SINH THÁI VI SINH VẬT: LỊCH SỬ, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG - SINH HỌC - 2025

Các hệ sinh thái vi khuẩn là một kỷ luật đối với vi sinh học môi trường phát sinh từ việc áp dụng các nguyên tắc sinh thái vi sinh học (Mikros: nhỏ, bios: cuộc sống, logo: nghiên cứu).

Ngành này nghiên cứu sự đa dạng của vi sinh vật (sinh vật đơn bào cực nhỏ từ 1 đến 30 µm), các mối quan hệ giữa chúng với phần còn lại của sinh vật và với môi trường.

Hình 1. Tảo, vi khuẩn và động vật nguyên sinh amip tương tác trong mẫu nước chưa qua xử lý. Nguồn: CDC / Janice Haney Carr, tại: publicdomainfiles.com

Vì vi sinh vật đại diện cho sinh khối lớn nhất trên cạn nên các hoạt động và chức năng sinh thái của chúng ảnh hưởng sâu sắc đến tất cả các hệ sinh thái.

Hoạt động quang hợp ban đầu của vi khuẩn lam và kết quả là sự tích tụ oxy (O ₂ ) trong khí quyển sơ khai là một trong những ví dụ rõ ràng nhất về ảnh hưởng của vi sinh vật trong lịch sử tiến hóa của sự sống trên hành tinh Trái đất.

Điều này, do sự hiện diện của oxy trong khí quyển, đã cho phép sự xuất hiện và tiến hóa của tất cả các dạng sống hiếu khí hiện có.

Hình 2. Vi khuẩn lam dạng xoắn ốc. Nguồn: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Các vi sinh vật duy trì hoạt động liên tục và cần thiết cho sự sống trên Trái đất. Các cơ chế duy trì sự đa dạng của vi sinh vật trong sinh quyển là cơ sở của động lực học của các hệ sinh thái trên cạn, dưới nước và trên không.

Với tầm quan trọng của nó, sự tuyệt chủng có thể xảy ra của các cộng đồng vi sinh vật (do môi trường sống của chúng bị ô nhiễm bởi các chất độc hại công nghiệp), sẽ tạo ra sự biến mất của các hệ sinh thái phụ thuộc vào chức năng của chúng.

Lịch sử sinh thái vi sinh vật

Nguyên lý sinh thái học

Trong nửa đầu thế kỷ 20, các nguyên tắc sinh thái học chung đã được phát triển, xem xét việc nghiên cứu các loài thực vật và động vật “bậc cao” trong môi trường tự nhiên của chúng.

Các vi sinh vật và chức năng hệ sinh thái của chúng sau đó đã bị bỏ qua, mặc dù có tầm quan trọng to lớn trong lịch sử sinh thái của hành tinh, vì chúng đại diện cho sinh khối lớn nhất trên cạn và vì chúng là những sinh vật lâu đời nhất trong lịch sử tiến hóa của sự sống trên Trái đất. .

Vào thời điểm đó, chỉ có vi sinh vật được coi là chất phân huỷ, khoáng hoá chất hữu cơ và trung gian trong một số chu trình dinh dưỡng.

Vi trùng học

Các nhà khoa học Louis Pasteur và Robert Koch được coi là người đã sáng lập ra kỷ luật vi sinh bằng cách phát triển kỹ thuật nuôi cấy vi khuẩn axenic, có chứa một loại tế bào đơn, có nguồn gốc từ một tế bào đơn lẻ.

Hình 3. Nuôi cấy vi khuẩn Axenic. Nguồn: pixabay.com

Tuy nhiên, trong nuôi cấy axenic không thể nghiên cứu được sự tương tác giữa các quần thể vi sinh vật. Cần phải phát triển các phương pháp cho phép nghiên cứu các tương tác sinh học của vi sinh vật trong môi trường sống tự nhiên của chúng (bản chất của các mối quan hệ sinh thái).

Các nhà vi sinh học đầu tiên nghiên cứu sự tương tác giữa các vi sinh vật, trong đất và tương tác với thực vật, là Sergéi Winogradsky và Martinus Beijerinck, trong khi phần lớn tập trung vào nghiên cứu việc nuôi cấy axenic của vi sinh vật liên quan đến bệnh tật hoặc quá trình lên men vì lợi ích thương mại.

Winogradsky và Beijerinck đã nghiên cứu đặc biệt sự biến đổi sinh học của vi sinh vật của các hợp chất nitơ vô cơ và lưu huỳnh trong đất.

Sinh thái vi sinh vật

Vào đầu những năm 1960, trong thời đại quan tâm đến chất lượng môi trường và tác động gây ô nhiễm của các hoạt động công nghiệp, sinh thái vi sinh vật nổi lên như một ngành học. Nhà khoa học người Mỹ Thomas D. Brock, là tác giả đầu tiên của một văn bản về chủ đề này vào năm 1966.

Tuy nhiên, vào cuối những năm 1970 khi sinh thái vi sinh vật được hợp nhất thành một lĩnh vực đa ngành chuyên biệt, vì nó phụ thuộc vào các ngành khoa học khác, chẳng hạn như sinh thái học, tế bào và sinh học phân tử, hóa sinh sinh học, v.v.

Hình 4. Các tương tác của vi sinh vật. Nguồn: Thư viện Hình ảnh Sức khỏe Cộng đồng, tại publicdomainfiles.com

Sự phát triển của hệ sinh thái vi sinh vật có liên quan chặt chẽ với những tiến bộ về phương pháp cho phép nghiên cứu sự tương tác giữa vi sinh vật với các yếu tố sinh học và phi sinh học trong môi trường của chúng.

Vào những năm 1990, các kỹ thuật sinh học phân tử đã được đưa vào nghiên cứu sinh thái vi sinh vật thậm chí tại chỗ, cung cấp khả năng khám phá sự đa dạng sinh học rộng lớn tồn tại trong thế giới vi sinh vật và cũng biết được các hoạt động trao đổi chất của nó trong các môi trường có điều kiện khắc nghiệt.

Hình 5. Các tương tác của vi sinh vật. Nguồn. Janice Haney Carr, USCDCP, tại: pixnio.com

Sau đó, công nghệ DNA tái tổ hợp đã cho phép những tiến bộ quan trọng trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm môi trường, cũng như trong việc kiểm soát các loài gây hại quan trọng về mặt thương mại.

Các phương pháp trong sinh thái vi sinh vật

Trong số các phương pháp cho phép nghiên cứu tại chỗ các vi sinh vật và hoạt động trao đổi chất của chúng, có:

• Kính hiển vi laser đồng tiêu.
• Các công cụ phân tử như đầu dò gen huỳnh quang, cho phép nghiên cứu các cộng đồng vi sinh vật phức tạp.
• Phản ứng chuỗi polymerase hoặc PCR (viết tắt của nó trong tiếng Anh: Polymerase Chain Reaction).
• Các chất đánh dấu phóng xạ và phân tích hóa học, cho phép đo hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật, trong số các phân tích khác.

Các ngành phụ

Sinh thái vi sinh vật thường được chia thành các phân ngành, chẳng hạn như:

• Quá trình tự sinh hoặc sinh thái của các quần thể có liên quan đến di truyền.
• Sinh thái học của hệ sinh thái vi sinh vật, nghiên cứu các cộng đồng vi sinh vật trong một hệ sinh thái cụ thể (trên cạn, trên không hoặc dưới nước).
• Sinh thái hóa sinh vi sinh vật, nghiên cứu các quá trình địa hóa sinh học.
• Hệ sinh thái về mối quan hệ giữa vật chủ và vi sinh vật.
• Sinh thái vi sinh vật được áp dụng cho các vấn đề ô nhiễm môi trường và phục hồi cân bằng sinh thái trong các hệ thống can thiệp.

Lĩnh vực nghiên cứu

Trong số các lĩnh vực nghiên cứu của sinh thái vi sinh vật là:

• Sự tiến hóa của vi sinh vật và sự đa dạng sinh lý của nó, xem xét ba lĩnh vực của sự sống; Vi khuẩn, Arquea và Eucaria.
• Tái tạo các mối quan hệ phát sinh loài vi sinh vật.
• Các phép đo định lượng về số lượng, sinh khối và hoạt động của vi sinh vật trong môi trường của chúng (kể cả những vi sinh vật không thể nuôi cấy).
• Tương tác tích cực và tiêu cực trong quần thể vi sinh vật.
• Sự tương tác giữa các quần thể vi sinh vật khác nhau (chủ nghĩa trung tính, chủ nghĩa hòa hợp, hợp lực, tương hỗ, cạnh tranh, vô cảm, ký sinh, và ăn thịt).
• Tương tác giữa vi sinh vật và thực vật: trong tầng sinh quyển (với vi sinh vật cố định nitơ và nấm rễ), và trong các cấu trúc trên không của thực vật.
• Phytopathogens; vi khuẩn, nấm và virus.
• Tương tác giữa vi sinh vật và động vật (cộng sinh đường ruột tương hỗ và đồng loại, săn mồi, trong số những loài khác).
• Thành phần, chức năng và các quá trình diễn thế trong quần xã vi sinh vật.
• Sự thích nghi của vi sinh vật với các điều kiện môi trường khắc nghiệt (nghiên cứu về vi sinh vật ưa thích cực đoan).
• Các dạng môi trường sống của vi sinh vật (sinh quyển khí quyển, sinh quyển thuỷ quyển, sinh thái thạch quyển và sinh cảnh cực đoan).
• Các chu trình sinh địa hóa chịu ảnh hưởng của các cộng đồng vi sinh vật (chu trình cacbon, hydro, oxy, nitơ, lưu huỳnh, phốt pho, sắt, và các chu trình khác).
• Các ứng dụng công nghệ sinh học khác nhau trong các vấn đề môi trường và lợi ích kinh tế.

Các ứng dụng

Vi sinh vật rất cần thiết trong các quá trình toàn cầu cho phép duy trì sức khỏe môi trường và con người. Ngoài ra, chúng còn đóng vai trò như một mô hình trong nghiên cứu về nhiều tương tác giữa quần thể (ví dụ: săn mồi).

Sự hiểu biết về hệ sinh thái cơ bản của vi sinh vật và ảnh hưởng của chúng đối với môi trường đã giúp xác định khả năng trao đổi chất của công nghệ sinh học áp dụng cho các lĩnh vực kinh tế khác nhau. Một số lĩnh vực này được đề cập dưới đây:

• Kiểm soát sự phân hủy sinh học bằng màng sinh học ăn mòn của các cấu trúc kim loại (chẳng hạn như đường ống, thùng chứa chất thải phóng xạ, trong số những thứ khác).
• Kiểm soát sâu bệnh và mầm bệnh.
• Phục hồi đất nông nghiệp bị suy thoái do khai thác quá mức.
• Xử lý sinh học chất thải rắn trong quá trình ủ phân và bãi chôn lấp.
• Xử lý sinh học nước thải, thông qua hệ thống xử lý nước thải (ví dụ, sử dụng màng sinh học cố định).
• Xử lý sinh học đất và nước bị ô nhiễm các chất vô cơ (như kim loại nặng), hoặc xenobiotic (các sản phẩm tổng hợp độc hại, không được tạo ra bởi các quá trình sinh tổng hợp tự nhiên). Các hợp chất xenobiotic này bao gồm halocarbon, nitroaromatics, polychlorinated biphenyls, dioxin, alkylbenzyl sulfonat, hydrocacbon dầu mỏ và thuốc trừ sâu.

Hình 6. Ô nhiễm môi trường với các chất có nguồn gốc công nghiệp. Nguồn: pixabay.com

• Phục hồi sinh học của các khoáng chất thông qua tẩy rửa sinh học (ví dụ: vàng và đồng).
• Sản xuất nhiên liệu sinh học (etanol, mêtan, trong số các hydrocacbon khác) và sinh khối vi sinh vật.

Người giới thiệu

1. Kim, MB. (2008). Tiến bộ trong Vi sinh Môi trường. Biên tập viên Myung-Bo Kim. trang 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA và Brock, T. (2015). Brock sinh học vi sinh vật. 14 ed. Benjamin Cummings. trang 1041.
3. Madsen, EL (2008). Vi sinh môi trường: Từ bộ gen đến địa sinh học. Wiley-Blackwell. trang 490.
4. McKinney, RE (2004). Vi sinh kiểm soát ô nhiễm môi trường. M. Dekker. trang 453.
5. Prescott, LM (2002). Vi trùng học. Ấn bản thứ năm, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. trang 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Các chất cực khô như một nguồn cung cấp các enzym mới. Ý kiến ​​hiện tại trong vi sinh vật học, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC và Jones, KC (1993). Xử lý sinh học đất bị ô nhiễm bởi các hydrocacbon thơm đa nhân (PAHs): Một đánh giá. Ô nhiễm Môi trường, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.