微生物生態学

プレートカウントの異常。培養によって得られた細胞数は、顕微鏡で直接観察される細胞数よりも桁違いに少ない。これは、微生物学者が現在の実験室技術を用いて培養できる自然界に存在する微生物の数は、環境にもよりますがごくわずかであるためである。[ 1 ]

微生物生態学（環境微生物学）は、微生物とその環境の相互作用を研究する学問分野です。 [ 2 ]微生物は、その種内および他の種内で重要かつ有害な生態学的関係を持つことが知られています。[ 2 ]多くの科学者が自然と微生物の関係を研究してきました。マルティヌス・ベイエリンク、セルゲイ・ウィノグラツキー、ルイ・パスツール、ロベルト・コッホ、ロレンツ・ヒルトナー、ディオニシア・ガンボアなど、[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]これらの微生物が生物学的および化学的経路で果たす特定の役割や、微生物がどのように進化したかを理解するためです。現在、科学者がこれらの微生物の生物学的/化学的特性を分析することを可能にしたバイオテクノロジーの種類がいくつかあります。[ 7 ]

これらの微生物の多くは、環境中の他の生物と様々な共生関係を形成することが知られています。 [ 8 ]共生関係には、相互共生、片利共生、無利共生、寄生などがあります。[ 9 ] [ 10 ]

さらに、環境中の特定の物質が微生物を殺し、環境との相互作用を阻害することが発見されています。これらの物質は抗菌物質と呼ばれ、抗生物質、抗真菌剤、抗ウイルス剤などとして作用します。[ 11 ]

影響力のある科学者

ルイ・パスツール

マルティヌス・ベイエリンクは、環境中の微生物を研究するための基本的な方法である増菌培養を発明しました。セルゲイ・ウィノグラツキーは、医学的背景以外で微生物を理解しようと試みた最初の研究者の一人であり、微生物生態学と環境微生物学の先駆的な研究者の一人となりました。彼はその過程で化学合成を発見し、ウィノグラツキーカラムを開発しました。[ 12 ] : 644

ルイ・パスツールはフランスの化学者で、微生物発酵、低温殺菌、細菌理論、ワクチンなど、今日私たちが使用している重要な微生物原理を導き出しました。[ 13 ]これらの原理は、科学者が微生物とその環境との関係性を考察する際の基礎となっています。[ 13 ]例えば、パスツールは自然発生説、つまり生命が無生物から発生するという説を否定しました。[ 14 ]パスツールは、生命は生命からのみ発生し、無生物からは発生しないと述べました。[ 15 ]この考えから、あらゆる環境における微生物の増殖は微生物によるものだという考えが生まれました。[ 15 ]

ロベルト・コッホは医師であり科学者でもありました。彼は顕微鏡の使用時に油浸レンズとコンデンサーを使用し、細菌の観察像を拡大しました。 [ 16 ]この発見により、コッホは細菌写真の初出版者となりました。その結果、コッホは動物の創傷感染を顕微鏡レベルで研究することができました。[ 16 ]彼は異なる細菌種を区別することができ、特定の病気を研究する最良の方法は特定の病原体に焦点を当てることだと確信しました。[ 16 ] 1879年、コッホは細菌コロニーを培養するための「純粋」培養の開発に着手しました。[ 16 ]これらの進歩により、コッホは1883年にインドで発生したコレラの流行を解決しました。 [ 16 ]コッホの研究室の技術と材料から、ろ過されていない水の使用がコレラの流行を引き起こしているという結論に至りました。なぜなら、その水には人間の腸に害を及ぼす細菌が含まれていたからです。[ 16 ]

ロレンツ・ヒルトナーは「微生物生態学」の先駆者の一人として知られています。[ 4 ]彼の研究は、根圏の微生物がどのように植物に栄養分を供給するかに焦点を当てていました。ヒルトナーは、植物製品の品質は植物の根の微生物相の結果であると述べました。[ 4 ]ヒルトナーの植物栄養学と土壌細菌学の研究への貢献の一つは、塩化水銀で覆われた抗菌種子の作成でした。[ 4 ]抗菌種子を作成する唯一の目的は、種子を病原菌の有害な影響から保護することでした。さらに、彼は窒素循環、すなわち脱窒、硝化、窒素固定を担う既知の細菌を認識していました。[ 4 ]

ディオニシア・ガンボアは、科学者が今もなお微生物と自然の関係を理解し​​ようとしていることを示す好例である。[ 6 ]ガンボアはペルーの生物学者であり、マラリアとリーシュマニア症の微生物の治療にキャリアを捧げてきた。[ 6 ] 2009年に、ガンボアと彼女の同僚は、アマゾンの植物抽出物を使用して、マラリアとリーシュマニア症の微生物の異なる株を治療する論文を発表した。[ 6 ]さらに、ガンボアはPCRと血清学を使用して、ヒトのマラリアとリーシュマニア症の微生物を正確に検出するさまざまな方法を研究してきた。[ 17 ]彼女の研究は、これらの微生物の疫学を理解し、自然界でのそれらとの相互作用とその有害な影響を減らすのに役立った。[ 17 ]

環境における微生物の重要な役割

微生物は、光合成が不可能な地域においても、あらゆる生態系の基盤となっています。例えば、化学合成微生物は、高温地熱環境などの極限環境において主要な生産者です。 [ 18 ]このような極限環境において、化学合成微生物は他の生物にエネルギーと炭素を供給します。化学合成微生物は、水素、亜硝酸塩、アンモニア、硫黄、鉄(II)などの無機化合物を酸化することでエネルギーを得ます。これらの生物は、好気性環境と嫌気性環境の両方で見られます。[ 19 ]

窒素循環、リン循環、硫黄循環、炭素循環も微生物に依存しています。それぞれの循環には、特定のプロセスに微生物が関与しています。[ 20 ]例えば、窒素ガスは地球の大気の78%を占めていますが、化学的にはほとんど不活性であるため、ほとんどの生物が利用できません。窒素固定によって微生物が利用可能な形態に変換する必要があります。[ 21 ]これらの生物地球化学的循環を通じて、微生物は窒素、リン、カリウムなどの栄養素を土壌で利用できるようにすることができます。[ 22 ]微生物はリン酸の可溶化、土壌の健康の改善、植物の成長に役割を果たしています。[ 23 ]

バイオテクノロジーにおける微生物の応用

微生物の相互作用はバイオレメディエーションに見られます。バイオレメディエーションは、微生物を用いて土壌[ 24 ]や廃水[ 25 ]から汚染物質を除去する技術です。 [ 26 ] [ 27 ]バイオレメディエーションで役割を果たす微生物の例としては、Pseudomonas、Bacillus、Arthrobacter、Corynebacterium、Methosinus、Rhodococcus、Stereum hirsutum、メタン生成菌、Aspergilus niger、Pleurotus ostreatus、Rhizopus arrhizus、Azotobacter、Alcaligenes、Phormidium v​​alderium、Ganoderma applantusなどが挙げられます。[ 28 ]

微生物の進化

微生物群集間での遺伝子水平伝播のレベルが高いため、 [ 29 ]微生物生態学は進化の研究にとっても重要である。[ 30 ]

微生物の共生関係

相互主義

相利共生とは、2つの異なる種が互いに良い影響を与え合う密接な関係のことである。相利共生では、一方のパートナーが他方のパートナーにサービスを提供し、また他方のパートナーからサービスを受ける。[ 31 ]微生物生態学における相利共生とは、微生物種と他の種（例：人間）との関係であり、双方が利益を得られることである。[ 32 ]微生物は、他の微生物、植物、動物と相利共生関係を形成する。微生物間相互作用の一例としては 、共生（交差摂食としても知られる）が挙げられる。[ 33 ]その典型的な例がMethanobacterium omelianskiiである。 [ 34 ] [ 35 ]このコンソーシアムは、エタノール発酵生物とメタン生成菌によって形成される。エタノール発酵生物は、古細菌のパートナーに H2 を提供し、このメタン生成菌は成長してメタンを生成するために必要な H2 を提供する。[ 36 ] [ 35 ]共生は、地下深部などのエネルギーと栄養素が限られた環境で重要な役割を果たすという仮説が立てられており、多様な機能特性を持つ微生物群が生存し、成長し、最大量のエネルギーを生成するのに役立ちます。[ 37 ] [ 38 ]嫌気性メタンの酸化(AOM) は、硫酸還元細菌と嫌気性メタン酸化古細菌の相利共生コンソーシアムによって行われます。[ 39 ] [ 40 ]細菌パートナーがH2を生成するために使用する反応は吸エルゴン的(したがって熱力学的に不利)ですが、古細菌パートナーが使用する反応と組み合わせると、全体の反応は発エルゴン的になります。[ 36 ]このように、2 つの生物は相利共生関係にあり、どちらかの種にとっては単独では致命的な環境でも成長し、繁栄することができます。地衣類は共生生物の例です。[ 35 ]

微生物も植物と相利共生関係にあり、その典型的な例は植物と菌類の共生関係であるアーバスキュラー菌根（AM）関係である。[ 9 ] この関係は、植物と菌類の間で化学シグナルが交換され、菌類の代謝が刺激されるときに始まる。[ 41 ] [ 42 ]次に菌類は植物の根の表皮を攻撃し、高度に分岐した菌糸を植物の表層細胞に侵入する。[ 9 ]この関係では、菌類は土壌から得たリン酸と窒素を植物に与え、代わりに光合成で得た炭水化物と脂質を菌類に提供する。[ 43 ]また、微生物は人間などの哺乳類と相利共生関係にある。宿主が微生物に隠れ家と栄養を与えるように、微生物も宿主の消化管の成長を助けたり、他の有害な微生物から宿主を守ったりするなどの利点をもたらす。[ 44 ]

片利共生

片利共生は微生物界では非常に一般的であり、文字通り「同じ食卓で食事をする」ことを意味します。[ 45 ]これは、一方の種が他方の種に利益をもたらし、他方の種に害や利益をもたらさない2つの種間の関係です。[ 10 ] ある微生物集団の代謝産物は、別の微生物集団によって利用されますが、その集団には利益も害もありません。同じ化学反応式で酸化反応または還元反応のいずれかを行う微生物種の「ペア」は数多く存在します。例えば、メタン生成菌はCO 2をCH 4に還元してメタンを生成しますが、メタノトローフはメタンをCO 2に酸化します。[ 46 ]

アメンサリズム

アメンサリズム（拮抗関係とも呼ばれる）は、一方の種/生物が害を受ける一方で、もう一方は影響を受けない共生関係の一種である。[ 32 ]微生物生態学においてこのような関係が生じる一例として、ラクトバチルス・カゼイとシュードモナス・タエトロレンズという微生物種が挙げられる。[ 47 ]ある環境で共存すると、シュードモナス・タエトロレンズは成長が阻害され、ラクトビオン酸（主産物）の産生が減少する。これはラクトバチルス・カゼイが乳酸を産生する際に作り出す副産物が原因と考えられる。 [ 48 ]

寄生

特定の微生物は、他の生物と宿主寄生関係を持つことが知られています。例えば、植物病原菌は植物に感染し、損傷を与えることが知られています。[ 49 ]植物病原菌は、宿主の根系に感染する能力があるため、農業において大きな問題となっています。[ 49 ]これは、感染の症状が容易に検出されないため、大きな問題となっています。 [49 ]寄生微生物のもう1つの例は線虫です。[ 50 ]これらの生物は、ヒトにおいて河川盲目症やリンパ系フィラリア症を引き起こすことが知られています。[ 50 ]これらの生物は、以下のグループの異なる蚊種を介して宿主に伝染します：Aedes、Anopheles、およびCulex。[ 50 ]

抗菌剤

抗菌剤は微生物を殺すことができる物質です。抗菌剤は抗菌性または抗生物質、抗真菌性または抗ウイルス性物質であり、これらの物質のほとんどは天然物または天然物から得られます。[ 11 ] そのため、天然物は医薬品の発見に不可欠です。[ 51 ] [ 52 ]天然由来の抗生物質のほとんどは放線菌門に属する生物によって生産されます。放線菌によって生産される抗生物質のほとんどは、ストレプトマイセス属によるものです。[ 53 ] [ 54 ]抗菌作用を持つこれらの天然物は、テルペノイド、スピロテトロネート、テトラセンジオン、ラクタム、およびその他の化合物グループに属します。例としては、ナピラジオマイシン、ノミマイシン、フォルミカマイシン、イソイカルガマイシンなどがある。[ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]銅、銀、金などの金属にも抗菌作用がある。抗菌銅合金タッチ面の使用は、21世紀になって細菌の伝染を防ぐために使用され始めた技術である。[ 59 ] [ 60 ]銀ナノ粒子も建物の表面や布地に組み込まれ始めているが、この微粒子が人体への潜在的な副作用を引き起こすのではないかという懸念が生じている。[ 61 ]特定の金属が持つ抗菌作用のため、医療機器などの製品はそれらの金属を使用して製造されている。[ 60 ]

参照

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