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.
[[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
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.