微生物生态学

微生物生态学（或环境微生物学）是微生物的生态学：它们之间以及它们与环境的关系。 它涉及生命的三个主要领域——真核生物、古细菌和细菌——以及病毒。

微生物无处不在，影响着整个生物圈。 微生物生命在调节地球上几乎所有环境中的生物地球化学系统方面起着主要作用，包括一些最极端的环境，从冰冻环境和酸性湖泊，到最深海洋底部的热液喷口，以及一些最极端的环境 熟悉的，比如人类的小肠。 由于微生物生命的数量级（计算为 5.0×1030 个细胞；比可观测宇宙中的恒星数量大八个数量级），微生物仅凭其生物量就构成了重要的碳汇。 除了碳固定，微生物的关键集体代谢过程（包括固氮、甲烷代谢和硫代谢）控制着全球生物地球化学循环。 微生物的生产量如此之大，以至于即使在完全没有真核生命的情况下，这些过程也可能会继续保持不变。

虽然自 17 世纪以来就开始研究微生物，但这项研究主要是从生理学的角度而非生态学的角度进行的。 例如，路易斯·巴斯德 (Louis Pasteur) 和他的弟子们对陆地和海洋中的微生物分布问题很感兴趣。 Martinus Beijerinck 发明了富集培养，这是一种研究环境微生物的基本方法。 他经常被错误地认为是建立了微生物生物地理学的观点，即万物无处不在，但是，环境选择，这是洛伦斯·巴斯·贝金 (Lourens Baas Becking) 所说的。 谢尔盖·维诺格拉茨基 (Sergei Winogradsky) 是最早尝试了解医学背景之外的微生物的研究人员之一——这使他成为微生物生态学和环境微生物学的xxx批学生——发现了化学合成，并在此过程中开发了维诺格拉茨基专栏。

然而，Beijerinck 和 Windogradsky 专注于微生物的生理学，而不是微生物栖息地或它们的生态相互作用。 现代微生物生态学是由 Robert Hungate 及其同事发起的，他们研究了瘤胃生态系统。 研究瘤胃需要 Hungate 开发培养厌氧微生物的技术，他还开创了一种定量方法来研究微生物及其生态活动，区分物种和分解代谢途径的相对贡献。

微生物生态学的进步与新技术的发展密切相关。 从 1950 年xxx始，放射性同位素的可用性推动了自然界中生物地球化学过程速率的测量。 例如，14CO2 允许分析海洋中的光合作用速率（参考）。 另一个重大突破出现在 80 年代，当时开发了对 O2 等化学物质敏感的微电极。 这些电极的空间分辨率为 50-100 μm，可以分析微生物垫和沉积物中的时空生物地球化学动力学。

尽管测量生物地球化学过程速率可以分析正在发生的过程，但它们是不完整的，因为它们没有提供有关哪些特定微生物负责的信息。 人们早就知道，“经典”培养技术只能从自然栖息地中回收不到 1% 的微生物。 然而，从 1990 年xxx始，已经发展出一套独立于培养的技术来确定栖息地中微生物的相对丰度。

Carl Woese 首先证明了 16S 核糖体 RNA 分子的序列可用于分析系统发育关系。 Norm Pace 采纳了这个开创性的想法，并将其应用于分析自然环境中的“谁在那里”。 该程序包括 (a) 直接从自然环境中分离核酸，(b) 小亚基 rRNA 基因序列的 PCR 扩增，(c) 对扩增子进行测序，以及 (d) 将这些序列与数据库中的序列进行比较 纯文化和环境 DNA。 这为微生物栖息地中存在的多样性提供了巨大的见解。 然而，它没有解决如何将特定微生物与其生物地球化学作用联系起来的问题。 宏基因组学，即从环境中回收的总 DNA 的测序，可以提供对生物地球化学潜力的洞察，而宏转录组学和宏蛋白质组学可以测量遗传潜力的实际表达，但在技术上仍然更加困难。

微生物是所有生态系统的支柱，但在因缺乏光而无法进行光合作用的区域更是如此。 在这些区域中，化学合成微生物为其他生物提供能量和碳。