Введение

Изучение взаимосвязи микроорганизмов с окружающей средой. Существует значительная аномалия: количество клеток, полученных культивированием, на порядки ниже, чем количество, непосредственно наблюдаемое под микроскопом. Это связано с тем, что микробиологи способны культивировать лишь малую часть естественно встречающихся микробов, используя современные лабораторные методы, в зависимости от среды обитания. Вследствие огромной численности микробной жизни (оцениваемой в 5,0 x 10^30 клеток, что на восемь порядков больше числа звезд в наблюдаемой Вселенной) Мартинус Бейеринк изобрел культуру обогащения – фундаментальный метод изучения микробов из окружающей среды. Ему часто ошибочно приписывают формулировку микробной биогеографической идеи о том, что "все везде, но среда выбирает", которая была сформулирована Лоуренсом Баасом Беккингом. Эти электроды обладают пространственным разрешением 50–100 мкм и позволили анализировать пространственную и временную биогеохимическую динамику в микробных матах и осадках. Хотя измерение скорости биогеохимических процессов позволяло анализировать происходящие процессы, оно было неполным, поскольку не предоставляло информации о том, какие конкретно микробы ответственны за эти процессы. Давно известно, что "классические" методы культивирования позволяют выделить менее 1% микробов из естественной среды обитания. Однако, начиная с 1990-х годов, был разработан ряд методов, не требующих культивирования, для определения относительной численности микробов в среде обитания. Карл Возе впервые показал, что последовательность молекулы 16S рибосомной РНК может быть использована для анализа филогенетических взаимосвязей. Норм Пейс развил эту основополагающую идею и применил ее для определения "кто там" в естественных средах. Процедура включает в себя: (а) выделение нуклеиновых кислот непосредственно из естественной среды, (б) ПЦР-амплификацию последовательностей гена малых субъединиц рРНК, (в) секвенирование ампликонов и (г) сравнение этих последовательностей с базой данных последовательностей из чистых культур и ДНК окружающей среды. Это дало значительные представления о разнообразии в микробных сообществах. Однако это не позволяет установить связь между конкретными микробами и их биогеохимической ролью. Метагеномика, то есть секвенирование всей ДНК, выделенной из окружающей среды, может дать представление о биогеохимическом потенциале, в то время как метатранскриптомика и метапротеомика могут измерять фактическую экспрессию генетического потенциала, но остаются более сложными в техническом плане.

Симбиоз

Микробы, особенно бактерии, часто вступают в симбиотические отношения (как положительные, так и отрицательные) с другими микроорганизмами или более крупными организмами. Несмотря на свои небольшие размеры, симбиотические взаимодействия между микробами играют важную роль в процессах, происходящих в эукариотических организмах, и в их эволюции. К типам симбиотических отношений, в которых участвуют микробы, относятся мутуализм, комменсализм, паразитизм и аменсализм, оказывающие многообразное влияние на экосистему.

Взаимность

Взаимность в микробиальной экологии – это взаимоотношения между микробиологическими видами и человеком, при которых обе стороны получают выгоду. Одним из таких примеров является синтрофия, также известная как кросс-кормление. Предполагается, что синтрофия играет значительную роль в средах с ограниченными энергетическими ресурсами и питательными веществами, таких как глубокие подповерхностные слои, где она может помочь микробному сообществу с разнообразными функциональными свойствами выживать, расти и производить максимальное количество энергии. Анаэробное окисление метана (AOM) осуществляется мутуалистическим консорциумом сульфатредуцирующей бактерии и анаэробного метаноокисляющего архея. Реакция, используемая бактериальным партнером для производства H2, является эндергонической (и, следовательно, термодинамически невыгодной), однако, в сочетании с реакцией, используемой археальным партнером, общая реакция становится экзергонической. Метаболические продукты одной микробной популяции используются другой микробной популяцией без какой-либо выгоды или вреда для первой популяции. Существует множество "пар" микробных видов, которые осуществляют либо окислительную, либо восстановительную реакцию по отношению к одному и тому же химическому уравнению. Например, метаногены производят метан, восстанавливая CO2 до CH4, в то время как метанотрофы окисляют метан обратно до CO2.

Аменсализм

Аменсализм (также часто называемый антагонизмом) — это тип симбиотических отношений, при котором один вид/организм испытывает вред, а другой остаётся незатронутым. При совместном существовании в среде обитания у Pseudomonas taetrolens наблюдается подавленный рост и снижение выработки лактобионовой кислоты (её основного продукта), что, вероятнее всего, связано с побочными продуктами, образующимися у Lactobacillus casei в процессе производства молочной кислоты. Однако поведение Lactobacillus casei при этом не изменяется, и поэтому данную взаимосвязь можно определить как аменсализм.

Управление микробными ресурсами

Биотехнология может использоваться совместно с микробиологической экологией для решения ряда экологических и экономических задач. Например, молекулярные методы, такие как анализ отпечатков микробных сообществ или метагеномика, могут быть использованы для отслеживания изменений в микробных сообществах во времени или оценки их биоразнообразия. Управление углеродным циклом с целью секвестрации углекислого газа и предотвращения избыточного метаногенеза важно для смягчения глобального потепления, а перспективы биоэнергетики расширяются благодаря разработке микробных топливных элементов. Управление микробными ресурсами предполагает более прогрессивный подход к борьбе с заболеваниями, отдавая предпочтение биологическим средствам контроля над попытками искоренения. Для реализации потенциала этой области необходимо лучше изучать динамику микробных сообществ. Исследование 2006 года, посвященное патогенным бактериям в больницах, показало, что их способность к выживанию варьируется в зависимости от вида: одни выживают всего несколько дней, другие – несколько месяцев. Схожим образом меняется и продолжительность жизни микробов в домашних условиях. В целом, бактериям и вирусам необходима влажная среда с влажностью более 10 процентов. E. coli может выживать от нескольких часов до суток. S. aureus особенно распространен и бессимптомно колонизирует около 30% населения; попытки деколонизации носителей имели ограниченный успех и обычно включают применение мупироцина местно в носовые ходы и промывание хлоргексидином, а также, потенциально, ванкомицина и ко-тримоксазола для лечения инфекций кишечника и мочевыводящих путей.

Антимикробные препараты

Некоторые металлы, особенно медь, серебро и золото, обладают антимикробными свойствами. Применение антимикробных медных сплавов для поверхностей, к которым прикасаются, – это технология, которая начала применяться в 21 веке для предотвращения распространения бактерий. Благодаря антимикробным свойствам некоторых металлов, из них изготавливают такие изделия, как медицинские устройства.