Микробная экология - Microbial ecology

Большая аномалия подсчета тарелок. Количество клеток, полученных путем культивирования, на порядки меньше, чем количество клеток, наблюдаемых непосредственно под микроскопом. Это связано с тем, что микробиологи могут выращивать лишь небольшую часть встречающихся в природе микробов, используя современные лабораторные методы, в зависимости от окружающей среды.[1]

Микробная экология (или же экологическая микробиология) это экология из микроорганизмы: их отношения друг с другом и с окружающей средой. Это касается трех основных домены жизни-Эукариоты, Археи, и Бактерии -а также вирусы.[2]

Микроорганизмы своей вездесущностью влияют на все биосфера. Микробная жизнь играет первостепенную роль в регулировании биогеохимический системы практически во всех средах нашей планеты, включая некоторые из самых крайний, из замороженная среда и кислые озера, чтобы гидротермальные источники на дне самых глубоких океанов, и некоторые из самых известных, таких как человеческие тонкий кишечник.[3][4] Как следствие количественной величины микробной жизни (рассчитанной как 5.0×1030 клетки; на восемь порядков больше, чем количество звезд в наблюдаемой Вселенной[5][6]) микробы, в силу их биомасса одни, составляют значительную поглотитель углерода.[7] Помимо фиксации углерода, ключевые коллективные метаболические процессы микроорганизмов (включая азотфиксация, метаболизм метана, и обмен серы ) контролировать глобальный биогеохимический цикл.[8] Масштабы производства микроорганизмов таковы, что даже при полном отсутствии эукариотической жизни эти процессы, вероятно, будут продолжаться без изменений.[9]

История

Хотя микробы изучаются с семнадцатого века, это исследование было скорее с физиологической точки зрения, чем с экологической.[10] Например, Луи Пастер и его ученики интересовались проблемой распространения микробов как на суше, так и в океане.[11] Мартинус Бейеринк изобрел культура обогащения, фундаментальный метод изучения микробы из окружающей среды. Ему часто ошибочно приписывают создание микробный биогеографический идея о том, что «все есть везде, но среда выбирает», которую высказал Лоуренс Баас Бекинг.[12] Сергей Виноградский был одним из первых исследователей, пытавшихся понять микроорганизмы вне медицинского контекста - что делает его одним из первых студентов, изучающих микробную экологию и микробиологию окружающей среды - открывая хемосинтез, и развитие Виноградский столбец в процессе.[13]:644

Однако Бейеринк и Виндоградский сосредоточили свое внимание на физиологии микроорганизмов, а не на микробиологии. среда обитания или их экологические взаимодействия.[10] Современная микробная экология была запущена Роберт Хангейт и коллеги, которые исследовали рубец экосистема. Изучение рубца потребовало от Хангейта разработки методов культивирования анаэробных микробов, и он также стал пионером количественного подхода к изучению микробов и их экологической активности, который дифференцировал относительный вклад видов и катаболические пути.[10]

Прогресс в микробной экологии связан с развитием новых технологий. Измерение скорости биогеохимических процессов в природе было обусловлено наличием радиоизотопы начиная с 1950-х гг. Например, 14CO2 позволил проанализировать скорость фотосинтеза в океане (исх.). Еще один значительный прорыв произошел в 1980-х годах, когда были разработаны микроэлектроды, чувствительные к химическим веществам, таким как O2.[14]. Эти электроды имеют пространственное разрешение 50–100 мкм и позволяют анализировать пространственную и временную биогеохимическую динамику микробных матов и отложений.

Хотя измерение скорости биогеохимических процессов могло помочь проанализировать, какие процессы происходят, они были неполными, поскольку не давали информации о том, какие конкретные микробы ответственны за это. Давно известно, что «классические» методы культивирования восстанавливают менее 1% микробов из естественной среды обитания. Однако, начиная с 1990-х годов, был разработан ряд независимых от культивирования методов для определения относительной численности микробов в среде обитания. Карл Вёзе впервые продемонстрировал, что последовательность 16S рибосомная РНК Молекула может быть использована для анализа филогенетических отношений. Нормальный темп взял эту основополагающую идею и применил ее для анализа того, «кто там» в естественной среде. Процедура включает (а) выделение нуклеиновых кислот непосредственно из естественной среды, (б) ПЦР-амплификацию последовательностей генов малой субъединицы рРНК, (в) секвенирование ампликонов и (г) сравнение этих последовательностей с базой данных последовательностей из чистые культуры и экологическая ДНК[15]. Это позволило глубже понять разнообразие микробных сред обитания. Однако он не решает, как связать определенные микробы с их биогеохимической ролью. Метагеномика, секвенирование общей ДНК, извлеченной из окружающей среды, может дать представление о биогеохимическом потенциале[16], в то время как метатранскриптомика и метапротеомика может измерить фактическое проявление генетического потенциала, но остается технически сложным[17].

Роли

Микроорганизмы - это основа всех экосистемы, но тем более в зонах, где фотосинтез невозможен из-за отсутствия света. В таких зонах хемосинтетический микробы дают энергию и углерод к другим организмам. Эти хемотрофные организмы также могут функционировать в условиях недостатка кислорода, используя другие акцепторы электронов для их дыхания.

Другие микробы разлагатели, с возможностью переработки питательные вещества из продуктов жизнедеятельности других организмов. Эти микробы играют жизненно важную роль в биогеохимических циклах.[18] В азотный цикл, то цикл фосфора, то цикл серы и цикл углерода все так или иначе зависят от микроорганизмов. Например, газообразный азот который составляет 78% земной атмосферы, недоступен для большинства организмов, пока не будет преобразован в биологически доступную форму в результате микробного процесса азотфиксация.

Из-за высокого уровня горизонтальный перенос генов среди микробных сообществ,[19] микробная экология также важна для изучения эволюция.[20]

Симбиоз

Микробы, особенно бактерии, часто вызывают симбиотический отношения (либо положительный или отрицательный ) с другими микроорганизмами или более крупными организмами. Несмотря на то, что они физически малы, симбиотические отношения между микробами важны в эукариотический процессы и их эволюция.[21][22] Типы симбиотических отношений, в которых участвуют микробы, включают: мутуализм, комменсализм, паразитизм,[23] и аменсализм,[24] и эти отношения во многом влияют на экосистему.

Мутуализм

Мутуализм в микробной экологии - это отношения между видами микробов и людьми, которые позволяют обеим сторонам получать выгоду.[25] Одним из таких примеров может быть синтрофия, также известный как перекрестное кормление,[24] из которых 'Метанобактерии омелианский 'классический пример[26][27]. Этот консорциум состоит из организма, ферментирующего этанол, и метаноген. Организм, ферментирующий этанол, обеспечивает партнера архей H2, в котором этот метаноген необходим для роста и производства метана.[21][27] Было выдвинуто предположение, что синтрофия играет важную роль в средах с ограниченным количеством энергии и питательных веществ, например, глубоко под землей, где она может помочь микробному сообществу с различными функциональными свойствами выживать, расти и производить максимальное количество энергии.[28][29] Анаэробное окисление метана (AOM) осуществляется мутуалистическим консорциумом сульфатредуцирующая бактерия и анаэробный метанокисляющая архея. [30][31] Реакция, используемая бактериальным партнером для производства H2 является эндергонический (и поэтому термодинамически неблагоприятно), однако, когда она связана с реакцией, используемой партнером архей, общая реакция становится экзергонический.[21] Таким образом, два организма находятся в мутуалистических отношениях, которые позволяют им расти и процветать в среде, смертельной для любого вида в одиночку. Лишайник является примером симбиотического организма.[27]

Комменсализм

Комменсализм очень распространен в микробном мире, что буквально означает «есть за одним столом».[32] Продукты метаболизма одной микробной популяции используются другой микробной популяцией без пользы или вреда для первой популяции. Существует множество «пар» видов микробов, которые выполняют реакцию окисления или восстановления по одному и тому же химическому уравнению. Например, метаногены производят метан за счет снижения содержания CO.2 в CH4, а метанотрофы окисляют метан обратно до CO2. [33]

Аменсализм

Аменсализм (также широко известный как антагонизм) - это тип симбиотических отношений, при которых один вид / организм страдает, а другой остается неизменным.[25] Один из примеров такой взаимосвязи, которая имеет место в микробной экологии, - это между микробными видами. Lactobacillus casei и Pseudomonas taetrolens.[34] При сосуществовании в среде Pseudomonas taetrolens показывает подавление роста и снижение производства лактобионовой кислоты (ее основного продукта), скорее всего, из-за побочных продуктов, создаваемых Lactobacillus casei во время производства молочной кислоты.[35] Однако, Lactobacillus casei не проявляет никакой разницы в своем поведении, и такое отношение можно определить как аменсализм.

Управление микробными ресурсами

Биотехнологии может использоваться наряду с экологией микробов для решения ряда экологических и экономический проблемы. Например, молекулярные методы, такие как дактилоскопия сообщества или метагеномика может использоваться для отслеживания изменений микробных сообществ с течением времени или оценки их биоразнообразие. Управление углеродным циклом до секвестра углекислый газ и предотвратить избыток метаногенез важно для смягчения глобальное потепление, и перспективы биоэнергетика расширяются за счет развития микробные топливные элементы. Управление микробными ресурсами способствует более прогрессивному подходу к болезнь, согласно которому агенты биологической борьбы предпочтительнее попыток искоренения. Потоки в микробные сообщества необходимо лучше охарактеризовать для реализации потенциала этого месторождения.[36] Кроме того, есть также 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. устойчивость к антибиотикам, насущная проблема для исследователей.[37]

В искусственной среде и человеческом взаимодействии

Микробы существуют во всех сферах, включая дома, офисы, торговые центры и больницы. В 2016 г. журнал Микробиом опубликовал сборник различных работ по изучению микробной экологии застроенная среда.[38]

Исследование патогенных бактерий в больницах, проведенное в 2006 году, показало, что их способность к выживанию различается в зависимости от типа: одни выживают всего несколько дней, а другие - месяцами.[39]

Продолжительность жизни микробов в домашних условиях варьируется. Обычно бактериям и вирусам требуется влажная среда с влажностью более 10 процентов.[40] Кишечная палочка может прожить от нескольких часов до суток.[40] Бактерии, образующие споры, могут жить дольше, Золотистый стафилококк потенциально выживать в течение нескольких недель или, в случае бацилла сибирской язвы, годы.[40]

В домашних условиях домашние животные могут быть переносчиками бактерий; например, рептилии обычно являются переносчиками сальмонеллы.[41]

S. aureus особенно распространен и бессимптомно колонизирует около 30% человеческой популяции;[42] пытается деколонизировать перевозчики имели ограниченный успех[43] и обычно включают мупироцин назально и хлоргексидин промывание, возможно вместе с ванкомицином и котримоксазолом для лечения инфекций кишечника и мочевыводящих путей.[44]

Противомикробные препараты

Некоторые металлы, особенно медь и серебро, обладают антимикробными свойствами. С помощью антимикробные сенсорные поверхности из медного сплава это метод, который начали использовать в 21 веке для предотвращения передачи бактерий.[45] Наночастицы серебра также начали внедряться в строительные поверхности и ткани, хотя высказывались опасения по поводу потенциальных побочных эффектов крошечных частиц на здоровье человека.[46]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гугенгольц, П. (2002). «Изучение прокариотического разнообразия в эпоху генома». Геномная биология. 3 (2): reviews0003.reviews0001. Дои:10.1186 / gb-2002-3-2-reviews0003. ЧВК  139013. PMID  11864374.
  2. ^ Бартон, Ларри Л .; Нортап, Дайана Э. (9 сентября 2011 г.). Микробная экология. Вили-Блэквелл. Оксфорд: Джон Уайли и сыновья. п. 22. ISBN  978-1-118-01582-7. Получено 25 мая 2013.
  3. ^ Боулер, Крис; Карл, Дэвид М .; Колвелл, Рита Р. (2009). «Микробная океанография в море возможностей». Природа. 459 (7244): 180–4. Bibcode:2009Натура.459..180Б. Дои:10.1038 / природа08056. PMID  19444203.
  4. ^ Конопка, Аллан (2009). «Что такое экология микробного сообщества?». Журнал ISME. 3 (11): 1223–30. Дои:10.1038 / ismej.2009.88. PMID  19657372.
  5. ^ Whitman, W. B .; Коулман, округ Колумбия; Вибе, WJ (1998). «Прокариоты: невидимое большинство». Труды Национальной академии наук. 95 (12): 6578–83. Bibcode:1998PNAS ... 95,6578 Вт. Дои:10.1073 / пнас.95.12.6578. JSTOR  44981. ЧВК  33863. PMID  9618454.
  6. ^ «количество звезд в наблюдаемой Вселенной - Вольфрам | Альфа». Получено 2011-11-22.
  7. ^ Редди, К. Рамеш; ДеЛон, Рональд Д. (15 июля 2004 г.). Биогеохимия водно-болотных угодий: наука и применение. Бока-Ратон: Тейлор и Фрэнсис. п. 116. ISBN  978-0-203-49145-4. Получено 25 мая 2013.
  8. ^ Делонг, Эдвард Ф. (2009). «Микробный океан от геномов до биомов» (PDF). Природа. 459 (7244): 200–6. Bibcode:2009Натура.459..200D. Дои:10.1038 / природа08059. HDL:1721.1/69838. PMID  19444206.
  9. ^ Лупп, Клаудия (2009). «Микробная океанография». Природа. 459 (7244): 179. Bibcode:2009Натура.459..179л. Дои:10.1038 / 459179a. PMID  19444202.
  10. ^ а б c Конопка, А. (2009). «Экология, микробиология». Энциклопедия микробиологии. С. 91–106. Дои:10.1016 / B978-012373944-5.00002-X. ISBN  978-0-12-373944-5.
  11. ^ Адлер, Антоний; Дюкер, Эрик (2017-04-05). «Когда пастеровская наука вышла в море: зарождение морской микробиологии». Журнал истории биологии. 51 (1): 107–133. Дои:10.1007 / s10739-017-9477-8. ISSN  0022-5010. PMID  28382585.
  12. ^ Де Вит, Рутгер; Бувье, Тьерри (2006). "'Все есть везде, но среда выбирает »; что на самом деле сказали Баас Бекинг и Бейеринк? ». Экологическая микробиология. 8 (4): 755–8. Дои:10.1111 / j.1462-2920.2006.01017.x. PMID  16584487.
  13. ^ Мэдиган, Майкл Т. (2012). Брок биология микроорганизмов (13-е изд.). Сан-Франциско: Бенджамин Каммингс. ISBN  9780321649638.
  14. ^ Revsbech, Нильс Питер; Йоргенсен, Бо Баркер (1986), Маршалл, К. С. (ред.), «Микроэлектроды: их использование в микробной экологии», Достижения в области микробной экологии, Бостон, Массачусетс: Springer US, 9, стр. 293–352, Дои:10.1007/978-1-4757-0611-6_7, ISBN  978-1-4757-0613-0, получено 2020-09-21
  15. ^ Hugerth, Luisa W .; Андерссон, Андерс Ф. (2017). «Анализ состава микробного сообщества посредством секвенирования ампликонов: от отбора проб до проверки гипотез». Границы микробиологии. 8. Дои:10.3389 / fmicb.2017.01561. ISSN  1664-302X.
  16. ^ New, Felicia N .; Брито, Илана Л. (08.09.2020). "Чему нас учит метагеномика и что упускают?". Ежегодный обзор микробиологии. 74 (1): 117–135. Дои:10.1146 / annurev-micro-012520-072314. ISSN  0066-4227.
  17. ^ Шакья, Мигун; Ло, Чиен-Чи; Цепь, Патрик С. Г. (2019). «Достижения и проблемы метатранскриптомического анализа». Границы генетики. 10. Дои:10.3389 / fgene.2019.00904. ISSN  1664-8021.
  18. ^ Фенчел, Том; Блэкберн, Генри; Кинг, Гэри М. (24 июля 2012 г.). Бактериальная биогеохимия: экофизиология круговорота минералов (3-е изд.). Бостон, Массачусетс: Academic Press / Elsevier. п. 3. ISBN  978-0-12-415974-7. Получено 25 мая 2013.
  19. ^ McDaniel, L.D .; Young, E .; Delaney, J .; Ruhnau, F .; Ritchie, K. B .; Пол, Дж. Х. (2010). «Высокая частота горизонтального переноса генов в океанах». Наука. 330 (6000): 50. Bibcode:2010Наука ... 330 ... 50М. Дои:10.1126 / science.1192243. PMID  20929803.
  20. ^ Сметс, Барт Ф .; Баркай, Тамар (2005). «Горизонтальный перенос генов: перспективы на стыке научных дисциплин». Обзоры природы Микробиология. 3 (9): 675–8. Дои:10.1038 / nrmicro1253. PMID  16145755.
  21. ^ а б c Л., Кирчман, Дэвид (2012). Процессы в микробной экологии. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  9780199586936. OCLC  777261246.
  22. ^ Лопес-Гарсия, Пурификасьон; Эме, Лаура; Морейра, Дэвид (07.12.2017). «Симбиоз в эволюции эукариот». Журнал теоретической биологии. Происхождение митозирующих клеток: 50-летие классической статьи Линн Саган (Маргулис). 434 (Дополнение C): 20–33. Дои:10.1016 / j.jtbi.2017.02.031. ЧВК  5638015. PMID  28254477.
  23. ^ И., Краснер, Роберт (2010). Микробный вызов: наука, болезни и общественное здоровье (2-е изд.). Садбери, Массачусетс: издательство «Джонс и Бартлетт». ISBN  978-0763756895. OCLC  317664342.
  24. ^ а б Фауст, Каролина; Раес, Джерун (16 июля 2012 г.). «Микробные взаимодействия: от сетей к моделям». Обзоры природы. Микробиология. 10 (8): 538–550. Дои:10.1038 / nrmicro2832. PMID  22796884.
  25. ^ а б Шила., Шривастава (2003). Понимание бактерий. Шривастава П. С. (Прем С.). Дордрехт: Kluwer Academic Publishers. ISBN  978-1402016332. OCLC  53231924.
  26. ^ Bryant, M. P .; Wolin, E.A .; Wolin, M. J .; Вулф, Р. С. (1967). «Methanobacillus omelianskii, симбиотическая ассоциация двух видов бактерий». Archiv für Mikrobiologie. 59 (1–3): 20–31. Дои:10.1007 / bf00406313. ISSN  0302-8933. PMID  5602458.
  27. ^ а б c Лопес-Гарсия, Пурификасьон; 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 (Дополнение C): 20–33. Дои:10.1016 / j.jtbi.2017.02.031. ЧВК  5638015. PMID  28254477.
  28. ^ Lau, Maggie C. Y .; Kieft, Thomas L .; Кулойо, Олукайоде; Линаж-Альварес, Борха; ван Хеерден, Эста; Линдси, Мелоди Р .; Магнабоско, Кара; Ван, Вэй; Уиггинс, Джессика Б .; Го, Линь; Перлман, Дэвид Х. (06.12.2016). «В олиготрофном глубоко-подповерхностном сообществе, зависящем от синтрофии, преобладают серные автотрофные денитрификаторы». Труды Национальной академии наук. 113 (49): E7927 – E7936. Дои:10.1073 / pnas.1612244113. ISSN  0027-8424. ЧВК  5150411. PMID  27872277.
  29. ^ Шинк, Бернхард; Стамс, Альфонс Дж. М. (2013), «Синтрофизм среди прокариот», Прокариоты, Springer Berlin Heidelberg, стр. 471–493, Дои:10.1007/978-3-642-30123-0_59, ISBN  9783642301223
  30. ^ Боэтиус, Антье; Равеншлаг, Катрин; Schubert, Carsten J .; Рикерт, Дирк; Виддел, Фридрих; Гизеке, Армин; Аманн, Рудольф; Йоргенсен, Бо Баркер; Витте, Урсула; Пфаннкуче, Олаф (октябрь 2000 г.). «Консорциум морских микробов, по-видимому, опосредующий анаэробное окисление метана». Природа. 407 (6804): 623–626. Bibcode:2000Натура.407..623Б. Дои:10.1038/35036572. ISSN  0028-0836. PMID  11034209.
  31. ^ Raghoebarsing, Ashna A .; Поль, Арьян; van de Pas-Schoonen, Katinka T .; Smolders, Alfons J.P .; Ettwig, Katharina F .; Rijpstra, W. Irene C .; Схоутен, Стефан; Дамсте, Яап С. Синнингхе; Op den Camp, Huub J.M .; Jetten, Mike S.M .; Строус, Марк (апрель 2006 г.). «Консорциум микробов сочетает анаэробное окисление метана с денитрификацией». Природа. 440 (7086): 918–921. Bibcode:2006Натура.440..918R. Дои:10.1038 / природа04617. HDL:1874/22552. ISSN  0028-0836. PMID  16612380.
  32. ^ Bogitsh, Burton J .; Картер, Клинт Э .; Ольтманн, Томас Н. (2013), «Симбиоз и паразитизм», Человеческая паразитология, Elsevier, стр. 1–13, Дои:10.1016 / b978-0-12-415915-0.00001-7, ISBN  9780124159150
  33. ^ Кэнфилд, Дональд Э .; Эрик Кристенсен; Бо Тамдруп (2005), "Структура и рост микробных популяций", Достижения в морской биологии, Elsevier, стр. 23–64, Дои:10.1016 / s0065-2881 (05) 48002-5, ISBN  9780120261475
  34. ^ Гарсия, Кристина; Рендуэлес, Мануэль; Диас, Марио (сентябрь 2017 г.). «Синбиотическая ферментация для совместного производства молочной и лактобионовой кислот из остаточной молочной сыворотки». Прогресс биотехнологии. 33 (5): 1250–1256. Дои:10.1002 / btpr.2507. PMID  28556559.
  35. ^ И., Краснер, Роберт (2010). Микробный вызов: наука, болезни и общественное здоровье (2-е изд.). Садбери, Массачусетс: издательство «Джонс и Бартлетт». ISBN  9780763756895. OCLC  317664342.
  36. ^ Verstraete, Вилли (2007). «Микробная экология и экологическая биотехнология». Журнал ISME. 1 (1): 4–8. Дои:10.1038 / ismej.2007.7. PMID  18043608.
  37. ^ Отт, Дж. (2005). Морские микробные тиотрофные эктосимбиозы. Океанография и морская биология: ежегодный обзор. 42. С. 95–118. ISBN  9780203507810.
  38. ^ «Микробиология искусственной среды». www.biomedcentral.com. Получено 2016-09-18.
  39. ^ Крамер, Аксель; Швебке, Ингеборг; Кампф, Гюнтер (16 августа 2006 г.). «Как долго нозокомиальные патогены сохраняются на неодушевленных поверхностях? Систематический обзор». BMC Инфекционные болезни. 6 (1): 130. Дои:10.1186/1471-2334-6-130. ЧВК  1564025. PMID  16914034.
  40. ^ а б c «Как долго микробы, такие как бактерии и вирусы, живут на поверхностях в доме при нормальной комнатной температуре?». Получено 2016-09-18.
  41. ^ «Сырые диеты, связанные с сальмонеллой». 2009-06-09. Получено 2016-09-18.
  42. ^ Тонг SY; Davis JS; Eichenberger E; Holland TL; Фаулер В.Г. (июль 2015 г.). «Инфекции, вызванные Staphylococcus aureus: эпидемиология, патофизиология, клинические проявления и лечение». Обзоры клинической микробиологии. 28 (3): 603–661. Дои:10.1128 / CMR.00134-14. ЧВК  4451395. PMID  26016486.
  43. ^ «Многие факторы, участвующие в деколонизации S. aureus». www.healio.com. Получено 2016-09-18.
  44. ^ Buehlmann, M .; Frei, R .; Fenner, L .; Dangel, M .; Fluckiger, U .; Видмер, А. Ф. (1 июня 2008 г.). «Высокоэффективный режим деколонизации метициллин-резистентных носителей Staphylococcus aureus» (PDF). Инфекционный контроль и больничная эпидемиология. 29 (6): 510–516. Дои:10.1086/588201. PMID  18510460.
  45. ^ «Суперэлемент для борьбы с бактериями возвращается в больницы: медь». Вашингтон Пост. Получено 2016-09-18.
  46. ^ «Наночастицы серебра убивают микробы, вызывают проблемы со здоровьем». Получено 2016-09-18.