיטופתוגנים; חיידקי, פטרייתי ויראלי.
• אינטראקציות בין מיקרואורגניזמים לבעלי חיים (סימביוזה במעי הדדי ובתקע, טורף, בין השאר).
• הרכב, תפקוד ותהליכי הירושה בקהילות חיידקים.
• התאמות מיקרוביאליות לתנאים סביבתיים קיצוניים (מחקר של מיקרואורגניזמים קיצוניים).
• סוגי בתי הגידול החיידקים (אטמוספרה-אקוספירה, הידרו-אקוספירה, ליטו-אקוספירה ובתי גידול קיצוניים).
• מחזורים ביוגאוכימיים המושפעים מקהילות חיידקים (מחזורי פחמן, מימן, חמצן, חנקן, גופרית, זרחן, ברזל, בין היתר).
• יישומים ביוטכנולוגיים שונים בבעיות סביבתיות ובעלי עניין כלכלי.

יישומים

מיקרואורגניזמים חיוניים בתהליכים הגלובליים המאפשרים שמירה על בריאות הסביבה ובני האדם. בנוסף, הם משמשים מודל במחקר של אינטראקציות אוכלוסיות רבות (למשל, טורף).

ההבנה של האקולוגיה הבסיסית של מיקרואורגניזמים והשפעותיהם על הסביבה אפשרה לזהות יכולות מטבוליות ביוטכנולוגיות החלות על אזורים שונים בעלי עניין כלכלי. כמה אזורים אלה מוזכרים להלן:

• בקרה על השפלה ביולוגית על ידי ביו-סרטים קורוזיביים של מבנים מתכתיים (כגון צינורות, מיכלי פסולת רדיואקטיבית, בין היתר).
• הדברת מזיקים ופתוגנים.
• שיקום קרקעות חקלאיות שהושברו על ידי ניצול יתר.
• טיפול ביולוגי בפסולת מוצקה בקומפוסטציה והטמנה.
• טיפול ביולוגי בשפכים, דרך מערכות לטיפול בשפכים (למשל, באמצעות ביו-סרטים לא מאובזרים).
• ביור-תיווך של קרקעות ומים המזוהמים בחומרים אורגניים (כמו מתכות כבדות), או קסנווביוטיים (מוצרים סינתטיים רעילים, שאינם נוצרים מתהליכים ביו-סינתטיים טבעיים). תרכובות קסנו-ביוטיות אלה כוללות הלוק פחמימות, ניטרו-ארומטיקה, דו-כינין, דו-חמצני, אלקילבנזיל סולפונאטים, פחמימנים נפטיים והדברה.

איור 6. זיהום סביבתי עם חומרים ממקור תעשייתי. מקור: pixabay.com

• התאוששות ביוראלית של מינרלים באמצעות ליטוש ביולוגי (למשל, זהב ונחושת).
• ייצור דלקים ביולוגיים (אתנול, מתאן, בין השאר פחמימנים) ובביומסה מיקרוביאלית.

הפניות

1. קים, מ.ב. (2008). התקדמות במיקרוביולוגיה סביבתית. עורך Myung-Bo Kim. עמ '275.
2. מדיגן, מ.ט., מרטינקו, ג'יי.מ, בנדר, ק.ס., באקלי, ד.ה. שטאל, ד.א. ו ברוק, ט (2015). ברוק ביולוגיה של מיקרואורגניזמים. 14 ed. בנג'מין קאמינגס. עמ '1041.
3. Madsen, EL (2008). מיקרוביולוגיה סביבתית: מגנים לגילוי ביוגאוכימיה. וויילי-בלקוול. עמ '490.
4. מקיני, רי (2004). מיקרוביולוגיה לבקרת זיהום סביבתי. מ. דקר. עמ '453.
5. Prescott, LM (2002). מִיקרוֹבִּיוֹלוֹגִיָה. מהדורה חמישית, McGraw-Hill מדע / הנדסה / מתמטיקה. עמ '1147.
6. ואן דן בורג, ב '(2003). אקסטרמופילים כמקור לאנזימים חדשים. חוות דעת נוכחית במיקרוביולוגיה, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. וילסון, SC, וג'ונס, KC (1993). Bioremediation של אדמה מזוהמת עם פחמימנים ארומטיים רב-גרעיניים (PAHs): סקירה. זיהום סביבתי, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.