นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์: ประวัติศาสตร์วัตถุประสงค์ของการศึกษาและการประยุกต์ใช้ - ชีววิทยา - 2026

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์เป็นวินัยจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อมที่เกิดขึ้นจากการประยุกต์ใช้หลักการของระบบนิเวศเพื่อจุลชีววิทยา (Mikros: ขนาดเล็กประวัติชีวิตโลโก้: การศึกษา)

วินัยนี้ศึกษาความหลากหลายของจุลินทรีย์ (สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวขนาดเล็กด้วยกล้องจุลทรรศน์ตั้งแต่ 1 ถึง 30 µm) ความสัมพันธ์ระหว่างพวกมันกับสิ่งมีชีวิตที่เหลือและกับสิ่งแวดล้อม

รูปที่ 1. สาหร่ายแบคทีเรียและโปรโตซัวอะมีบามีปฏิกิริยาในตัวอย่างน้ำที่ไม่ผ่านการบำบัด ที่มา: CDC / Janice Haney Carr ที่: publicdomainfiles.com

เนื่องจากจุลินทรีย์เป็นตัวแทนของชีวมวลบนบกที่ใหญ่ที่สุดกิจกรรมและหน้าที่ทางนิเวศวิทยาของพวกมันจึงส่งผลกระทบต่อระบบนิเวศทั้งหมดอย่างมาก

กิจกรรมสังเคราะห์แสงในช่วงแรกของไซยาโนแบคทีเรียและการสะสมของออกซิเจน (O ₂ ) ในบรรยากาศดึกดำบรรพ์เป็นหนึ่งในตัวอย่างที่ชัดเจนที่สุดของอิทธิพลของจุลินทรีย์ในประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนดาวเคราะห์โลก

เนื่องจากการมีออกซิเจนอยู่ในชั้นบรรยากาศทำให้รูปลักษณ์และวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตแบบแอโรบิคที่มีอยู่ทั้งหมด

รูปที่ 2. ไซยาโนแบคทีเรียในรูปเกลียว ที่มา: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

จุลินทรีย์รักษากิจกรรมที่ต่อเนื่องและจำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลก กลไกที่รักษาความหลากหลายของจุลินทรีย์ในชีวมณฑลเป็นพื้นฐานของพลวัตของระบบนิเวศบนบกทางน้ำและทางอากาศ

เมื่อพิจารณาถึงความสำคัญการสูญพันธุ์ของชุมชนจุลินทรีย์ที่เป็นไปได้ (เนื่องจากการปนเปื้อนของแหล่งที่อยู่อาศัยด้วยสารพิษทางอุตสาหกรรม) จะทำให้ระบบนิเวศหายไปขึ้นอยู่กับหน้าที่ของพวกมัน

ประวัตินิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

หลักการของนิเวศวิทยา

ในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 20 หลักการของระบบนิเวศทั่วไปได้รับการพัฒนาโดยพิจารณาจากการศึกษาพืชและสัตว์ที่ "สูงกว่า" ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ

จุลินทรีย์และหน้าที่ในระบบนิเวศของพวกมันถูกละเว้นแม้จะมีความสำคัญอย่างยิ่งในประวัติศาสตร์นิเวศวิทยาของโลกทั้งคู่เนื่องจากเป็นตัวแทนของมวลชีวภาพบนบกที่ใหญ่ที่สุดและเนื่องจากเป็นสิ่งมีชีวิตที่เก่าแก่ที่สุดในประวัติศาสตร์วิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิตบนโลก .

ในเวลานั้นจุลินทรีย์ถือเป็นเพียงผู้ย่อยสลายแร่ธาตุของสารอินทรีย์และตัวกลางในวัฏจักรของสารอาหารบางชนิด

จุลชีววิทยา

นักวิทยาศาสตร์หลุยส์ปาสเตอร์และโรเบิร์ตคอชได้รับการพิจารณาว่าได้ก่อตั้งวินัยทางจุลชีววิทยาโดยการพัฒนาเทคนิคการเพาะเลี้ยงจุลินทรีย์แอกเซนิกซึ่งประกอบด้วยเซลล์ชนิดเดียวที่สืบเชื้อสายมาจากเซลล์เดียว

รูปที่ 3. การเพาะเลี้ยงแบคทีเรียตามแนวแกน ที่มา: pixabay.com

อย่างไรก็ตามในวัฒนธรรมแอกเซนิกไม่สามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างประชากรจุลินทรีย์ได้ จำเป็นต้องพัฒนาวิธีการที่จะช่วยให้สามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ทางชีวภาพของจุลินทรีย์ในที่อยู่อาศัยตามธรรมชาติของพวกมัน (สาระสำคัญของความสัมพันธ์ในระบบนิเวศ)

นักจุลชีววิทยาคนแรกที่ตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์ในดินและปฏิสัมพันธ์กับพืชคือSergéi Winogradsky และ Martinus Beijerinck ในขณะที่คนส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การศึกษาวัฒนธรรมแกนของจุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องกับโรคหรือกระบวนการหมักที่มีผลประโยชน์ทางการค้า

Winogradsky และ Beijerinck ศึกษาโดยเฉพาะอย่างยิ่งการเปลี่ยนรูปทางชีวภาพของจุลินทรีย์ของไนโตรเจนอนินทรีย์และสารประกอบกำมะถันในดิน

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 ในยุคแห่งความกังวลต่อคุณภาพสิ่งแวดล้อมและผลกระทบที่ก่อให้เกิดมลพิษจากกิจกรรมทางอุตสาหกรรมนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ได้กลายเป็นระเบียบวินัย Thomas D. Brock นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันเป็นผู้เขียนข้อความในเรื่องนี้เป็นคนแรกในปีพ. ศ. 2509

อย่างไรก็ตามในตอนท้ายของทศวรรษ 1970 เมื่อนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ถูกรวมเป็นพื้นที่สหสาขาวิชาชีพเฉพาะเนื่องจากขึ้นอยู่กับสาขาวิทยาศาสตร์อื่น ๆ เช่นนิเวศวิทยาเซลล์และอณูชีววิทยาชีวเคมีและอื่น ๆ

รูปที่ 4. ปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์ ที่มา: ห้องสมุดรูปภาพสาธารณสุขที่ publicdomainfiles.com

การพัฒนานิเวศวิทยาของจุลินทรีย์มีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับความก้าวหน้าทางระเบียบวิธีที่ช่วยให้สามารถศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับปัจจัยทางชีวภาพและปัจจัยทางชีวภาพของสิ่งแวดล้อมได้

ในช่วงทศวรรษที่ 1990 เทคนิคทางชีววิทยาระดับโมเลกุลได้ถูกรวมเข้ากับการศึกษานิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ในแหล่งกำเนิดทำให้มีความเป็นไปได้ในการสำรวจความหลากหลายทางชีวภาพที่มีอยู่ในโลกของจุลินทรีย์และยังรู้กิจกรรมการเผาผลาญในสภาพแวดล้อมภายใต้สภาวะที่รุนแรง

รูปที่ 5. ปฏิสัมพันธ์ของจุลินทรีย์ แหล่ง Janice Haney Carr, USCDCP ที่: pixnio.com

ต่อจากนั้นเทคโนโลยีรีคอมบิแนนท์ดีเอ็นเออนุญาตให้มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการกำจัดสิ่งปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมรวมถึงการควบคุมศัตรูพืชที่สำคัญในเชิงพาณิชย์

วิธีการในนิเวศวิทยาของจุลินทรีย์

ในบรรดาวิธีการที่อนุญาตให้มีการศึกษาจุลินทรีย์ในแหล่งกำเนิดและกิจกรรมการเผาผลาญของพวกมัน ได้แก่ :

• กล้องจุลทรรศน์เลเซอร์คอนโฟคอล
• เครื่องมือระดับโมเลกุลเช่นโพรบยีนเรืองแสงซึ่งทำให้สามารถศึกษาชุมชนจุลินทรีย์ที่ซับซ้อนได้
• ปฏิกิริยาลูกโซ่โพลีเมอเรสหรือ PCR (สำหรับคำย่อในภาษาอังกฤษ: Polymerase Chain Reaction)
• เครื่องหมายกัมมันตภาพรังสีและการวิเคราะห์ทางเคมีซึ่งช่วยในการวัดกิจกรรมการเผาผลาญของจุลินทรีย์และอื่น ๆ

อนุกรรมการสาขาวิชา

นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์มักแบ่งออกเป็นสาขาย่อยเช่น:

• autoecology หรือนิเวศวิทยาของประชากรที่เกี่ยวข้องกับพันธุกรรม
• นิเวศวิทยาของระบบนิเวศของจุลินทรีย์ซึ่งศึกษาชุมชนจุลินทรีย์ในระบบนิเวศเฉพาะ (บนบกทางอากาศหรือในน้ำ)
• นิเวศวิทยาทางชีวเคมีของจุลินทรีย์ซึ่งศึกษากระบวนการทางชีวเคมี
• นิเวศวิทยาของความสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์และจุลินทรีย์
• นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์นำไปใช้กับปัญหาการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมและในการฟื้นฟูสมดุลของระบบนิเวศในระบบที่ถูกแทรกแซง

พื้นที่ศึกษา

ในด้านการศึกษานิเวศวิทยาของจุลินทรีย์ ได้แก่ :

• วิวัฒนาการของจุลินทรีย์และความหลากหลายทางสรีรวิทยาโดยพิจารณาจากสามสิ่งมีชีวิต แบคทีเรีย Arquea และ Eucaria
• การสร้างความสัมพันธ์ทางวิวัฒนาการของจุลินทรีย์ใหม่
• การวัดเชิงปริมาณของจำนวนชีวมวลและกิจกรรมของจุลินทรีย์ในสิ่งแวดล้อม (รวมถึงสิ่งที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้)
• ปฏิสัมพันธ์เชิงบวกและเชิงลบภายในประชากรจุลินทรีย์
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างประชากรจุลินทรีย์ที่แตกต่างกัน (ความเป็นกลาง, ลัทธิคอมมิวนิสต์, การเสริมฤทธิ์กัน, การรวมกลุ่มกัน, การแข่งขัน, ความไม่ชอบด้วยกัน, ลัทธิปรสิตและการปล้นสะดม)
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์และพืช: ในไรโซสเฟียร์ (กับจุลินทรีย์ตรึงไนโตรเจนและเชื้อราไมคอร์ไรซา) และในโครงสร้างทางอากาศของพืช
• phytopathogens; แบคทีเรียเชื้อราและไวรัส
• ปฏิสัมพันธ์ระหว่างจุลินทรีย์กับสัตว์ (การมีชีวิตร่วมกันในลำไส้ซึ่งกันและกันและร่วมกันการปล้นสะดมและอื่น ๆ )
• องค์ประกอบการทำงานและกระบวนการสืบทอดในชุมชนจุลินทรีย์
• การปรับตัวของจุลินทรีย์ให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่รุนแรง (การศึกษาจุลินทรีย์ Extremophilic)
• ประเภทของที่อยู่อาศัยของจุลินทรีย์ (บรรยากาศ - อีโคสเฟียร์, ไฮโดร - อีโคสเฟียร์, ลิโธ - อีโคสเฟียร์และที่อยู่อาศัยสุดขั้ว)
• วัฏจักรทางชีวเคมีที่ได้รับอิทธิพลจากชุมชนจุลินทรีย์ (วัฏจักรของคาร์บอนไฮโดรเจนออกซิเจนไนโตรเจนกำมะถันฟอสฟอรัสเหล็กและอื่น ๆ )
• การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพต่างๆในปัญหาสิ่งแวดล้อมและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจ

การประยุกต์ใช้งาน

จุลินทรีย์เป็นสิ่งจำเป็นในกระบวนการทั่วโลกที่ช่วยให้การบำรุงรักษาสิ่งแวดล้อมและสุขภาพของมนุษย์ นอกจากนี้ยังทำหน้าที่เป็นต้นแบบในการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของประชากรจำนวนมาก (ตัวอย่างเช่นการปล้นสะดม)

ความเข้าใจเกี่ยวกับนิเวศวิทยาพื้นฐานของจุลินทรีย์และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมทำให้สามารถระบุความสามารถในการเผาผลาญทางเทคโนโลยีชีวภาพที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ต่างๆที่น่าสนใจทางเศรษฐกิจ บางส่วนของพื้นที่เหล่านี้มีการระบุไว้ด้านล่าง:

• การควบคุมการย่อยสลายทางชีวภาพโดยฟิล์มชีวภาพที่มีฤทธิ์กัดกร่อนของโครงสร้างโลหะ (เช่นท่อ, ภาชนะบรรจุกากกัมมันตภาพรังสีเป็นต้น)
• การควบคุมศัตรูพืชและเชื้อโรค
• การฟื้นฟูดินทางการเกษตรที่เสื่อมโทรมจากการใช้ประโยชน์มากเกินไป
• การบำบัดทางชีวภาพของขยะมูลฝอยในการทำปุ๋ยหมักและการฝังกลบ
• การบำบัดทางชีวภาพของน้ำทิ้งผ่านระบบบำบัดน้ำเสีย (ตัวอย่างเช่นการใช้ฟิล์มชีวภาพตรึง)
• การบำบัดทางชีวภาพของดินและน้ำที่ปนเปื้อนด้วยสารอนินทรีย์ (เช่นโลหะหนัก) หรือซีโนไบโอติก (ผลิตภัณฑ์สังเคราะห์ที่เป็นพิษซึ่งไม่ได้เกิดจากกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพตามธรรมชาติ) สารประกอบซีโนไบโอติกเหล่านี้ ได้แก่ ฮาโลคาร์บอนไนโตรอะโรเมติกส์โพลีคลอรีนไบฟีนิลไดออกซินอัลคิลเบนซิลซัลโฟเนตปิโตรเลียมไฮโดรคาร์บอนและสารกำจัดศัตรูพืช

รูปที่ 6 การปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อมด้วยสารที่มาจากโรงงานอุตสาหกรรม ที่มา: pixabay.com

• การบำบัดทางชีวภาพของแร่ธาตุผ่านการฟอกชีวภาพ (เช่นทองคำและทองแดง)
• การผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพ (เอทานอลมีเธนและสารประกอบไฮโดรคาร์บอนอื่น ๆ ) และชีวมวลของจุลินทรีย์

อ้างอิง

1. คิม, MB. (2008) ความก้าวหน้าทางจุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม มยอง - โบคิมบรรณาธิการ. หน้า 275
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA และ Brock, T. (2015) ชีววิทยาของจุลินทรีย์ Brock 14 เอ็ด เบนจามินคัมมิงส์ หน้า 1041
3. Madsen, EL (2008). จุลชีววิทยาสิ่งแวดล้อม: จากจีโนมถึงชีวเคมี Wiley-Blackwell หน้า 490
4. McKinney, RE (2004). จุลชีววิทยาควบคุมมลพิษสิ่งแวดล้อม. M. Dekker. หน้า 453
5. เพรสคอตต์, LM (2002). จุลชีววิทยา รุ่นที่ห้า McGraw-Hill Science / Engineering / Math หน้า 1147
6. Van den Burg, B. (2003). Extremophiles เป็นแหล่งของเอนไซม์ใหม่ ความคิดเห็นปัจจุบันทางจุลชีววิทยา, 6 (3), 213–218. ดอย: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC และ Jones, KC (1993) การบำบัดทางชีวภาพของดินที่ปนเปื้อนด้วยไฮโดรคาร์บอนโพลีนิวเคลียร์อะโรมาติก (PAHs): บทวิจารณ์ มลพิษสิ่งแวดล้อม, 81 (3), 229–249 ดอย: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.