Кіріспе
Микроорганизмдердің қоршаған ортамен байланысын зерттеу. Тірі жасушаларды өсіру арқылы алынған сандар, микроскоппен тікелей бақыланғандардан бірнеше есе кем. Бұл себебі микробиологтар қазіргі зертханалық техникаларды қолдана отырып, табиғи микробтардың аз ғана бөлігін өсіре алады, бұл ортаға байланысты өзгереді. Микробтық өмірдің мөлшерінің салдарынан (5,0 жасушаға дейін есептелген; байқалатын ғаламдағы жұлдыздар санынан сегіз рет артық) Мартинус Бейжеринк байыту культивациясын ойлап тапты – бұл ортадан микробтарды зерттеудің негізгі әдісі. Ол жиі қате түрде "барлығы барлық жерде, бірақ орта таңдайды" деген микробиологиялық биогеографиялық идеяны қалыптастырған деп есептеледі, бұл идеяны Лоуренс Баас Беккинг айтқан. Бұл электродтардың кеңістіктік ажыратымдылығы 50–100 мкм құрайды және микробтық қабаттар мен шөгінділердегі кеңістіктік және уақыттық биогеохимиялық динамиканы талдауға мүмкіндік береді. Биогеохимиялық процестердің жылдамдығын өлшеу осы процестердің қандай болып жатқанын анықтауға мүмкіндік берсе де, бұл толық емес, себебі олар қандай микробтардың жауапты екені туралы ақпарат бермейді. "Классикалық" культивация әдістері табиғи ортадан микробтардың 1%-дан да азын қалпына келтіретіні бұрыннан белгілі. Алайда, 1990 жылдардан бастап, ортадағы микробтардың салыстырмалы мөлшерін анықтауға арналған культивацияға тәуелсіз әдістердің жиынтығы дамыды. Карл Возе алғаш рет 16S рибосомалық РНК молекуласының тізбегін филогенетикалық қатынастарды талдау үшін қолдануға болатынын көрсетті. Норм Пейс осы маңызды идеяны алып, оны табиғи ортада "кім бар" деген сұраққа қолданды. Процедура (а) нуклеин қышқылын табиғи ортадан тікелей бөліп алуды, (b) кішігірім суббірлік рРНК гендерінің тізбектерін ПЦР арқылы күшейтуді, (c) ампликонды тізбектеуді және (d) осы тізбектерді таза культуралар мен қоршаған орта ДНК тізбектерінің дерекқонымен салыстыруды қамтиды. Бұл микробтық ортаның әртүрлілігі туралы маңызды мәліметтер берді. Алайда, бұл нақты микробтарды олардың биогеохимиялық рөлімен қалай байланыстыруға болатынын шешпейді. Метагеномика, ортадан алынған барлық ДНК-ның тізбегі, биогеохимиялық потенциал туралы мәлімет бере алады, ал метатранскриптомика және метапротеомика генетикалық потенциалдың нақты экспрессиясын өлшеуге мүмкіндік береді, бірақ техникалық тұрғыдан қиынырақ болып қалады.
[[File:Great plate count anomaly. svg|thumb|upright=1.3|The great plate count anomaly. Counts of cells obtained via cultivation are orders of magnitude lower than those directly observed under the microscope. This is because microbiologists are able to cultivate only a minority of naturally occurring microbes using current laboratory techniques, depending on the environment. As a consequence of the quantitative magnitude of microbial life (calculated as 5.0 cells; eight orders of magnitude greater than the number of stars in the observable universe Martinus Beijerinck invented the enrichment culture, a fundamental method of studying microbes from the environment. He is often incorrectly credited with framing the microbial biogeographic idea that "everything is everywhere, but, the environment selects", which was stated by Lourens Baas Becking. These electrodes have a spatial resolution of 50–100 μm, and have allowed analysis of spatial and temporal biogeochemical dynamics in microbial mats and sediments. Although measuring biogeochemical process rates could analyse what processes were occurring, they were incomplete because they provided no information on which specific microbes were responsible. It was long known that 'classical' cultivation techniques recovered fewer than 1% of the microbes from a natural habitat. However, beginning in the 1990s, a set of cultivation independent techniques have evolved to determine the relative abundance of microbes in a habitat. Carl Woese first demonstrated that the sequence of the 16S ribosomal RNA molecule could be used to analyse phylogenetic relationships. Norm Pace took this seminal idea and applied it to analysfe 'who's there' in natural environments. The procedure involves (a) isolation of nucleic acids directly from a natural environment, (b) PCR amplification of small subunit rRNA gene sequences, (c) sequencing the amplicons, and (d) comparison of those sequences to a database of sequences from pure cultures and environmental DNA. This has provided tremendous insights into the diversity present within microbial habitats. However, it does not resolve how to link specific microbes to their biogeochemical role. Metagenomics, the sequencing of total DNA recovered from an environment, can provide insights into biogeochemical potential, whereas metatranscriptomics and metaproteomics can measure actual expression of genetic potential but remains more technically difficult.
Симбиоз
Микроорганизмдер, әсіресе бактериялар, көбінесе басқа микроорганизмдермен немесе ірі организмдермен симбиоздық қарым-қатынастарға түседі (оң немесе теріс). Микробтар арасындағы симбиоздық қарым-қатынастар физикалық өлшемдері шағын болғанымен, эукариоттық процестер мен олардың эволюциясында маңызды рөл атқарады. Микробтар қатысатын симбиоздық қарым-қатынастардың түрлеріне мутуализм, комменсализм, паразитизм және аменсализм жатады, олар экожүйеге көптеген әсер етеді.
Өзаралық
Микробтық экологиядағы өзара қарым-қатынас – микробтық түрлер мен адамдар арасындағы екі жаққа да пайда әкелетін байланыс. Мұндай мысалдың бірі – синтетрофия, сондай-ақ кросс-тамақтану деп те аталады. Синтрофия энергия мен қоректік заттар тапшы орталарда, мысалы терең жер астында маңызды рөл атқарады, онда ол әртүрлі функционалдық қасиеттері бар микробтық қауымдастыққа тірі қалуға, өсуге және энергияның максималды мөлшерін өндіруге көмектеседі. Метанды анаэробты тотығу (МАТ) сульфатты азайтушы бактерия мен анаэробты метанды тотықтырушы археонның өзара қарым-қатынас консорциумы арқылы жүзеге асырылады. Бактериялық серіктес H2 өндірісі үшін қолданатын реакция эндергоникалық (демек, термодинамикалық тұрғыдан қолайсыз), бірақ археялық серіктестің реакциясымен біріктірілгенде, жалпы реакция эксергоникалық болады. Бір микробтық популяцияның метаболизм өнімдерін екінші микробтық популяция бірінші популяцияға зиян немесе пайда тигізбей пайдаланады. Бір химиялық теңдеуге қатысты тотығу немесе тотығу-тотықсыздану реакциясын жүзеге асыратын көптеген микробтық түрлердің "жұптары" бар. Мысалы, метаногендер CO2-ні CH4-ке дейін тотықсыздандыру арқылы метанды өндіреді, ал метанотрофтар метанды кері CO2-ге дейін тотықтырады.
Аменсализм
Аменсализм (сонымен қатар антагонизм деп те аталады) – симбиотикалық қарым-қатынастың бір түрі, онда бір түр/организм зиян көреді, ал екіншісі өзгеріссіз қалады. Pseudomonas taetrolens бір ортада бірге тіршілік еткенде, Lactobacillus casei-дің сүт қышқылын өндіру кезінде бөлінетін қосалқы өнімдерінің салдарынан өсуі тежеледі және лактобион қышқылының (оның негізгі өнімі) өндірісі азаяды. Дегенмен, Lactobacillus casei-дің мінез-құлқында ешқандай өзгеріс байқалмайды, осылайша бұл қарым-қатынасты аменсализм деп анықтауға болады.
Микробтық ресурстарды басқару
Биотехнологияны микробтық экологиямен бірге қолдану арқылы бірқатар қоршаған орта және экономикалық мәселелерді шешуге болады. Мысалы, микробтық қоғамдастықтардың уақыт өте келе өзгеруін қадағалау немесе олардың биоәртүрлілігін бағалау үшін қоғамдастықтың саусақ іздері немесе метагеномика сияқты молекулалық техникаларды пайдалануға болады. Көмірқышқыл газын тоқтату және артық метан түзлуін болдырмау үшін көміртегі циклын басқару жаһандық жылуды азайту үшін маңызды, ал микробтық отын жасушаларын әзірлеу биоэнергия перспективаларын кеңейтуде. Микробтық ресурстарды басқару ауруларға қатысты көзқарасты прогрессивтірек етуді жақтады, онда биологиялық бақылау агенттеріне жоюға тырысуларға қарағанда басымдық беріледі. Осы саланың әлеуетін іске асыру үшін микробтық қоғамдастықтардағы өзгерістерді жақсы сипаттау қажет. 2006 жылғы зерттеуде ауруханалардағы патогенді бактериялардың тірі қалу қабілетінің түріне байланысты әртүрлі екені анықталды, кейбіреуі бірнеше күн ғана тірі алса, ал басқалары айлар бойы тірі қалады. Үйдегі микроорганизмдердің өмір сүру ұзақтығы да осылай өзгереді. Жалпы, бактериялар мен вирустар 10 проценттен жоғары ылғалдылық деңгейі бар ылғалды ортаны қажет етеді. E. coli бірнеше сағаттан бір күнге дейін тірі қалуы мүмкін. S. aureus ерекше жиі кездеседі және симптомсыз түрде адамдардың шамамен 30% -ын қоныстандырады; тасымалдаушыларды қоныстандыруға жасалған тырысқандар шектеулі нәтиже берді және әдетте мұрынға мупироцинмен және хлоргексидинмен жуу, сондай-ақ ішек және зәр жолдары инфекцияларын емдеу үшін ванкомицинмен және котримоксазолмен бірге қолдануды қамтиды.
Микробқа қарсы препараттар
Кейбір металдар, әсіресе мыс, күміс және алтын микробқа қарсы қасиеттерге ие. Бактериялардың таралуын болдырмау мақсатында 21 ғасырда микробқа қарсы мыс қорытпасынан жасалған беттер қолданыла бастады. Мінезді металдардың микробқа қарсы қасиеттерінің арқасында медициналық құралдар сияқты өнімдер осы металдардан жасалады.