ECOLOGIA MICROBICA: STORIA, OGGETTO DI STUDIO E APPLICAZIONI - BIOLOGIA - 2025

L' ecologia microbica è una disciplina della microbiologia ambientale derivante dall'applicazione di principi ecologici alla microbiologia (mikros: small, bios: life, logos: study).

Questa disciplina studia la diversità dei microrganismi (organismi unicellulari microscopici da 1 a 30 µm), le relazioni tra loro con il resto degli esseri viventi e con l'ambiente.

Figura 1. Alghe, batteri e protozoi ameboidi che interagiscono in campioni di acqua non trattata. Fonte: CDC / Janice Haney Carr, su: publicdomainfiles.com

Poiché i microrganismi rappresentano la più grande biomassa terrestre, le loro attività e funzioni ecologiche influenzano profondamente tutti gli ecosistemi.

La precoce attività fotosintetica dei cianobatteri e il conseguente accumulo di ossigeno (O ₂ ) nell'atmosfera primitiva rappresenta uno dei più chiari esempi di influenza microbica nella storia evolutiva della vita sul pianeta Terra.

Questo, dato che la presenza di ossigeno nell'atmosfera, ha permesso la comparsa e l'evoluzione di tutte le forme di vita aerobiche esistenti.

Figura 2. Cianobatteri a forma di spirale. Fonte: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

I microrganismi mantengono un'attività continua ed essenziale per la vita sulla Terra. I meccanismi che mantengono la diversità microbica della biosfera sono alla base delle dinamiche degli ecosistemi terrestri, acquatici e aerei.

Data la sua importanza, la possibile estinzione di comunità microbiche (dovuta alla contaminazione dei loro habitat con sostanze tossiche industriali), genererebbe la scomparsa di ecosistemi dipendenti dalle loro funzioni.

Storia dell'ecologia microbica

Principi di ecologia

Nella prima metà del XX secolo sono stati sviluppati i principi dell'ecologia generale, considerando lo studio di piante e animali “superiori” nel loro ambiente naturale.

I microrganismi e le loro funzioni ecosistemiche sono stati quindi ignorati, nonostante la loro grande importanza nella storia ecologica del pianeta, sia perché rappresentano la più grande biomassa terrestre, sia perché sono gli organismi più antichi nella storia evolutiva della vita sulla Terra. .

A quel tempo, solo i microrganismi erano considerati come degradanti, mineralizzatori di materia organica e intermediari in alcuni cicli nutritivi.

Microbiologia

Si ritiene che gli scienziati Louis Pasteur e Robert Koch abbiano fondato la disciplina della microbiologia sviluppando la tecnica della coltura microbica axenica, che contiene un singolo tipo di cellula, discendente da una singola cellula.

Figura 3. Coltura batterica assenica. Fonte: pixabay.com

Tuttavia, nelle colture axeniche non è stato possibile studiare le interazioni tra le popolazioni microbiche. Era necessario sviluppare metodi che permettessero lo studio delle interazioni biologiche microbiche nei loro habitat naturali (l'essenza delle relazioni ecologiche).

I primi microbiologi a esaminare le interazioni tra microrganismi, nel suolo e le interazioni con le piante, sono stati Sergéi Winogradsky e Martinus Beijerinck, mentre la maggior parte si è concentrata sullo studio di colture axeniche di microrganismi legati a malattie o processi fermentativi di interesse commerciale.

Winogradsky e Beijerinck hanno studiato in particolare le biotrasformazioni microbiche di composti inorganici di azoto e zolfo nel suolo.

Ecologia microbica

All'inizio degli anni '60, nell'era dell'interesse per la qualità ambientale e dell'impatto inquinante delle attività industriali, l'ecologia microbica è emersa come disciplina. Lo scienziato americano Thomas D.Brock, è stato il primo autore di un testo sull'argomento nel 1966.

Tuttavia, è stato alla fine degli anni '70 quando l'ecologia microbica si è consolidata come un'area specializzata multidisciplinare, poiché dipende da altri rami scientifici, come l'ecologia, la biologia cellulare e molecolare, la biogeochimica, tra gli altri.

Figura 4. Interazioni microbiche. Fonte: Public Health Image Library, su publicdomainfiles.com

Lo sviluppo dell'ecologia microbica è strettamente correlato ai progressi metodologici che consentono di studiare le interazioni tra i microrganismi ei fattori biotici e abiotici del loro ambiente.

Negli anni '90 le tecniche di biologia molecolare sono state incorporate nello studio anche in situ dell'ecologia microbica, offrendo la possibilità di esplorare la vasta biodiversità esistente nel mondo microbico e conoscerne anche le attività metaboliche in ambienti in condizioni estreme.

Figura 5. Interazioni microbiche. Fonte. Janice Haney Carr, USCDCP, su: pixnio.com

Successivamente, la tecnologia del DNA ricombinante ha consentito importanti progressi nell'eliminazione dei contaminanti ambientali, nonché nel controllo di parassiti commercialmente importanti.

Metodi in ecologia microbica

Tra le metodiche che hanno consentito lo studio in situ dei microrganismi e della loro attività metabolica vi sono:

• Microscopia laser confocale.
• Strumenti molecolari come le sonde geniche fluorescenti, che hanno permesso lo studio di comunità microbiche complesse.
• La reazione a catena della polimerasi o PCR (per il suo acronimo in inglese: Polymerase Chain Reaction).
• Marcatori radioattivi e analisi chimiche, che consentono di misurare l'attività metabolica microbica, tra gli altri.

Sotto-discipline

L'ecologia microbica è solitamente suddivisa in sotto-discipline, come:

• L'autoecologia o ecologia delle popolazioni geneticamente correlate.
• L'ecologia degli ecosistemi microbici, che studia le comunità microbiche in un particolare ecosistema (terrestre, aereo o acquatico).
• Ecologia biogeochimica microbica, che studia i processi biogeochimici.
• Ecologia delle relazioni tra ospite e microrganismi.
• Ecologia microbica applicata ai problemi di contaminazione ambientale e al ripristino dell'equilibrio ecologico nei sistemi intervenuti.

Aree di studio

Tra le aree di studio dell'ecologia microbica ci sono:

• Evoluzione microbica e sua diversità fisiologica, considerando i tre domini della vita; Batteri, Arquea ed Eucaria.
• Ricostruzione delle relazioni filogenetiche microbiche.
• Misurazioni quantitative del numero, della biomassa e dell'attività dei microrganismi nel loro ambiente (compresi quelli non coltivabili).
• Interazioni positive e negative all'interno di una popolazione microbica.
• Le interazioni tra diverse popolazioni microbiche (neutralismo, commensalismo, sinergismo, mutualismo, competizione, amensalismo, parassitismo e predazione).
• Interazioni tra microrganismi e piante: nella rizosfera (con microrganismi azotofissatori e funghi micorrizici) e nelle strutture aeree delle piante.
• fitopatogeni; batterica, fungina e virale.
• Interazioni tra microrganismi e animali (simbiosi intestinale mutualistica e commensale, predazione, tra gli altri).
• La composizione, il funzionamento e i processi di successione nelle comunità microbiche.
• Adattamenti microbici a condizioni ambientali estreme (studio di microrganismi estremofili).
• I tipi di habitat microbici (atmosfera-ecosfera, idro-ecosfera, lito-ecosfera e habitat estremi).
• Cicli biogeochimici influenzati dalle comunità microbiche (cicli di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo, fosforo, ferro, tra gli altri).
• Varie applicazioni biotecnologiche in problematiche ambientali e di interesse economico.

applicazioni

I microrganismi sono essenziali nei processi globali che consentono il mantenimento dell'ambiente e della salute umana. Inoltre, servono da modello nello studio di numerose interazioni di popolazione (ad esempio, la predazione).

La comprensione dell'ecologia fondamentale dei microrganismi e dei loro effetti sull'ambiente ha permesso di identificare capacità metaboliche biotecnologiche applicabili a diverse aree di interesse economico. Alcune di queste aree sono menzionate di seguito:

• Controllo della biodegradazione da parte di biofilm corrosivi di strutture metalliche (come condutture, contenitori di rifiuti radioattivi, tra gli altri).
• Controllo di parassiti e agenti patogeni.
• Ripristino di suoli agricoli degradati da eccessivo sfruttamento.
• Biotrattamento dei rifiuti solidi nel compostaggio e nelle discariche.
• Biotrattamento degli effluenti, attraverso sistemi di trattamento delle acque reflue (ad esempio, utilizzando biofilm immobilizzati).
• Biorisanamento di suoli e acque contaminati da sostanze inorganiche (come metalli pesanti), o xenobiotici (prodotti sintetici tossici, non generati da processi biosintetici naturali). Questi composti xenobiotici includono alocarburi, nitroaromatici, policlorobifenili, diossine, alchilbenzil solfonati, idrocarburi del petrolio e pesticidi.

Figura 6. Contaminazione ambientale con sostanze di origine industriale. Fonte: pixabay.com

• Biorecupero di minerali mediante bioleaching (ad esempio oro e rame).
• Produzione di biocarburanti (etanolo, metano, tra gli altri idrocarburi) e biomassa microbica.

Riferimenti

1. Kim, MB. (2008). Progressi nella microbiologia ambientale. Myung-Bo Kim Editor. pp 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA e Brock, T. (2015). Biologia di Brock dei microrganismi. 14 ed. Benjamin Cummings. pagg 1041.
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