Изучение взаимоотношений микроорганизмов с окружающей средой.
Великая аномалия количества тарелок. Количество клеток, полученных путем культивирования, на порядки ниже, чем количество клеток, наблюдаемое непосредственно под микроскопом. Это связано с тем, что микробиологи могут культивировать лишь небольшую часть встречающихся в природе микробов, используя современные лабораторные методы, в зависимости от окружающей среды. [1]
Микробная экология (или экологическая микробиология ) — это экология микроорганизмов : их взаимоотношения друг с другом и с окружающей средой. Это касается трех основных сфер жизни — эукариот , архей и бактерий , — а также вирусов . [2]
Микроорганизмы своим вездесущим воздействием оказывают влияние на всю биосферу . Микробная жизнь играет первостепенную роль в регулировании биогеохимических систем практически во всех средах нашей планеты, включая некоторые из самых экстремальных , от замерзшей среды и кислых озер до гидротермальных источников на дне самых глубоких океанов, а также некоторых из наиболее известных, таких как как тонкая кишка человека , нос и рот . [3] [4] [5] Вследствие количественной величины микробной жизни (рассчитанной как5,0 × 10 30 ячеек; на восемь порядков больше, чем количество звезд в наблюдаемой Вселенной [6] [7] ) микробы уже благодаря своей биомассе представляют собой значительный поглотитель углерода . [8] Помимо фиксации углерода, ключевые коллективные метаболические процессы микроорганизмов (включая фиксацию азота , фиксацию углерода , метаболизм метана и метаболизм серы ) контролируют глобальный биогеохимический цикл. [9] Масштабы производства микроорганизмов таковы, что даже при полном отсутствии эукариотической жизни эти процессы, вероятно, продолжались бы без изменений. [10]
История
Хотя микробы изучаются с семнадцатого века, эти исследования велись преимущественно с физиологической, а не экологической точки зрения. [11] Например, Луи Пастер и его ученики интересовались проблемой распространения микробов как на суше, так и в океане. [12] Мартинус Бейеринк изобрел накопительную культуру , фундаментальный метод изучения микробов из окружающей среды. Ему часто ошибочно приписывают создание микробной биогеографической идеи о том, что «все есть везде, но среда выбирает», которую высказал Лоренс Баас Бекинг . [13] Сергей Виноградский был одним из первых исследователей, попытавшихся понять микроорганизмы вне медицинского контекста, что сделало его одним из первых студентов, изучающих микробную экологию и микробиологию окружающей среды, открывших хемосинтез и разработавших в процессе колонку Виноградского . [14] : 644
Однако Бейеринк и Виндоградский были сосредоточены на физиологии микроорганизмов, а не на их среде обитания или их экологических взаимодействиях. [11] Современную микробную экологию начали Роберт Хангейт и его коллеги, которые исследовали экосистему рубца . Изучение рубца потребовало от Хангейта разработки методов культивирования анаэробных микробов, а также он впервые применил количественный подход к изучению микробов и их экологической активности, который дифференцировал относительный вклад видов и катаболических путей . [11]
Прогресс в микробной экологии связан с разработкой новых технологий. Измерение скорости биогеохимических процессов в природе стало возможным благодаря доступности радиоизотопов , начиная с 1950-х годов. Например, 14 CO 2 позволили проанализировать скорость фотосинтеза в океане (ссылка). Еще один значительный прорыв произошел в 1980-х годах, когда были разработаны микроэлектроды, чувствительные к химическим веществам, таким как O2. [15] Эти электроды имеют пространственное разрешение 50–100 мкм и позволяют анализировать пространственную и временную биогеохимическую динамику в микробных матах и отложениях. [ нужна цитата ]
Хотя измерение скорости биогеохимических процессов могло проанализировать, какие процессы происходят, они были неполными, поскольку не давали информации о том, какие конкретные микробы ответственны за это. Давно было известно, что «классические» методы культивирования позволяют восстановить менее 1% микробов из естественной среды обитания. Однако, начиная с 1990-х годов, был разработан ряд независимых от культивирования методов определения относительной численности микробов в среде обитания. Карл Вёзе первым продемонстрировал, что последовательность молекулы 16S рибосомальной РНК можно использовать для анализа филогенетических взаимоотношений. [16] Норм Пейс взял эту плодотворную идею и применил ее к анализу «кто там» в естественной среде. Процедура включает в себя (а) выделение нуклеиновых кислот непосредственно из природной среды, (б) ПЦР-амплификацию последовательностей генов малых субъединиц рРНК, (в) секвенирование ампликонов и (г) сравнение этих последовательностей с базой данных последовательностей из чистых источников. культуры и ДНК окружающей среды. [17] Это дало огромное представление о разнообразии среды обитания микробов. Однако он не решает, как связать конкретных микробов с их биогеохимической ролью. Метагеномика , секвенирование тотальной ДНК, извлеченной из окружающей среды, может дать представление о биогеохимическом потенциале, [18] тогда как метатранскриптомика и метапротеомика могут измерить фактическое выражение генетического потенциала, но остается более сложной с технической точки зрения. [19]
Роли
Микроорганизмы являются основой всех экосистем , но особенно в тех зонах, где фотосинтез невозможен из-за отсутствия света. В таких зонах хемосинтезирующие микробы обеспечивают энергию и углерод другим организмам. Эти хемотрофные организмы также могут функционировать в среде с недостатком кислорода, используя для дыхания другие акцепторы электронов . [ нужна цитата ]
Другие микробы являются разлагателями и способны перерабатывать питательные вещества из продуктов жизнедеятельности других организмов. Эти микробы играют жизненно важную роль в биогеохимических циклах. [20] Цикл азота , цикл фосфора , цикл серы и цикл углерода – все они так или иначе зависят от микроорганизмов. Каждый цикл работает вместе, чтобы регулировать микроорганизмы в определенных процессах. [21] Например, газообразный азот , который составляет 78% атмосферы Земли, недоступен для большинства организмов до тех пор, пока он не будет преобразован в биологически доступную форму в результате микробного процесса фиксации азота . [22] В отличие от циклов азота и углерода, стабильные газообразные соединения не создаются в цикле фосфора в окружающей среде. Микроорганизмы играют роль в растворении фосфатов, улучшении здоровья почвы и роста растений. [23]
Из-за высокого уровня горизонтального переноса генов между микробными сообществами [24] микробная экология также имеет важное значение для изучения эволюции . [25]
Эволюция
Микробная экология вносит свой вклад в эволюцию во многих частях мира. Например, различные виды микробов развили динамику и функции CRISPR , что позволяет лучше понять здоровье человека. [26]
Симбиоз
Микробы, особенно бактерии, часто вступают в симбиотические отношения ( положительные или отрицательные ) с другими микроорганизмами или более крупными организмами. Несмотря на физически небольшие размеры, симбиотические отношения между микробами играют важную роль в эукариотических процессах и их эволюции. [27] [28] Типы симбиотических отношений, в которых участвуют микробы, включают мутуализм , комменсализм , паразитизм , [29] и аменсализм [30] , которые во многом влияют на экосистему.
мутуализм
Мутуализм в микробной экологии — это отношения между видами микробов и людьми, которые позволяют обеим сторонам получать выгоду. [31] Одним из таких примеров может быть синтрофия , также известная как перекрестное питание, [30] классическим примером которой является « Methanobacterium omelianski ». [32] [33] Этот консорциум образован организмом, ферментирующим этанол, и метаногеном . Организм, ферментирующий этанол, снабжает партнера-архей H 2 , который необходим этому метаногену для роста и производства метана. [27] [33] Было высказано предположение, что синтрофия играет значительную роль в средах с ограниченным потреблением энергии и питательных веществ, таких как глубокие недра, где она может помочь микробному сообществу с разнообразными функциональными свойствами выживать, расти и производить максимальное количество энергии. . [34] [35] Анаэробное окисление метана (АОМ) осуществляется мутуалистическим консорциумом сульфатредуцирующей бактерии и анаэробной метанокисляющей археи . [36] [37] Реакция, используемая бактериальным партнером для производства H 2 , является эндергонической (и поэтому термодинамически неблагоприятной), однако в сочетании с реакцией, используемой партнером-архей, общая реакция становится экзергонической . [27] Таким образом, эти два организма находятся в мутуалистических отношениях, которые позволяют им расти и процветать в среде, смертельной для любого вида в отдельности. Лишайник является примером симбиотического организма. [33]
Комменсализм
Комменсализм очень распространен в микробном мире и буквально означает «есть за одним столом». [38] Продукты метаболизма одной микробной популяции используются другой микробной популяцией без какой-либо выгоды или вреда для первой популяции. Существует множество «пар» видов микробов, которые выполняют реакции окисления или восстановления по одному и тому же химическому уравнению. Например, метаногены производят метан путем восстановления CO 2 до CH 4 , а метанотрофы окисляют метан обратно в CO 2 . [39]
Аменсализм
Аменсализм (также широко известный как антагонизм) — это тип симбиотических отношений, при которых одному виду/организму наносится вред, а другой остается незатронутым. [31] Одним из примеров таких отношений, которые имеют место в микробной экологии, являются виды микробов Lactobacillus casei и Pseudomonas taetrolens . [40] При сосуществовании в окружающей среде Pseudomonas taetrolens подавляет рост и снижает выработку лактобионовой кислоты (его основного продукта), скорее всего, из-за побочных продуктов, создаваемых Lactobacillus casei во время производства молочной кислоты. [41] Однако Lactobacillus casei не демонстрирует никаких различий в своем поведении, и такие отношения можно определить как аменсализм. [ нужна цитата ]
Управление микробными ресурсами
Биотехнология может использоваться наряду с микробной экологией для решения ряда экологических и экономических проблем. Например, молекулярные методы, такие как дактилоскопия сообществ или метагеномика, могут использоваться для отслеживания изменений в микробных сообществах с течением времени или оценки их биоразнообразия . Управление углеродным циклом с целью улавливания углекислого газа и предотвращения избыточного метаногенеза важно для смягчения глобального потепления , а перспективы биоэнергетики расширяются за счет разработки микробных топливных элементов . Управление микробными ресурсами пропагандирует более прогрессивное отношение к болезням , при котором агентам биологической борьбы отдается предпочтение перед попытками их искоренения. Для реализации потенциала этой области необходимо лучше охарактеризовать потоки в микробных сообществах . [42] Кроме того, существуют и клинические последствия, поскольку морские микробные симбиозы являются ценным источником существующих и новых противомикробных агентов и, таким образом, предлагают еще одно направление исследований в эволюционной гонке вооружений по устойчивости к антибиотикам , что является насущной проблемой для исследователей. [43]
В искусственной среде и человеческом взаимодействии
Микробы существуют во всех помещениях, включая дома, офисы, коммерческие центры и больницы. В 2016 году журнал Microbiome опубликовал сборник различных работ, посвященных микробной экологии искусственной среды . [44]
Исследование патогенных бактерий, проведенное в больницах в 2006 году, показало, что их способность к выживанию варьируется в зависимости от типа: некоторые выживают всего несколько дней, а другие - месяцы. [45]
Продолжительность жизни микробов в доме варьируется аналогичным образом. Обычно бактериям и вирусам требуется влажная среда с влажностью более 10 процентов. [46] Кишечная палочка может выжить от нескольких часов до суток. [46] Бактерии, образующие споры, могут выживать дольше: Staphylococcus aureus потенциально выживает в течение нескольких недель или, в случае Bacillus anthracis , лет. [46]
Домашние животные могут быть переносчиками бактерий; например, рептилии обычно являются переносчиками сальмонеллы. [47]
S. aureus особенно распространен и бессимптомно колонизирует около 30% населения; [48] попытки деколонизации носителей имели ограниченный успех [49] и обычно включают назальный прием мупироцина и промывание хлоргексидином , возможно, вместе с ванкомицином и котримоксазолом для лечения инфекций кишечника и мочевыводящих путей. [50]
противомикробные препараты
Некоторые металлы, особенно медь , серебро и золото, обладают противомикробными свойствами. Использование противомикробных сенсорных поверхностей из медного сплава — это метод, который начал использоваться в 21 веке для предотвращения передачи бактерий. [51] [52] Наночастицы серебра также начали включаться в строительные поверхности и ткани, хотя были высказаны опасения по поводу потенциальных побочных эффектов крошечных частиц на здоровье человека. [53] Из-за антимикробных свойств некоторых металлов, такие продукты, как медицинские устройства, изготавливаются с использованием этих металлов. [52]
^ Гугенгольц, П. (2002). «Изучение прокариотического разнообразия в эпоху генома». Геномная биология . 3 (2): обзоры0003.обзоры0001. doi : 10.1186/gb-2002-3-2-reviews0003 . ПМК 139013 . ПМИД 11864374.
^ Бартон, Ларри Л.; Нортап, Диана Э. (9 сентября 2011 г.). Микробная экология. Уайли-Блэквелл. Оксфорд: Джон Уайли и сыновья. п. 22. ISBN978-1-118-01582-7. Проверено 25 мая 2013 г.
^ Боулер, Крис; Карл, Дэвид М.; Колвелл, Рита Р. (2009). «Микробная океанография в море возможностей». Природа . 459 (7244): 180–4. Бибкод : 2009Natur.459..180B. дои : 10.1038/nature08056. PMID 19444203. S2CID 4426467.
^ Хентгес, Дэвид Дж. (1993). «Анаэробная микрофлора человеческого организма». Клинические инфекционные болезни . 16 : С175–С180. doi : 10.1093/clinids/16.Supplement_4.S175. ISSN 1058-4838. JSTOR 4457097. PMID 8324114.
^ Уитмен, ВБ; Коулман, округ Колумбия; Вибе, WJ (1998). «Прокариоты: невидимое большинство». Труды Национальной академии наук . 95 (12): 6578–83. Бибкод : 1998PNAS...95.6578W. дои : 10.1073/pnas.95.12.6578 . JSTOR 44981. PMC 33863 . ПМИД 9618454.
^ «Количество звезд в наблюдаемой Вселенной — Вольфрам|Альфа» . Проверено 22 ноября 2011 г.
^ Редди, К. Рамеш; ДеЛон, Рональд Д. (15 июля 2004 г.). Биогеохимия водно-болотных угодий: наука и приложения. Бока-Ратон: Тейлор и Фрэнсис. п. 116. ИСБН978-0-203-49145-4. Проверено 25 мая 2013 г.
^ Делонг, Эдвард Ф. (2009). «Микробный океан от геномов к биомам» (PDF) . Природа . 459 (7244): 200–6. Бибкод : 2009Natur.459..200D. дои : 10.1038/nature08059. hdl : 1721.1/69838 . PMID 19444206. S2CID 205216984.
^ abc Конопка, А. (2009). «Экология, микробиология». Энциклопедия микробиологии . стр. 91–106. дои : 10.1016/B978-012373944-5.00002-X. ISBN978-0-12-373944-5.
^ Адлер, Антоний; Дюкер, Эрик (5 апреля 2017 г.). «Когда пастеровская наука вышла в море: рождение морской микробиологии». Журнал истории биологии . 51 (1): 107–133. дои : 10.1007/s10739-017-9477-8. ISSN 0022-5010. PMID 28382585. S2CID 22211340.
^ Де Вит, Рутгер; Бувье, Тьерри (2006). "«Все есть везде, но среда выбирает»; что на самом деле сказали Баас Беккинг и Бейеринк ? .
^ Мэдиган, Майкл Т. (2012). Брока биология микроорганизмов (13-е изд.). Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. ISBN978-0-321-64963-8.
^ Ревсбех, Нильс Петер; Йоргенсен, Бо Баркер (1986), «Микроэлектроды: их использование в микробной экологии», в Маршалле, К.К. (ред.), «Достижения в микробной экологии», том. 9, Бостон, Массачусетс: Springer US, стр. 293–352, номер документа : 10.1007/978-1-4757-0611-6_7, ISBN.978-1-4757-0613-0, получено 21 сентября 2020 г.
^ Вёзе, Карл Р.; Фокс, Джордж Э. (15 ноября 1977 г.). «Филогенетическая структура прокариотического домена: первичные царства». Труды Национальной академии наук . 74 (11): 5088–5090. Бибкод : 1977PNAS...74.5088W. дои : 10.1073/pnas.74.11.5088 . ISSN 0027-8424. ПМК 432104 . ПМИД 270744.
^ Хьюгерт, Луиза В.; Андерссон, Андерс Ф. (2017). «Анализ состава микробного сообщества посредством секвенирования ампликонов: от отбора проб до проверки гипотез». Границы микробиологии . 8 : 1561. дои : 10.3389/fmicb.2017.01561 . ISSN 1664-302X. ПМЦ 5591341 . ПМИД 28928718.
^ Нью, Фелиция Н.; Брито, Илана Л. (8 сентября 2020 г.). «Чему нас учит метагеномика и что упускается из виду?». Ежегодный обзор микробиологии . 74 (1): 117–135. doi : 10.1146/annurev-micro-012520-072314. ISSN 0066-4227. PMID 32603623. S2CID 220282070.
^ abc Кирхман, Дэвид Л. (2012). Процессы в микробной экологии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN978-0-19-958693-6. OCLC 777261246.
^ Лопес-Гарсия, Очищение; Эме, Лаура; Морейра, Дэвид (7 декабря 2017 г.). «Симбиоз в эволюции эукариот». Журнал теоретической биологии . Происхождение митозирующих клеток: 50-летие классической статьи Линн Саган (Маргулис). 434 (Приложение C): 20–33. Бибкод : 2017JThBi.434...20L. дои : 10.1016/j.jtbi.2017.02.031. ПМК 5638015 . ПМИД 28254477.
^ Краснер, Роберт И. (2010). Микробная проблема: наука, болезни и общественное здравоохранение (2-е изд.). Садбери, Массачусетс: Издательство Jones and Bartlett. ISBN978-0-7637-5689-5. ОСЛК 317664342.
^ аб Фауст, Каролина; Раес, Йерун (16 июля 2012 г.). «Микробные взаимодействия: от сетей к моделям». Обзоры природы. Микробиология . 10 (8): 538–550. doi : 10.1038/nrmicro2832. PMID 22796884. S2CID 22872711.
^ abc Лопес-Гарсия, Очищение; Эме, Лаура; Морейра, Дэвид (декабрь 2017 г.). «Симбиоз в эволюции эукариот». Журнал теоретической биологии . Происхождение митозирующих клеток: 50-летие классической статьи Линн Саган (Маргулис). 434 (Приложение C): 20–33. Бибкод : 2017JThBi.434...20L. дои : 10.1016/j.jtbi.2017.02.031. ПМК 5638015 . ПМИД 28254477.
^ Лау, Мэгги Сай; Кифт, Томас Л.; Кулойо, Олукайоде; Линаж-Альварес, Борха; ван Херден, Эста; Линдси, Мелоди Р.; Магнабоско, Кара; Ван, Вэй; Виггинс, Джессика Б.; Го, Линг; Перлман, Дэвид Х. (6 декабря 2016 г.). «В олиготрофном глубоководном сообществе, зависящем от синтрофии, доминируют автотрофные денитрификаторы, управляемые серой». Труды Национальной академии наук . 113 (49): E7927–E7936. Бибкод : 2016PNAS..113E7927L. дои : 10.1073/pnas.1612244113 . ISSN 0027-8424. ПМК 5150411 . ПМИД 27872277.
^ Шинк, Бернхард; Стамс, Альфонс Дж. М. (2013), «Синтрофизм среди прокариотов», The Prokaryotes , Springer Berlin Heidelberg, стр. 471–493, doi : 10.1007/978-3-642-30123-0_59, ISBN978-3-642-30122-3
^ Рагобарсинг, Ашна А.; Пол, Арьян; ван де Пас-Шоонен, Катинка Т.; Смолдерс, Альфонс Дж. П.; Эттвиг, Катарина Ф.; Рийпстра, В. Ирен К.; Схоутен, Стефан; Дамсте, Яап С. Синнингхе; Оп ден Кэмп, Хууб Дж.М.; Джеттен, Майк С.М.; Строус, Марк (апрель 2006 г.). «Микробный консорциум сочетает анаэробное окисление метана с денитрификацией» (PDF) . Природа . 440 (7086): 918–921. Бибкод : 2006Natur.440..918R. дои : 10.1038/nature04617. hdl : 1874/22552 . ISSN 0028-0836. PMID 16612380. S2CID 4413069.
^ Богитш, Бертон Дж.; Картер, Клинт Э.; Ольтманн, Томас Н. (2013), «Симбиоз и паразитизм», Паразитология человека , Elsevier, стр. 1–13, doi : 10.1016/b978-0-12-415915-0.00001-7, ISBN978-0-12-415915-0, S2CID 88750087
^ Кэнфилд, Дональд Э.; Эрик Кристенсен; Бо Тамдруп (2005), «Структура и рост микробных популяций», « Достижения морской биологии» , Elsevier, стр. 23–64, doi : 10.1016/s0065-2881(05)48002-5, ISBN978-0-12-026147-5
^ Гарсиа, Кристина; Рендуэлес, Мануэль; Диас, Марио (сентябрь 2017 г.). «Синбиотическая ферментация для совместного производства молочной и лактобионовой кислот из остаточной молочной сыворотки». Биотехнологический прогресс . 33 (5): 1250–1256. дои : 10.1002/btpr.2507. PMID 28556559. S2CID 23694837.
^ Краснер, Роберт И. (2010). Микробная проблема: наука, болезни и общественное здравоохранение (2-е изд.). Садбери, Массачусетс: Издательство Jones and Bartlett. ISBN978-0-7637-5689-5. ОСЛК 317664342.
^ Отт, Дж. (2005). Морские микробные тиотрофные эктосимбиозы. Океанография и морская биология: Ежегодный обзор. Том. 42. С. 95–118. ISBN978-0-203-50781-0.
^ «Микробиология искусственной среды». www.biomedcentral.com . Проверено 18 сентября 2016 г.
^ Крамер, Аксель; Швебке, Ингеборг; Кампф, Гюнтер (16 августа 2006 г.). «Как долго внутрибольничные патогены сохраняются на неодушевленных поверхностях? Систематический обзор». БМК Инфекционные болезни . 6 (1): 130. дои : 10.1186/1471-2334-6-130 . ПМК 1564025 . ПМИД 16914034.
^ abc «Как долго микробы, такие как бактерии и вирусы, живут на поверхностях в доме при нормальной комнатной температуре?». 23 августа 2002 года . Проверено 18 сентября 2016 г.
^ «Сырое питание, связанное с сальмонеллой». 9 июня 2009 года . Проверено 18 сентября 2016 г.
^ «Суперэлемент, борющийся с бактериями, возвращается в больницы: медь» . Вашингтон Пост . Проверено 18 сентября 2016 г.
^ аб Эванс, Андрис; Кавана, Кевин А. (7 мая 2021 г.). «Оценка антимикробных соединений на основе металлов для лечения бактериальных патогенов». Журнал медицинской микробиологии . 70 (5): 001363. doi :10.1099/jmm.0.001363. ISSN 0022-2615. ПМК 8289199 . ПМИД 33961541.
^ «Наночастицы серебра убивают микробы, вызывают проблемы со здоровьем» . Проверено 18 сентября 2016 г.