EKOLOGI MIKROBA: SEJARAH, OBJEK STUDI DAN APLIKASI - BIOLOGI - 2025

The ekologi mikroba adalah disiplin mikrobiologi lingkungan yang timbul dari penerapan prinsip-prinsip ekologi untuk mikrobiologi (mikros: kecil, bios: hidup, logo: studi).

Disiplin ini mempelajari keragaman mikroorganisme (organisme uniseluler mikroskopis dari 1 sampai 30 µm), hubungan antara mereka dengan makhluk hidup lainnya dan dengan lingkungan.

Gambar 1. Alga, bakteri dan protozoa amoeboid berinteraksi dalam sampel air yang tidak diolah. Sumber: CDC / Janice Haney Carr, di: publicdomainfiles.com

Karena mikroorganisme mewakili biomassa terestrial terbesar, aktivitas dan fungsi ekologi mereka sangat mempengaruhi semua ekosistem.

Aktivitas fotosintesis awal cyanobacteria dan akumulasi oksigen (O ₂ ) di atmosfer awal merupakan salah satu contoh paling jelas dari pengaruh mikroba dalam sejarah evolusi kehidupan di planet Bumi.

Hal ini, mengingat adanya oksigen di atmosfer, memungkinkan munculnya dan evolusi semua bentuk kehidupan aerobik yang ada.

Gambar 2. Cyanobacteria dalam bentuk spiral. Sumber: flickr.com/photos/hinkelstone/23974806839

Mikroorganisme mempertahankan aktivitas yang berkelanjutan dan penting untuk kehidupan di Bumi. Mekanisme yang menjaga keanekaragaman mikroba di biosfer merupakan dasar dari dinamika ekosistem darat, perairan, dan udara.

Mengingat pentingnya, kemungkinan punahnya komunitas mikroba (akibat kontaminasi habitat mereka dengan zat beracun industri), akan menyebabkan hilangnya ekosistem yang bergantung pada fungsinya.

Sejarah ekologi mikroba

Prinsip ekologi

Pada paruh pertama abad ke-20, prinsip-prinsip ekologi umum dikembangkan, dengan mempertimbangkan studi tentang tumbuhan dan hewan yang "lebih tinggi" di lingkungan alaminya.

Mikroorganisme dan fungsi ekosistemnya kemudian diabaikan, meskipun sangat penting dalam sejarah ekologi planet ini, karena keduanya mewakili biomassa terestrial terbesar dan karena mereka adalah organisme tertua dalam sejarah evolusi kehidupan di Bumi. .

Pada saat itu hanya mikroorganisme yang dianggap sebagai pengurai, mineralizer bahan organik dan perantara dalam beberapa siklus unsur hara.

Mikrobiologi

Ilmuwan Louis Pasteur dan Robert Koch dianggap telah mendirikan disiplin mikrobiologi dengan mengembangkan teknik kultur mikroba aksenik, yang berisi satu jenis sel, diturunkan dari satu sel.

Gambar 3. Kultur bakteri aksenik. Sumber: pixabay.com

Namun, dalam kultur aksien, interaksi antara populasi mikroba tidak dapat dipelajari. Perlu dikembangkan metode yang memungkinkan studi interaksi biologis mikroba di habitat alami mereka (esensi dari hubungan ekologis).

Ahli mikrobiologi pertama yang meneliti interaksi antara mikroorganisme, di dalam tanah dan interaksi dengan tanaman, adalah Sergéi Winogradsky dan Martinus Beijerinck, sedangkan mayoritas berfokus pada mempelajari kultur aksenik mikroorganisme yang terkait dengan penyakit atau proses fermentasi yang menjadi kepentingan komersial.

Winogradsky dan Beijerinck secara khusus mempelajari biotransformasi mikroba dari nitrogen anorganik dan senyawa sulfur di dalam tanah.

Ekologi mikroba

Pada awal 1960-an, di era kepedulian terhadap kualitas lingkungan dan dampak pencemaran dari kegiatan industri, ekologi mikroba muncul sebagai suatu disiplin ilmu. Ilmuwan Amerika Thomas D. Brock, adalah penulis pertama teks tentang subjek pada tahun 1966.

Namun, pada akhir tahun 1970-an ekologi mikroba dikonsolidasikan sebagai bidang spesialisasi multidisiplin, karena bergantung pada cabang ilmiah lain, seperti ekologi, biologi sel dan molekuler, biogeokimia, dan lain-lain.

Gambar 4. Interaksi mikroba. Sumber: Perpustakaan Gambar Kesehatan Masyarakat, di publicdomainfiles.com

Perkembangan ekologi mikroba terkait erat dengan kemajuan metodologi yang memungkinkan mempelajari interaksi antara mikroorganisme dan faktor biotik dan abiotik lingkungannya.

Pada 1990-an, teknik biologi molekuler dimasukkan ke dalam studi ekologi mikroba bahkan in situ, menawarkan kemungkinan untuk mengeksplorasi keanekaragaman hayati yang luas yang ada di dunia mikroba dan juga mengetahui aktivitas metaboliknya di lingkungan dalam kondisi ekstrim.

Gambar 5. Interaksi mikroba. Sumber. Janice Haney Carr, USCDCP, di: pixnio.com

Selanjutnya, teknologi DNA rekombinan memungkinkan kemajuan penting dalam menghilangkan kontaminan lingkungan, serta pengendalian hama penting secara komersial.

Metode dalam ekologi mikroba

Di antara metode yang memungkinkan studi in situ mikroorganisme dan aktivitas metaboliknya, adalah:

• Mikroskopi laser confocal.
• Alat molekuler seperti probe gen fluoresen, yang memungkinkan studi komunitas mikroba yang kompleks.
• Reaksi berantai polimerase atau PCR (untuk singkatannya dalam bahasa Inggris: Polymerase Chain Reaction).
• Penanda radioaktif dan analisis kimia, yang memungkinkan pengukuran aktivitas metabolisme mikroba, antara lain.

Sub disiplin ilmu

Ekologi mikroba biasanya dibagi menjadi beberapa sub disiplin ilmu, seperti:

• Autoekologi atau ekologi populasi terkait secara genetik.
• Ekologi ekosistem mikroba, yang mempelajari komunitas mikroba dalam ekosistem tertentu (darat, udara atau akuatik).
• Ekologi biogeokimia mikroba, yang mempelajari proses biogeokimia.
• Ekologi hubungan antara inang dan mikroorganisme.
• Ekologi mikroba diterapkan pada masalah pencemaran lingkungan dan dalam pemulihan keseimbangan ekologi dalam sistem intervensi.

Area studi

Diantara bidang studi ekologi mikroba adalah:

• Evolusi mikroba dan keragaman fisiologisnya, dengan mempertimbangkan tiga domain kehidupan; Bakteri, Arquea dan Eucaria.
• Rekonstruksi hubungan filogenetik mikroba.
• Pengukuran kuantitatif dari jumlah, biomassa dan aktivitas mikroorganisme di lingkungan mereka (termasuk yang tidak dapat dibudidayakan).
• Interaksi positif dan negatif dalam populasi mikroba.
• Interaksi antara populasi mikroba yang berbeda (netralisme, komensalisme, sinergisme, mutualisme, persaingan, amensalisme, parasitisme, dan predasi).
• Interaksi antara mikroorganisme dan tumbuhan: di rizosfer (dengan mikroorganisme pengikat nitrogen dan jamur mikoriza), dan dalam struktur udara tumbuhan.
• Fitopatogen; bakteri, jamur dan virus.
• Interaksi antara mikroorganisme dan hewan (simbiosis usus mutualistik dan komensal, predasi, antara lain).
• Komposisi, fungsi dan proses suksesi dalam komunitas mikroba.
• Adaptasi mikroba terhadap kondisi lingkungan yang ekstrim (studi tentang mikroorganisme ekstremofilik).
• Jenis-jenis habitat mikroba (atmosfer-ekosfer, hidro-ekosfer, lito-ekosfer, dan habitat ekstrem).
• Siklus biogeokimia dipengaruhi oleh komunitas mikroba (antara lain siklus karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur, fosfor, besi).
• Berbagai aplikasi bioteknologi dalam masalah lingkungan dan kepentingan ekonomi.

Aplikasi

Mikroorganisme sangat penting dalam proses global yang memungkinkan pemeliharaan lingkungan dan kesehatan manusia. Selain itu, mereka berfungsi sebagai model dalam studi tentang berbagai interaksi populasi (misalnya, predasi).

Pemahaman tentang ekologi dasar mikroorganisme dan pengaruhnya terhadap lingkungan memungkinkan untuk mengidentifikasi kapasitas metabolisme bioteknologi yang dapat diterapkan pada berbagai bidang kepentingan ekonomi. Beberapa dari area ini disebutkan di bawah ini:

• Pengendalian biodegradasi oleh biofilm korosif pada struktur logam (seperti jaringan pipa, wadah limbah radioaktif, dan lain-lain).
• Pengendalian hama dan patogen.
• Pemulihan tanah pertanian yang rusak akibat eksploitasi berlebihan.
• Biotreatment limbah padat di pengomposan dan tempat pembuangan akhir.
• Biotreatment limbah, melalui sistem pengolahan air limbah (misalnya, menggunakan biofilm yang tidak bisa bergerak).
• Bioremediasi tanah dan air yang terkontaminasi zat anorganik (seperti logam berat), atau xenobiotik (produk sintetis beracun, tidak dihasilkan oleh proses biosintetik alami). Senyawa xenobiotik ini termasuk halokarbon, nitroaromatik, bifenil poliklorinasi, dioksin, alkilbenzil sulfonat, hidrokarbon minyak bumi, dan pestisida.

Gambar 6. Pencemaran lingkungan dengan zat yang berasal dari industri. Sumber: pixabay.com

• Pemulihan mineral melalui bioleaching (misalnya, emas dan tembaga).
• Produksi biofuel (etanol, metana, antara lain hidrokarbon) dan biomassa mikroba.

Referensi

1. Kim, MB. (2008). Kemajuan dalam Mikrobiologi Lingkungan. Editor Myung-Bo Kim. hlm 275.
2. Madigan, MT, Martinko, JM, Bender, KS, Buckley, DH Stahl, DA dan Brock, T. (2015). Brock biologi mikroorganisme. 14 ed. Benjamin Cummings. hlm 1041.
3. Madsen, EL (2008). Mikrobiologi Lingkungan: Dari Genom ke Biogeokimia. Wiley-Blackwell. hlm 490.
4. McKinney, RE (2004). Mikrobiologi Pengendalian Pencemaran Lingkungan. M. Dekker. hlm 453.
5. Prescott, LM (2002). Mikrobiologi. Edisi kelima, McGraw-Hill Science / Engineering / Math. hlm 1147.
6. Van den Burg, B. (2003). Ekstremofil sebagai sumber enzim baru. Opini Saat Ini dalam Mikrobiologi, 6 (3), 213–218. doi: 10.1016 / s1369-5274 (03) 00060-2.
7. Wilson, SC, dan Jones, KC (1993). Bioremediasi tanah yang terkontaminasi dengan polynuclear aromatic hydrocarbons (PAHs): Sebuah tinjauan. Polusi Lingkungan, 81 (3), 229–249. doi: 10.1016 / 0269-7491 (93) 90206-4.