پیشگفتار

میکروارگانیسم‌ها به‌ویژه باکتری‌ها در اکوسیستم‌های مختلفی زیست می‌نمایند و حتی در مکان‌هایی که امکان حیات برای سایر موجودات وجود ندارد، آن‌ها در آنجا وجود داشته و نقش‌آفرینی می‌نمایند. با توجه به فقدان یک منبع جامع فارسی در زمینه اکولوژی میکروبی که بتواند نیاز دانشجویان رشته‌های زیست شناسی به‌ویژه میکروب شناسی و حتی رشته‌های علوم کشاورزی و محیط زیست را در این زمینه برآورده نماید، اینجانب با مطالعه و جستجوی فراوان در‌نهایت با این کتاب جامع آشنا شدم که برای اولین بار در سال 2011 تالیف شده بود و به‌نظر اینجانب می‌توان این کتاب را در حال حاضر به لحاظ تنوع محتوا، به‌عنوان جامع‌ترین کتاب اکولوژی میکروبی فارسی یا ترجمه شده در کشور معرفی نمود. دلیل انتخاب این کتاب برای ترجمه نسبت به کتاب‌های مشابه موجود، آن بود که محتویات آن علاوه بر معرفی کلیات زیست شناسی در زمینه پیدایش حیات و تشکیل سلول، پیدایش حیات میکروبی، تنوع میکروارگانیسم‌ها، سیستماتیک و فیزیولوژی باکتری‌ها، تنوع زیستگاه‌های میکروبی و نقش میکروارگانیسم‌ها در زیستگاه‌های مختلف، روش‌های مطالعه اکولوژی میکروبی و همچنین انواع برهمکنش‌هایی که خود میکروب‌ها با هم و با موجوداتی نظیر گیاهان و جانوران دارند، در آن تقریباً به تفصیل بحث شده است. درنهایت این کتاب به‌طور جامع به نقش بی‌بدیل میکروارگانیسم‌ها در فرآیندهای مهمی نظیر چرخه‌های زیست ژئوشیمایی عناصر، معنی شدن زیستی، تجزیه ترکیبات طبیعی و زیست‌پالایی اشاره می‌نماید که امروزه از مورد اخیر به‌طور عملی در محیط‌های مختلف آلوده به آلاینده‌ها استفاده می‌شود.

امید است تا این کتاب بتواند به بسیاری از سوالات شما در زمینه وجود و نقش میکروارگانیسم‌ها در اکوسیستم‌های مختلف پاسخ دهد و نیاز دانشجویان گرایش‌های مختلف رشته زیست‌شناسی از آن‌جمله میکروب‌شناسی، گیاه‌شناسی، علوم جانوری، ژنتیک، بیوشیمی، زیست‌شناسی دریا و همچنین رشته‌های مختلف کشاورزی نظیر علوم خاک، زراعت، گیاهپزشکی، علوم دامی، باغبانی و محیط زیست را مرتفع سازد.   

برخود لازم می‌دانم که از دانشگاه گیلان که زمینه و بستر مطالعه و ترجمه این کتاب را برای اینجانب فراهم نموده و همچنین از معاونت پژوهشی و انتشارات پژوهشکده محیط زیست جهاد دانشگاه گیلان بخاطر زحمت چاپ و انتشار این کتاب تشکر و قدردانی نمایم. در پایان اینجانب از راهنمایی‌های ارزنده شما مخاطبین گرامی جهت اعمال در اصلاحات احتمالی چاپ‌های بعدی این اثر استقبال می‌نمایم. 

مترجم

فهرست مطالب

عنوان ---------------------------------------------- صفحه

فصل اول: اکولوژی میکروبی: مقدمه و چشم‌انداز 1

1-1-  موضوعات اصلی- 1

1-2-  مقدمه  2

1-2-1- منشاء اکولوژی میکروبی- 3

1-2-2- دیدگاه‌های کنونی- 4

1-3- سیر زمان- 6

1-4- ریزسنگواره‌ها 9

1-5- حیات اولیه- 12

1-5-1- جهان پیش سلولی- 12

1-5-2- اولین سلول- 13

1-5-3- پیشرفت زیست‌شناسی سلولی- 14

1-5-4- تکامل مسیرهای متابولیسمی- 16

1-6-  ویژگی‌های حیات میکروبی- 17

1-6-1- ساختار و تکامل شکل سلول- 17

1-6-2- متابولیسم و استفاده از انرژی- 21

1-6-3- رشد، تکثیر و تمایز- 22

1-6-4- سازگاری‌ها و پاسخ به تحریکات- 23

1-7- طبقه‌بندی و رده‌بندی: مفهوم گونه- 25

1-8- سه قلمرو: درخت حیات- 26

1-9-  ارتباط اکولوژی میکروبی با اکولوژی عمومی- 28

1-10- تغییر چهره اکولوژی میکروبی- 31

1-10-1- تغییر در کانون- 31

1-10-2- تنوع: از کشت تا تبارزایی مولکولی- 32

1-11- خلاصه  34

1-12- تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 34

فصل دوم: تنوع میکروارگانیسم‌ها 39

2-1-  موضوعات اصلی- 39

2-2- حضور همه جایی میکروارگانیسم‌ها 40

2-3- تنوع شگفت‌انگیز ریخت‌شناسی- 41

2-3-1- مقایسه سه قلمرو 43

2-3-2- آنچه که در یک نام وجود دارد: پروکاریوت‌ها 43

2-3-3- آزمایشات وینوگرادسکی با کمولیتوتروف‌ها 44

2-4- تنوع گروه‌های باکتریایی- 45

2-4-1- افزایش تعداد شاخه‌های باکتری‌ها 45

2-4-2- گالری پُرتره باکتریایی: فرآیندها و بازیگران- 47

2-5- کشف آرکئا به‌عنوان یک قلمرو جداگانه- 52

2-6- تنوع آرکئایی- 53

2-6-1- گالری پُرتره آرکئا 55

2-7- تفاوت‌های آرکئاها- باکتری‌ها 62

2-8- یوکاریوت‌ها: تغییر تصویر تنوع تبارزادشناسی- 62

2-9- تنوع آغازیان- 63

2-9-1- مجموعه آغازیان- 67

2-10- تنوع قارچی- 70

2-11- تنوع جلبکی- 75

2-12- تنوع ویروسی- 77

2-13-  خلاصه- 79

2-14-  تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 80

فصل سوم: پیچیدگی و سادگی سیستم‌های سلولی- 85

3-1- موضوعات اصلی- 85

3-2- مقدمه  86

3-3- ویژگی‌های سلول- 87

3-3-1- زندگی در پایین‌ترین سطح- 88

3-3-2- میکروارگانیسم‌های بزرگ-- 92

3-4- حرکت سلولی و کموتاکسی- 94

3-5- ساختارهای اسپوری- 98

3-6- ذخیره موادغذایی و مواد اندوخته‌ای- 102

3-7- ارتباطات سلول- سلول- 104

3-7-1- اتصال سلول- 105

3-7-2- بیوفیلم‌ها 107

3-7-3- رشد رشته‌ای- 112

3-8- عملکرد و متابولیسم سلول- 114

3-8-1- پاسخ حسی- 114

3-8-2- تنظیم کلی- 118

3-8-3- غشاء‌های داخلی در باکتری‌ها 120

3-9- تغییرشکل انرژی و محیط- 121

3-9-1- هتروتروف‌ها 122

3-9-2- کمولیتوتروف‌ها 126

3-9-3- فتوفسفریلاسیون- 129

3-9-4- واکنش باکتریورودپسین- 130

3-10-  فعالیت‌های زیست الکتروشیمیایی- 134

3-11-  خلاصه- 136

3-12-  تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 138

فصل چهارم: زیستگاه میکروبی: از دیدگاه اکولوژیکی- 143

4-1- موضوعات اصلی- 143

4-2- زیستگاه‌ها: مرور کلی- 144

4-2-1- زیستخوان- 145

4-3- زیستگاه‌های آبی- 146

4-3-1- آب شیرین- 148

4-3-2- زیستگاه‌های دریایی- 152

4-4- زیستگاه‌های خاک-- 156

4-4-1- شبکه‌های موادغذایی میکروبی در زیستگاه خاک-- 157

4-5- سنگ و زیستگاه‌های زیرسطحی- 162

4-5-1- جلاء سنگ-- 162

4-5-2- زیستگاه‌های غار 163

4-5-3- آب زیرزمینی- 164

4-5-4- ناحیه زیرسطحی عمیق- 165

4-6- زیستگاه‌های جوّی- 166

4-6-1- تنوع میکروبی جوّی: گرد و غبار آفریقایی- 166

4-6-2- اسرار باقی می‌ماند- 168

4-7- اکولوژی جمعیت در سراسر زیستگاه‌ها 170

4-7-1- رشد جمعیت و پویایی- 171

4-7-2- انتقال افقی ژن- 172

4-7-3- زیست جغرافیا در مقابل همه چیز همه جا است، محیط انتخاب می‌کند- 173

4-8- خلاصه  176

4-9- تعمق بیشتر: سوالات مهم قابل نقد- 176

فصل پنجم: روش مطالعات اکولوژی میکروبی- 181

5-1- موضوعات اصلی- 181

5-2- مقدمه  182

5-3- نمونه‌برداری و ذخیره کردن نمونه- 184

5-4- میکروسکوپی- 186

5-4-1- رنگ‌آمیزی گرم- 186

5-4-2- روش‌های شمارش مستقیم- 187

5-4-3- ‌ تعیین سلول‌های که به طور فعال تنفس می‌کنند- 189

5-4-4- هیبریداسیون درجا فلورسنت-- 189

5-4-5- میکروسکوپ الکترونی- 192

5-5- کشت میکروارگانیسم‌ها 195

5-5-1- تنفس میکروبی- 199

5-5-2- زیست توده میکروبی- 199

5-5-3- اندازه گیری مصرف سوبسترای کربن- 200

5-6- تبارزادشناسی میکروبی- 201

5-7- کشت در مقابل روش‌های مولکولی: مقایسه‌های نمونه‌های خاک-- 204

5-8- روش‌های انگشت نگاری اجتماع- 204

5-8-1- ژل الکتروفورز شیب دار تغییر ماهیّت یافته- 204

5-9- متاژنومیکس: ابزار جدیدی برای پاسخ به سئوالات اکولوژی جوامع- 206

5-10-  پروتئومیکس محیطی- 206

5-11-  مطالعات ایزوتوپ پایدار 210

5-11-1- استفاده از ایزوتوپ‌های پایدار: مطالعه موردی شبکه غذایی غار موویل- 211

5-12-  خلاصه- 213

5-13-  تعمق بیشتر: سوالات مهم قابل نقد- 213

فصل ششم: برهمکنش‌های میکروب- میکروب- 217

6-1-  موضوعات اصلی- 217

6-2- مقدمه  218

6-3- طبقه‌بندی برهمکنش‌های میکروبی- 220

6-3-1- رابطه خنثی- 220

6-3-2- همسفرگی- 220

6-3-3- رقابت-- 221

6-3-4- زندگی انگلی- 222

6-3-5- شکار 224

6-3-6- بازدارندگی- 226

6-3-7- سینتروفیسم- 228

6-4- روابط همزیستی- 229

6-4-1- دیاتومه‌ها 230

6-4-2- گلسنگ-- 231

6-4-3- هاتنا 236

6-4-4- همزيستي بين باكتري‌ها و تك ياخته‌ها 236

6-5- همزيستي قارچ- باكتري- 237

6-6- برهمكنش‌هاي پروكاريوت- پروكاريوت- 237

6-6-1- همیاری بين دو عضو- 237

6-6-2- مثال‌هايي از انگل‌ها و شكارگرها 238

6-7- تثبيت همزيستي: ارتباط نوستوك- ژئوسیفون- 242

6-8- برهمکنش‌هاي جنسي- 243

6-9- خلاصه- 245

6-10- تعمق بیشتر: سوالات مهم قابل نقد- 247

فصل هفتم: برهمكنش‌هاي بين ميكروارگانيسم‌ها و گياهان- 251

7-1- موضوعات اصلی- 251

7-2- مقدمه  252

7-3- روابط همزيستي با سيانوباكتري‌ها 254

7-4- برهمكنش‌ها در ریزوسفر- 257

7-5- مایکوریزا 260

7-5-1- اکتومایکوریزا 261

7-5-2- اندومایکوریزا 264

7-5-3- ارتباط مایکوریزای دیگر- 267

7-6- باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن و گیاهان عالی- 268

7-6-1- روابط ریشه- 268

7-6-2- روابط ساقه- 275

7-8- باكتري‌هاي محرك رشد گياه 275

7-7-1- توليد هورمون‌ها 275

7-7-2- ريزو باكتري‌هاي محرك رشد گياه 276

7-7-3- همزيستي كاكتوس-- 278

7-9- سطوح برگ و ميكروارگانيسم‌ها 278

7-10-  فعالیت‌های زیان آور میکروگانیسم‌ها روی گیاهان- 281

7-10-1- انگل‌های قارچی- 281

7-10-2- بیمارگرهای باکتریایی- 282

7-10-3- فعالیت‌های ریزوسفری و بیماری‌های گیاهی- 286

7-11-  قارچ‌های محرک افزایش تحمل به گرما در گیاهان- 287

7-12-  كنترل زيستي آفات و بیمارگرها 288

7-13-  خلاصه- 291

7-14-  تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 292

فصل هشتم: برهمكنش‌هاي بين ميكروارگانيسم‌ها و جانوران- 295

8-1- موضوعات اصلی- 295

8-2- مقدمه  296

8-3- همزيست‌های اوليه و ثانويه- 301

8-4- برهمكنش‌هاي ميكروب ـ جانور: زندگي انگلي- 303

8-4-1- مقدمه اي بر زندگي انگلي- 303

8-4-2- زندگي انگلي نماتودهاي حشرات- 303

8-4-3- اثرات آلودگي‌هاي چند انگلي روي شدت بیماریزایی- 304

8-4-4- درون همزیستی گسترده: ولباخیا ـ زندگي انگلي يا همیاری؟ 305

8-5- برهمكنش‌هاي ميكروب ـ جانور: همیاری- 306

8-5-1- برهمکنش‌های همیاری ميكروب ـ دستگاه گوارش جانور 306

8-5-2- مطالعه موردی: درون همزیستی باکتری- پُرتار 310

8-5-3- مطالعه موردی: سوسک‌های پرورش دهنده باغچه‌های قارچی- 311

8-5-4- همیاری‌های شپشک آردی- 312

8-5-5- باکتری‌های نورزای ماهی و ماهی مرکب-- 313

8-6- درس‌هایی از اعماق: بینش‌های تکاملی و اکوسیستم همزیستی در دریچه‌های اعماق دریا 314

8-7- برهمکنش میکروب- مهره دار 318

8-7-1- باکتری‌ها و پرندگان- 322

8-7-2- میکروارگانیسم‌ها و انسان- 323

8-8- تغذیه از میکروب‌ها و شکار توسط جانوران- 324

8-9- خلاصه  328

8-10-  تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 329

فصل نهم: زندگی دسته جمعی: جوامع میکروبی- 335

9-1-  موضوعات اصلی- 335

9-2- مقدمه  336

9-2-1- موضوعات و سئوالات غالب در اکولوژی اجتماع میکروبی- 338

9-3- متاژنومیکس: ابزار جدید برای پاسخ به سئوالاتی در مورد اکولوژی اجتماع- 338

9-4- لجن زیستی و بیوفیلم‌ها 339

9-4-1- تغییرات ساختار اجتماع طی توالی بیوفیلم- 343

9-5- تشکیل جوامع سازمان یافته: حسگر حدنصاب- 345

9-6- استقرار و استقرار مجدد توسط میکروارگانیسم‌ها 347

9-6-1- مطالعه موردی: استقرار روده نوزاد استریل- 349

9-6-2- مطالعات موردی: استقرار مضّر- عوامل موثر در بیماری- 349

9-6-3- مطالعه موردی: استقرار مجدد و توالی اولیه در رسوبات بین جزر و مدی- 350

9-7- پراکنش، توالی و پایداری- 351

9-7-1- مطالعه موردی: پراکنش و توالی در اقیانوس‌ها- وال‌هایی که به‌عنوان عوامل پراکنش بین دریچه‌ها هستند  351

9-7-2- رقابت به‌عنوان نیروی سازماندهنده در توالی- 352

9-7-3- پايداري در مطالعات ميكروكاسم- 354

9-8- تنوع گونه‌ها 355

9-8-1- شاخص‌هاي تنوع- 356

9-8-2- روابط بين ارگانيسم پُرسلولي و ميكروارگانيسم‌ها: الگوهاي باهَمایی- 357

9-8-3- آشفتگی و تنوع- 359

9-9- شبکه‌های غذایی- 361

9-9-1- ساختار شبکه‌های غذایی میکروبی- 362

9-9-2- اثرات گونه‌های کلیدی روی شبکه‌های غذایی و تنوع- 363

9-10- تولید اولیه و جریان انرژی- 363

9-10-1- چرخه موادغذایی- 363

9-11- مثال‌های جوامع میکروبی- 367

9-11-1- پلانکتون در اکوسیستم‌های دریا 367

9-11-2- چشمه‌های آب گرم- 369

9-11-3- شراب و پنیر- 370

9-12- خلاصه- 375

9-13-  تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 375

فصل دهم: فرآیندهای میکروبی مرتبط با چرخه‌های زیست ژئوشیمیایی- 381

10-1- موضوعات اصلی- 381

10-2- مقدمه  382

10-3- جریان انرژی- 386

10-4-  چرخه اکسیژن و کربن- 388

10-5-  چرخه نیتروژن- 392

10-5-1- تثبیت نیتروژن- 393

10-5-2- اسمیلاسیون نیتروژن- 394

10-5-3- شوره گذاری (نیتراتی شدن) 394

10-5-4- شوره‌برداری (نیترات‌زدایی) 395

10-6-   چرخه گوگرد- 396

10-6-1- متابولیسم گوگرد آلی- 397

10-6-2- متابولیسم گوگرد معدنی- 397

10-7-  چرخه فسفر- 398

10-8-  چرخه آهن- 400

10-8-1- سیدروفورها 401

10-8-2- فریتین و ماگنوتوزوم‌ها 403

10-9-   چرخه هیدروژن- 408

10-10-  تغییر شکل جیوه 409

10-11-  سیستم‌های بسته- 411

10-12- خلاصه- 412

10-13- تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 413

فصل یازدهم: ميكروب‌ها در حال فعاليت در طبيعت: معدني شدن زیستی و هوازدگی ميكروبي ----- 417

11-1- موضوعات اصلی- 417

11-2- مقدمه  419

11-2-1- معدني شدن زيستي غيرفعال در مقابل معدني شدن زيستي فعال- 421

11-3-  ویژگی‌های سلول و اتصال به فلز- 422

11-3-1- جذب غيرفعال فلز- 423

11-3-2- جذب فعال فلز- 423

11-4-  جریان انرژی: اختلاط الکترونها و واکنشهای اکسیداسیون- احیاء 424

11-5-  انحلال در مقابل رسوب- 427

11-6- تشکیل سنگهای معدن و موادمعدنی- 428

11-6-1- استخراج زیستی- 428

11-6-2- بازيافت مواد نفتي- 429

11-6-3- غارزایی حاصل از اسيد سولفوريک-- 434

11-7-  مشارکت ميکروارگانيسم‌ها در فرآیند سيليسي شدن- 435

11-7-1- تشکيل سيليس در دياتومه‌ها، شعائیان و اسفنج‌ها 435

11-7-2- آبفشان سنگ-- 436

11-8-  معدنی شدن زیستی رسوبات آهن منگنز- 438

11-8-1- تشکیل ماگنتیت-- 438

11-8-2- جلاء سنگ-- 440

11-9- میکروبیالیت‌های کربنات میکروبی- 443

11-10-  استروماتولیت‌ها 444

11-10-1- ترومبولیت‌ها 446

11-10-2- تراورتن و پوک سنگ-- 447

11-10-3- توت سنگداران و روزنداران: معدنی شدن زیستی کنترل شده 449

11-11-  خلاصه- 450

11-12- تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 451

فصل دوازدهم: تجزیه ترکیبات طبیعی- 455

12-1- موضوعات اصلی- 455

12-2-  مقدمه- 456

12-3-  تجزیه چوب- 458

12-4-  تجزیه ساختارهای دیواره سلول گیاه 461

12-4-1- فعالیت‌های پروتوپکتیناز و پکتیناز 463

12-4-2- تجزیه میکروبی لیگنین- 463

12-4-3- تجزیه همی سلولز- 465

12-4-4- تجزیه آنزیمی سلولز- 465

12-5-  هیدرولیز نشاسته- 467

12-6-  هیدرولیز اینولین- 468

12-7-  تجزیه زیست پلیمرهای مختلف شامل پروتئین‌های رشته‌ای (فیبری) جانوری- 469

12-7-1- تجزیه کیتین- 469

12-7-2- تجزیه کراتین- 470

12-7-3- تجزیه فیبروئین- 472

12-7-4- تجزیه کلاژن- 473

12-8-  اکولوژی غذاهای تخمیری- 473

12-9-  اکولوژی تولید انرژی زیستی- 475

12-9-1- تولید الکل- 478

12-9-2- تولید H2 480

12-9-3- تولید متان- 481

12-9-4- تولید زیست دیزل توسط جلبک-- 483

12-10- سیستم‌های پسماند- 484

12-11- کمپوست کردن مواد آلی گیاهی- 486

12-12- اثر تجزیه میکروبی روی انسان‌ها 489

12-13- خلاصه- 491

12-14- تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 492

فصل سیزدهم: میکروب‌ها در عمل: زیست‌پالایی- 497

13-1-  موضوعات اصلی- 497

13-2-  مقدمه- 498

13-3-  زیست‌پالایی به‌عنوان یک فناوری- 499

13-4-  مهندسی ژنتیک-- 501

13-5-  طراحی و اجرا زیست‌پالایی- 502

13-5-1- زیست رآکتورها 502

13-5-2- کشاورزی زیستی- 502

13-5-3- سدهای واکنشگر نفوذپذیر 503

13-5-4- بهینه‌سازی زیست‌پالایی- 504

13-6-  زیست‌پالایی ترکیبات آلی- 506

13-7-  تجزیه هیدروکربن‌ها 506

13-7-1- نشت نفت-- 507

13-7-2- استفاده از متان- 509

13-7-3- هیدروکربن‌های سوخت-- 510

13-7-4- هیدروکربن‌های پلی‌آروماتیک-- 516

13-8- تجزیه زنوبیوتیک‌ها 519

13-8-1- سمیّت‌زدایی ترکیبات آلی کلردار 520

13-8-2- علف‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها 521

13-8-3- تجزیه زیستی مواد منفجره 523

13-8-4- تجزیه رنگ‌های منسوجات- 524

13-9-  زیست‌پالایی آلاینده‌های معدنی- 527

13-9-1- برهمکنش‌های فلز سمّی– میکروب- 527

13-9-2- سمیّت زدایی سلنیوم- 534

13-9-3- واکنش‌ها با آرسنیک-- 536

13-9-4- زیست‌پالایی مکان‌های آلوده به پرکلرات- 538

13-9-5- زیست‌پالایی آلودگی نیترات- 539

13-10- خلاصه- 547

13-11- تعمق بیشتر: سئوالات قابل تفکر و نقد- 548