Mikroobimatt: kihiline mikroorganismide ökosüsteem ja varased fossiilid

Mikroobimatt on mitmekihiline mikroorganismide, peamiselt bakterite ja arheoidide kiht. Neid kirjeldas esmakordselt Paracelsus (~1519),¹ kuid nende täielikku tähtsust ei mõistetud enne 20. sajandi viimast veerandit.

Mikroobimatid kasvavad enamasti veealustel või niisketel pindadel, kuid mõned neist jäävad ellu ka kõrbes. Nad koloniseerivad keskkondi, mille temperatuurivahemik ulatub -40 °C kuni +120 °C. Mõned neist on loomade endosümbiondid.

Kuigi tavaliselt on mikroobimattide paksus vaid mõni sentimeeter, loovad nad mitmesuguseid sisemisi keemilisi keskkondi. Need koosnevad mikroorganismide kihtidest, mis suudavad toituda või taluda nende tasemel olevaid kemikaale. Niisketes tingimustes hoiavad matte koos mikroorganismide poolt eritatud limaained (polüsahhariidid). ^{118; 1671-7} Mõned mikroorganismid moodustavad keerdunud niitvõrgustikke, mis muudavad matid tugevamaks^. Kõige tuntumad füüsikalised vormid on lamedad matid ja tüvelised sambad, mida nimetatakse stromatoliitideks, kuid on olemas ka kerakujulisi vorme.

Mikroobimatt on kõige varasem elu vorm Maal, mille kohta on olemas head fossiilsed tõendid 3500 miljoni aasta tagusest ajast, ja see oli pikka aega planeedi ökosüsteemide kõige tähtsam liige.

Algselt võisid nad sõltuda energia ja keemilise "toidu" saamiseks hüdrotermilistestluukidest. Fotosünteesi areng vabastas nad järk-järgult "hüdrotermilisest getost", kuna nad said laialdasemalt kättesaadava energiaallikana päikesevalguse, kuigi esialgu sõltusid fotosünteesivad matid ikka veel hüdrotermilistest lõõridest eralduvate kemikaalide difusioonist. Selle vabanemise viimane ja kõige olulisem etapp oli hapnikku tootva fotosünteesi areng, sest selle peamised keemilised sisendid on süsinikdioksiid ja vesi.

Selle tulemusena hakkasid mikroobimattide abil tekkima meile tänapäeval tuntud atmosfäär, mille oluline osa on vaba hapnik. Umbes samal ajal võis neis tekkida ka keerukam eukarüootne rakutüüp, millest koosnevad kõik hulkraksed organismid. Mikroobimattide arvukus madalal merepõhjas oli suur kuni Kambriumi aluspõhja revolutsioonini, kui madalates meredes elavad loomad suurendasid oma kaevamisvõimet ja lõhkusid seeläbi mattide pinnad ning lasksid hapnikurikka vee sügavamatesse kihtidesse, mürgitades seal elanud hapnikutundlikud mikroorganismid. Kuigi see revolutsioon tõrjus matid madalate merede pehmest põhjast välja, õitsevad nad endiselt paljudes keskkondades, kus kaevumine on piiratud või võimatu, sealhulgas kivistel merepõhjadel ja -rannikutel, hüpersoolastes ja mahlastes laguunides, ning neid leidub ka ookeanisügavuste põhjas.

Kuna mikroobimattidel on võime kasutada toitainetena peaaegu kõike, on suur huvi mattide tööstusliku kasutamise vastu, eriti veepuhastuses ja reostuse puhastamisel.

Struktuur ja mikroökoloogilised kihistused

Mikroobimati sees kujunevad tugevalt vertikaalsed keemilised gradendid: valgus, hapnik, redutseerijad (nt väävelühendid, raud(II)), redokspotentsiaal ja orgaaniliste ainete kättesaadavus muutuvad millimeetrite kuni sentimeetrite lülidega. Sellised mikroökoloogilised kihistused võimaldavad eri metaboolsetel rühmadel elada väga lähedal, kuid kasutada erinevaid energia- ja ainesindeid.

• Pinnakiht – sageli fotosünteesivad bakterid (nt tsüanobakterid) ja muud fototroofid, mis toodavad hapnikku ja orgaanilist ainet.
• Poolläbipaistev ülemine kiht – aeroobsed heterotroofid ja nitrit-/nitraadimuutjad, mis kasutavad pinnasest lahkunud orgaanikat.
• Hapnikuvabad kihid – anoksilised protsessid: sulfaadireduktorid, metanogeenid, anoksilised fototroofid ja keemiline redutseerimine.

Metaboolne mitmekesisus

Mikroobimatid sisaldavad suure spekti metaboolseid rühmi: hapniku tootvad fotosünteesijad (tsüanobakterid), anoxygenic fototroofid (rohelised ja purpurbakterid), sulfaatreduktorid, metanogeensed arheodid, nitrifikandid ja denitrifikandid. Selles kooseksisteerimises sünnivad keerulised biokeemilised tsüklid, kus ühe rühma jäägid ja produktid toimivad teise rühma toitainena.

Fossiilne tähtsus ja Maa historia

Mikroobimatid ja nendest arenenud stromatoliidid annavad mõned vanimad veenvad tõendid elust Maal (umbes 3,5 miljardit aastat tagasi). Need fossiilsed kihilised struktuurid dokumenteerivad mitte ainult elu olemasolu, vaid ka selle mõju geokeemiale – näitavad fotosünteesi ja biogeokeemiliste tsüklite arengut. Suuremahuline hapnikutootlik fotosüntees matites on tihti seotud Maa atmosfääri oksüdeerumisega (Great Oxidation Event, ~2,4 Ga), mis lõi tingimused eukarüootide ja lõpuks hulkraksete organismide tekkeks.

Kaasaegsed esinemiskohad ja ökoloogiline roll

Kuigi mattide ulatus hullutas varases meres suure ala, leidub neid tänapäeval enamasti kohtades, kus intensiivne makrofauna kaevamine ja füüsikaline erosioon on piiratud. Levinud elupaigad on:

• kivised rannikualused ja platvormid;
• hüpersoolased laguunid ja soolajärved;
• kuumaveeallikad ja hüdrotermilised alad;
• muldade ja niiskete pinnaste pinnakiht.

Mikroobimattidel on tähtis roll paiksetes süsiniku-, lämmastiku-, väävli- ja rauatsüklites ning nad võivad stabiliseerida setet, mõjutada mineraalide sadestumist ja toita tolmilisi ökosüsteeme.

Rakendused ja biotehnoloogia

Mikroobimattide mitmekesine ainevahetus on äratanud huvi nende kasutamise vastu:

• veepuhastus ja reoveepuhastus – matid toimivad biobarjäärina ja bioreaktorina, eemaldades orgaanikat, lämmastikku ja mõnikord raskemetalle;
• bioremediatsioon – saasteainete (nt süsivesinikud, raskemetallid) biosorptsioon ja biodegradatsioon;
• bioenergia – mõnedes süsteemides kasutatakse fermentatiivseid kihte biogaasi tootmiseks;
• biomineraliseerumine – kontrollitud sadestumine, mis võib olla kasulik materjaliteaduses.

Uuringumeetodid ja tänased väljakutsed

Mattide uurimiseks kasutatakse kombineeritult mikroskoopiat, histoloogiat, fluorestsentsi in situ, geokeemilisi mõõtmisi, isotopanalüüse ja metagenoomikat/metatranskriptoomikat, mis võimaldavad isoleerimata kogukondade funktsionaalse potentsiaali hindamist. Peamised teaduslikud väljakutsed on:

• komplekssete mikrokoosluste funktsionaalse rolli ülesselgitamine;
• skalaarsete ja ajaskaalaliste protsesside modelleerimine;
• mattide ja nendega seotud ökosüsteemide kaitse inimtegevuse mõju eest.

Kokkuvõte

Mikroobimatt on ühtaegu primitiivne ja äärmiselt keerukas elusüsteem: see oli Maa varajase elutegevuse alustala, mõjutas globaalset atmosfäärilist ja geokeemilist arengut ning jätkab tänapäeval olulist rolli mitmetes ökosüsteemides ja tööstuslikult huvipakkuvates rakendustes. Nende uurimine annab võtmeteadmisi nii elu evolutsioonist kui ka võimalustest kasutada mikroorganisme inimkonna kasuks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on mikroobimatt?

K: Kes kirjeldas esimesena mikroobimattide teket?

K: Kuidas tekivad mikroobivaibad?

K: Milliseid füüsikalisi vorme võivad mikroobimattidel olla?

K: Millal ilmusid mikroobivaibad esimest korda Maale?

K: Kus me võime neid tänapäeval leida?

K: Millised on nende tööstuslikud kasutusvõimalused?

Otsing