علم البيئة الميكروبية: التاريخ ، موضوع الدراسة والتطبيقات - مادة الاحياء - 2025

و علم البيئة الميكروبية هو الانضباط في علم الأحياء المجهرية البيئية الناشئة عن تطبيق المبادئ البيئية لعلم الأحياء المجهرية (MIKROS: صغيرة، والسير: الحياة والشعارات: الدراسة).

يدرس هذا التخصص تنوع الكائنات الحية الدقيقة (الكائنات المجهرية أحادية الخلية من 1 إلى 30 ميكرومتر) ، والعلاقات بينها وبين بقية الكائنات الحية ومع البيئة.

الشكل 1. تتفاعل الطحالب والبكتيريا والأوليات الأميبية في عينات المياه غير المعالجة. المصدر: CDC / جانيس هاني كار ، في: publicdomainfiles.com

نظرًا لأن الكائنات الحية الدقيقة تمثل أكبر كتلة حيوية أرضية ، فإن أنشطتها ووظائفها البيئية تؤثر بشكل كبير على جميع النظم البيئية.

يمثل نشاط التمثيل الضوئي المبكر للبكتيريا الزرقاء وما يترتب على ذلك من تراكم الأكسجين (O ₂) في الغلاف الجوي البدائي أحد أوضح الأمثلة على التأثير الميكروبي في التاريخ التطوري للحياة على كوكب الأرض.

هذا ، بالنظر إلى أن وجود الأكسجين في الغلاف الجوي ، سمح بظهور وتطور جميع أشكال الحياة الهوائية الموجودة.

الشكل 2. البكتيريا الزرقاء في شكل حلزوني. المصدر: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

تحافظ الكائنات الحية الدقيقة على نشاط مستمر وضروري للحياة على الأرض. الآليات التي تحافظ على التنوع الميكروبي للمحيط الحيوي هي أساس ديناميكيات النظم البيئية الأرضية والمائية والجوية.

نظرًا لأهميتها ، فإن الانقراض المحتمل للمجتمعات الميكروبية (بسبب تلوث موائلها بالمواد السامة الصناعية) ، من شأنه أن يؤدي إلى اختفاء النظم البيئية التي تعتمد على وظائفها.

تاريخ علم البيئة الميكروبية

مبادئ علم البيئة

في النصف الأول من القرن العشرين ، تم تطوير مبادئ البيئة العامة ، مع الأخذ في الاعتبار دراسة النباتات والحيوانات "العليا" في بيئتها الطبيعية.

تم بعد ذلك تجاهل الكائنات الدقيقة ووظائف نظامها البيئي ، على الرغم من أهميتها الكبيرة في التاريخ البيئي للكوكب ، لأنها تمثل أكبر كتلة حيوية أرضية ولأنها أقدم الكائنات الحية في التاريخ التطوري للحياة على الأرض..

في ذلك الوقت ، تم اعتبار الكائنات الحية الدقيقة فقط من المواد المتحللة والمعدنية للمواد العضوية والوسطاء في بعض دورات المغذيات.

علم الاحياء المجهري

يعتبر العلماء لويس باستور وروبرت كوخ قد أسسوا مجال علم الأحياء الدقيقة من خلال تطوير تقنية الثقافة الميكروبية الممحوضة ، والتي تحتوي على نوع خلية واحدة ، ينحدر من خلية واحدة.

الشكل 3. الثقافة البكتيرية المحورية. المصدر: pixabay.com

ومع ذلك ، في الثقافات الممحوضة ، لا يمكن دراسة التفاعلات بين المجموعات الميكروبية. كان من الضروري تطوير طرق من شأنها أن تسمح بدراسة التفاعلات البيولوجية الميكروبية في موائلها الطبيعية (جوهر العلاقات البيئية).

كان أول علماء الأحياء الدقيقة لفحص التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة ، في التربة والتفاعلات مع النباتات ، هم سيرجي وينوجرادسكي ومارتينوس بيجيرينك ، بينما ركز معظمهم على دراسة الثقافات الممحوضة للكائنات الحية الدقيقة المتعلقة بالأمراض أو عمليات التخمير ذات الأهمية التجارية.

درس Winogradsky و Beijerinck على وجه الخصوص التحولات الحيوية الميكروبية للنيتروجين غير العضوي ومركبات الكبريت في التربة.

علم البيئة الميكروبية

في أوائل الستينيات ، في عصر الاهتمام بالجودة البيئية والتأثير الملوث للأنشطة الصناعية ، ظهرت البيئة الميكروبية كنظام. كان العالم الأمريكي توماس دى بروك أول مؤلف لنص حول هذا الموضوع عام 1966.

ومع ذلك ، فقد كان في نهاية السبعينيات عندما تم توحيد البيئة الميكروبية كمنطقة متخصصة متعددة التخصصات ، لأنها تعتمد على الفروع العلمية الأخرى ، مثل علم البيئة ، وعلم الأحياء الخلوي والجزيئي ، والكيمياء الحيوية ، من بين أمور أخرى.

الشكل 4. التفاعلات الميكروبية. المصدر: Public Health Image Library ، في publicdomainfiles.com

يرتبط تطور الإيكولوجيا الميكروبية ارتباطًا وثيقًا بالتقدم المنهجي الذي يسمح بدراسة التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والعوامل الحيوية وغير الحيوية في بيئتها.

في التسعينيات ، تم دمج تقنيات البيولوجيا الجزيئية في الدراسة حتى في الموقع للإيكولوجيا الميكروبية ، مما يوفر إمكانية استكشاف التنوع البيولوجي الواسع الموجود في عالم الميكروبات وأيضًا معرفة أنشطته الأيضية في البيئات تحت الظروف القاسية.

الشكل 5. التفاعلات الميكروبية. مصدر. جانيس هاني كار ، USCDCP ، على: pixnio.com

بعد ذلك ، سمحت تقنية الحمض النووي المؤتلف بإحداث تقدم هام في القضاء على الملوثات البيئية ، وكذلك في مكافحة الآفات ذات الأهمية التجارية.

طرق في علم البيئة الميكروبية

من بين الطرق التي سمحت بالدراسة في الموقع للكائنات الدقيقة ونشاطها الأيضي ، هناك:

• الفحص المجهري بالليزر متحد البؤر.
• الأدوات الجزيئية مثل تحقيقات الجينات الفلورية ، والتي سمحت بدراسة المجتمعات الميكروبية المعقدة.
• تفاعل البلمرة المتسلسل أو PCR (لاختصاره في اللغة الإنجليزية: تفاعل البلمرة المتسلسل).
• الواسمات المشعة والتحليلات الكيميائية ، والتي تسمح بقياس نشاط التمثيل الغذائي الميكروبي ، من بين أمور أخرى.

التخصصات الفرعية

تنقسم البيئة الميكروبية عادة إلى تخصصات فرعية ، مثل:

• علم البيئة الذاتية أو علم البيئة للسكان المرتبطين وراثياً.
• إيكولوجيا النظم البيئية الميكروبية ، التي تدرس المجتمعات الميكروبية في نظام بيئي معين (أرضي أو جوي أو مائي).
• البيئة الكيميائية الحيوية الميكروبية ، والتي تدرس العمليات البيوجيوكيميائية.
• إيكولوجيا العلاقات بين المضيف والكائنات الحية الدقيقة.
• تطبيق الإيكولوجيا الميكروبية على مشاكل التلوث البيئي وفي استعادة التوازن البيئي في الأنظمة المتدخلة.

مجالات الدراسة

من بين مجالات دراسة علم البيئة الميكروبية:

• التطور الميكروبي وتنوعه الفسيولوجي ، مع الأخذ في الاعتبار مجالات الحياة الثلاثة ؛ البكتيريا ، Arquea و Eucaria.
• إعادة بناء العلاقات النشوء والتطور الجرثومي.
• القياسات الكمية للعدد والكتلة الحيوية ونشاط الكائنات الحية الدقيقة في بيئتها (بما في ذلك الكائنات غير القابلة للزراعة).
• التفاعلات الإيجابية والسلبية داخل السكان الميكروبيين.
• التفاعلات بين المجموعات الميكروبية المختلفة (الحيادية ، التعايش ، التآزر ، التبادلية ، المنافسة ، عدم القدرة على الإحساس ، التطفل ، والافتراس).
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والنباتات: في الجذور (مع الكائنات الدقيقة المثبتة للنيتروجين والفطريات الفطرية) ، وفي الهياكل الهوائية للنبات.
• الممرضات النباتية. البكتيرية والفطرية والفيروسية.
• التفاعلات بين الكائنات الحية الدقيقة والحيوانات (التكافل المعوي المتبادل والتعايش ، والافتراس ، من بين أمور أخرى).
• تكوين وعمل وعمليات التعاقب في المجتمعات الميكروبية.
• التكيفات الميكروبية مع الظروف البيئية القاسية (دراسة الكائنات الحية الدقيقة للغاية).
• أنواع الموائل الميكروبية (الغلاف الجوي والغلاف البيئي والغلاف المائي والغلاف البيئي الصخري والموائل المتطرفة).
• تتأثر الدورات البيوجيوكيميائية بالمجتمعات الميكروبية (دورات الكربون والهيدروجين والأكسجين والنيتروجين والكبريت والفوسفور والحديد وغيرها).
• تطبيقات التكنولوجيا الحيوية المختلفة في المشاكل البيئية والمصلحة الاقتصادية.

التطبيقات

الكائنات الحية الدقيقة ضرورية في العمليات العالمية التي تسمح بالحفاظ على البيئة وصحة الإنسان. بالإضافة إلى ذلك ، فهي بمثابة نموذج في دراسة العديد من التفاعلات السكانية (على سبيل المثال ، الافتراس).

إن فهم البيئة الأساسية للكائنات الحية الدقيقة وتأثيراتها على البيئة قد جعل من الممكن تحديد قدرات التمثيل الغذائي للتكنولوجيا الحيوية التي تنطبق على مجالات مختلفة ذات أهمية اقتصادية. بعض هذه المجالات مذكورة أدناه:

• التحكم في التحلل البيولوجي عن طريق الأغشية الحيوية المسببة للتآكل للهياكل المعدنية (مثل خطوط الأنابيب وحاويات النفايات المشعة وغيرها).
• مكافحة الآفات ومسببات الأمراض.
• استعادة التربة الزراعية المتدهورة بسبب الاستغلال الجائر.
• المعالجة الحيوية للنفايات الصلبة في التسميد ومكبات النفايات.
• المعالجة الحيوية للنفايات السائلة ، من خلال أنظمة معالجة مياه الصرف الصحي (على سبيل المثال ، استخدام الأغشية الحيوية المعطلة).
• المعالجة الحيوية للتربة والمياه الملوثة بالمواد غير العضوية (مثل المعادن الثقيلة) ، أو الكائنات الحية الغريبة (المنتجات الاصطناعية السامة ، التي لا تنتج عن عمليات التخليق الحيوي الطبيعية). تشمل هذه المركبات الغريبة الحيوية الهالوكربونات ، النيترواروماتيك ، ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، الديوكسينات ، سلفونات ألكيل بنزيل ، هيدروكربونات البترول ، ومبيدات الآفات.

الشكل 6. التلوث البيئي بمواد ذات أصل صناعي. المصدر: pixabay.com

• الاسترداد البيولوجي للمعادن من خلال التبييض البيولوجي (على سبيل المثال ، الذهب والنحاس).
• إنتاج الوقود الحيوي (الإيثانول والميثان ، من بين الهيدروكربونات الأخرى) والكتلة الحيوية الميكروبية.

المراجع

1. كيم ، ميغابايت. (2008). التقدم في علم الأحياء الدقيقة البيئية. محرر ميونغ بو كيم. ص 275.
2. Madigan، MT، Martinko، JM، Bender، KS، Buckley، DH Stahl، DA and Brock، T. (2015). بيولوجيا بروك للكائنات الحية الدقيقة. 14 إد. بنيامين كامينغز. ص 1041.
3. مادسن ، إي إل (2008). علم الأحياء الدقيقة البيئية: من الجينوم إلى الكيمياء الحيوية. وايلي بلاكويل. ص 490.
4. ماكيني ، ري (2004). علم الأحياء الدقيقة للتحكم في التلوث البيئي. م. ديكر. ص 453.
5. بريسكوت ، إل إم (2002). علم الاحياء المجهري. الطبعة الخامسة ، McGraw-Hill Science / Engineering / Math. ص 1147.
6. فان دن بورغ ، ب. (2003). المتطرفون كمصدر للإنزيمات الجديدة. الرأي الحالي في علم الأحياء الدقيقة ، 6 (3) ، 213-218. دوى: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. ويلسون ، SC ، وجونز ، كيه سي (1993). المعالجة الحيوية للتربة الملوثة بالهيدروكربونات العطرية متعددة النوى (PAHs): مراجعة. التلوث البيئي ، 81 (3) ، 229-249. دوى: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.