Ekologi mikroba: sejarah, objek studi dan aplikasi

ekologi mikroba adalah disiplin mikrobiologi lingkungan yang timbul dari penerapan prinsip-prinsip ekologi untuk mikrobiologi ( mikros : kecil, bios : hidup, logo: studi).

Disiplin ini mempelajari keanekaragaman mikroorganisme (organisme uniseluler mikroskopis dari 1 hingga 30 m), hubungan antara mereka dengan makhluk hidup lainnya dan dengan lingkungan.

Gambar 1. Alga, bakteri dan protozoa amoeboid berinteraksi dalam sampel air yang tidak diolah. Sumber: CDC / Janice Haney Carr, di: publicdomainfiles.com

Karena mikroorganisme mewakili biomassa terestrial terbesar, aktivitas dan fungsi ekologisnya sangat mempengaruhi semua ekosistem.

Aktivitas fotosintesis awal cyanobacteria dan akumulasi oksigen (O 2 ) di atmosfer primitif merupakan salah satu contoh paling jelas pengaruh mikroba dalam sejarah evolusi kehidupan di planet Bumi.

Ini, mengingat bahwa kehadiran oksigen di atmosfer, memungkinkan munculnya dan berevolusi dari semua bentuk kehidupan aerobik yang ada.

Gambar 2. Cyanobacteria berbentuk spiral. Sumber: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganisme mempertahankan aktivitas yang berkelanjutan dan penting bagi kehidupan di Bumi. Mekanisme yang menjaga keanekaragaman mikroba biosfer adalah dasar dari dinamika ekosistem darat, akuatik, dan udara.

Mengingat pentingnya, kemungkinan kepunahan komunitas mikroba (karena kontaminasi habitat mereka dengan zat beracun industri), akan menghasilkan hilangnya ekosistem yang bergantung pada fungsinya.

Indeks artikel

Sejarah ekologi mikroba

Prinsip ekologi

Pada paruh pertama abad ke-20, prinsip-prinsip ekologi umum dikembangkan, dengan mempertimbangkan studi tentang tumbuhan dan hewan “tingkat tinggi” di lingkungan alaminya.

Mikroorganisme dan fungsi ekosistemnya kemudian diabaikan, meskipun sangat penting dalam sejarah ekologi planet ini, baik karena mereka mewakili biomassa terestrial terbesar, dan karena mereka adalah organisme tertua dalam sejarah evolusi kehidupan di Bumi. .

Pada saat itu, mikroorganisme hanya dianggap sebagai degraders, mineralizers dari organik materi dan perantara dalam beberapa siklus hara.

Mikrobiologi

Dianggap bahwa ilmuwan Louis Pasteur dan Robert Koch mendirikan disiplin mikrobiologi, dengan mengembangkan teknik kultur mikroba axenic, yang berisi satu jenis sel, yang diturunkan dari satu sel.

Gambar 3. Kultur bakteri axenic. Sumber: pixabay.com

Namun, dalam budaya axenic interaksi antara populasi mikroba tidak dapat dipelajari. Itu perlu untuk mengembangkan metode yang memungkinkan studi interaksi biologis mikroba di habitat alami mereka (inti dari hubungan ekologis).

Ahli mikrobiologi pertama yang meneliti interaksi antara mikroorganisme, di dalam tanah dan interaksi dengan tanaman, adalah Sergéi Winogradsky dan Martinus Beijerinck, sementara mayoritas berfokus pada mempelajari kultur axenik mikroorganisme yang terkait dengan penyakit atau proses fermentasi yang diminati secara komersial.

Winogradsky dan Beijerinck mempelajari khususnya biotransformasi mikroba dari senyawa nitrogen dan sulfur anorganik di dalam tanah.

Ekologi mikroba

Pada awal 1960-an, di era kepedulian terhadap kualitas lingkungan dan dampak pencemaran dari kegiatan industri, ekologi mikroba muncul sebagai suatu disiplin ilmu. Ilmuwan Amerika Thomas D. Brock, adalah penulis pertama teks tentang masalah ini pada tahun 1966.

Namun, pada akhir 1970-an ketika ekologi mikroba dikonsolidasikan sebagai area khusus multidisiplin, karena bergantung pada cabang ilmiah lainnya, seperti ekologi, biologi sel dan molekuler, biogeokimia, dan lain-lain.

Gambar 4. Interaksi Mikroba. Sumber: Perpustakaan Gambar Kesehatan Masyarakat, di publicdomainfiles.com

Perkembangan ekologi mikroba erat kaitannya dengan kemajuan metodologi yang memungkinkan mempelajari interaksi antara mikroorganisme dengan faktor biotik dan abiotik di lingkungannya.

Pada 1990-an, teknik biologi molekuler dimasukkan ke dalam studi ekologi mikroba bahkan in situ , menawarkan kemungkinan untuk mengeksplorasi keanekaragaman hayati yang luas yang ada di dunia mikroba dan juga mengetahui aktivitas metabolismenya di lingkungan dalam kondisi ekstrem.

Gambar 5. Interaksi Mikroba. Air mancur. Janice Haney Carr, USCDCP, di: pixnio.com

Selanjutnya, teknologi DNA rekombinan memungkinkan kemajuan penting dalam penghapusan polutan lingkungan, serta dalam pengendalian hama yang penting secara komersial.

Metode dalam ekologi mikroba

Di antara metode yang memungkinkan studi in situ mikroorganisme dan aktivitas metabolismenya, ada:

• Mikroskop laser confocal.
• Alat molekuler seperti probe gen fluoresen, yang memungkinkan studi komunitas mikroba kompleks.
• Reaksi berantai polimerase atau PCR (Polymerase Chain Reaction).
• Penanda radioaktif dan analisis kimia, yang memungkinkan pengukuran aktivitas metabolisme mikroba, antara lain.

Sub-disiplin

Ekologi mikroba biasanya dibagi menjadi sub-disiplin ilmu, seperti:

• Autoekologi atau ekologi populasi yang terkait secara genetik.
• Ekologi ekosistem mikroba, yang mempelajari komunitas mikroba dalam ekosistem tertentu (terestrial, udara atau akuatik).
• Ekologi biogeokimia mikroba, yang mempelajari proses biogeokimia.
• Ekologi hubungan antara inang dan mikroorganisme.
• Ekologi mikroba diterapkan pada masalah pencemaran lingkungan dan dalam pemulihan keseimbangan ekologi dalam sistem yang diintervensi.

bidang studi

Di antara bidang studi ekologi mikroba adalah:

• Evolusi mikroba dan keragaman fisiologisnya, dengan mempertimbangkan tiga domain kehidupan; Bakteri, Arquea dan Eucaria.
• Rekonstruksi hubungan filogenetik mikroba.
• Pengukuran kuantitatif jumlah, biomassa, dan aktivitas mikroorganisme di lingkungannya (termasuk yang tidak dapat dibudidayakan).
• Interaksi positif dan negatif dalam populasi mikroba.
• Interaksi antara populasi mikroba yang berbeda (netralisme, komensalisme, sinergisme, mutualisme, kompetisi, amensalisme, parasitisme, dan predasi).
• Interaksi antara mikroorganisme dan tanaman: di rizosfer (dengan mikroorganisme pengikat nitrogen dan jamur mikoriza), dan dalam struktur udara tanaman.
• fitopatogen; bakteri, jamur dan virus.
• Interaksi antara mikroorganisme dan hewan (simbiosis usus mutualistik dan komensal, predasi, antara lain).
• Komposisi, fungsi dan proses suksesi dalam komunitas mikroba.
• Adaptasi mikroba terhadap kondisi lingkungan yang ekstrim (studi tentang mikroorganisme Ekstremofilik).
• Jenis habitat mikroba (atmosfer-ekosfer, hidro-ekosfer, litho-ekosfer dan habitat ekstrim).
• Siklus biogeokimia dipengaruhi oleh komunitas mikroba (siklus karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, belerang, fosfor, besi, antara lain).
• Berbagai aplikasi bioteknologi dalam masalah lingkungan dan kepentingan ekonomi.

Kegunaan

Mikroorganisme sangat penting dalam proses global yang memungkinkan pemeliharaan lingkungan dan kesehatan manusia. Selain itu, mereka berfungsi sebagai caral dalam studi berbagai interaksi populasi (misalnya, predasi).

Pemahaman tentang ekologi dasar mikroorganisme dan pengaruhnya terhadap lingkungan telah memungkinkan untuk mengidentifikasi kapasitas metabolisme bioteknologi yang berlaku untuk berbagai bidang kepentingan ekonomi. Beberapa area tersebut disebutkan di bawah ini:

• Pengendalian biodegradasi oleh biofilm korosif dari struktur logam (seperti pipa, wadah limbah radioaktif, antara lain).
• Pengendalian hama dan patogen.
• Restorasi tanah pertanian yang terdegradasi oleh eksploitasi berlebihan.
• Biotreatment limbah padat di pengomposan dan tempat pembuangan akhir.
• Biotreatment limbah, melalui sistem pengolahan air limbah (misalnya, menggunakan biofilm amobil).
• Bioremediasi tanah dan air yang terkontaminasi zat anorganik (seperti logam berat), atau xenobiotik (produk sintetis beracun, tidak dihasilkan oleh proses biosintetik alami). Senyawa xenobiotik ini termasuk halokarbon, nitroaromatik, bifenil poliklorinasi, dioksin, alkilbenzil sulfonat, hidrokarbon minyak bumi, dan pestisida.

Gambar 6. Pencemaran lingkungan dengan zat asal industri. Sumber: pixabay.com

• Biorecovery mineral melalui bioleaching (misalnya, emas dan tembaga).
• Produksi biofuel (etanol, metana, di antara hidrokarbon lainnya) dan biomassa mikroba.

Referensi

1. Kim, MB. (2008). Kemajuan dalam Mikrobiologi Lingkungan. Myung-Bo Kim Editor. hal 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA dan Brock, T. (2015). Brock biologi mikroorganisme. 14 edisi Benyamin Cummings. hal 1041.
3. Madsen, EL (2008). Mikrobiologi Lingkungan: Dari Genom ke Biogeokimia. Wiley-Blackwell. hal 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologi Pengendalian Pencemaran Lingkungan. M. Dekker. hal 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Edisi kelima, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. hal 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofil sebagai sumber enzim baru. Opini Saat Ini dalam Mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, dan Jones, KC (1993). Bioremediasi tanah yang terkontaminasi hidrokarbon aromatik polinuklir (PAH): Tinjauan. Pencemaran Lingkungan, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.