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土壤微生物关系人类的健康生活

日期:2017-10-06 人气:1383

一颗生长在玻璃箱子里的小松树显示出白色的、细枝的菌根丝或菌丝附着在根部并为植物提供养分。

最近,我们听到了很多关于人类健康想法的革命——它与我们肠道、口腔、鼻腔和其他“住处”中的微生物的健康有着千丝万缕的联系。根据最近五年国家卫生研究院人类微生物组项目发布的结果,我们被告知应该把自己视为一个“超个体”,与我们合作的微生物住所,为我们执行关键职能和提供服务,并比我们人类自己的细胞数量多十倍。第一次,由于我们有能力进行高效和低成本的基因测序,我们现在有了健康人正常微生物组成的图谱,细菌、真菌、单细胞古细菌和病毒的集合。他们的总重量约三磅,我们的大脑一样。

现在我们有了这张对我们健康至关重要的微生物的地图,许多人认为,医疗保健的未来将更少集中于传统疾病而是更多地通过将靶向微生物物种(“益生菌”)和治疗性食物(“益生元” - 微生物食物)引入肠道“社区”来治疗人类微生物群体的疾病。人类微生物项目科学家将“二十一世纪药典包括人类微生物群众成员及其生产的化学信使”作为核心成果的核心成果。简而言之,我们摄入的未来的药物将充满友好的细菌和他们喜欢吃的食物。

地球上七十亿人的可持续健康未来的最大杠杆点可以说是立足之地:我们种植食物的活的土壤。

但是人类健康的另一次重大革命也仅仅是基于开始对微小生物体的了解。它是由同样的技术进步推动的,使我们能够理解和恢复我们与微生物群的合作关系,而不是人类肠道,而是在另一个黑暗的地方:土壤。

正如我们无意中通过过度使用抗生素和高度加工食品而毁坏人类肠道中重要的微生物,我们通过过度使用某些化学肥料,杀真菌剂,除草剂,农药,未能添加足够的有机物质,肆意破坏了植物健康所必需的土壤微生物群(他们饲喂)和重耕。这些土壤微生物 - 特别是细菌和真菌 - 将营养和水循环到植物,到我们的作物,我们的食物的来源,最终到我们的健康。土壤细菌和真菌作为植物的“胃”。它们与植物根系形成共生关系,“消化”营养物质,以植物细胞吸收的形式提供氮、磷和许多其他营养素。重新引入正确的细菌和真菌以促进贫化和无菌土壤中的黑暗发酵过程,类似于吃酸奶(或采用目标益生菌“未来的药物”)来恢复消化道深处的正确的微生物群。

好消息是,同样的技术进步,使我们能够映射人类微生物群体,现在使我们能够了解,分离和重新引入微生物物种进入土壤,以修复损害并恢复健康的微生物群落,维持我们的作物和营养的食物。现在,我们更容易地绘制土壤微生物的遗传序列,了解他们实际做什么以及如何种植它们,并将其重新引入土壤。

20世纪70年代以来,园林商店出售了土壤微生物,但大多数产品实际效果都是被遗漏的,价格昂贵,主要限于园艺和水栽。由于新的基因测序和生产技术,我们现在已经到了一个时点,我们可以有效地和低成本识别和发展关键细菌和正确的真菌种类,并应用于大规模农业。我们可以生产这些“生物肥料”,并将它们添加到大豆,玉米,蔬菜或其他作物种子中以与植物一起生长和滋养。我们可以用作物种子播种微生物的“种子”,并且经过数百项独立研究证实,增加了我们的作物产量,减少了对灌溉和化学肥料的需求。

这些土壤微生物的作用远远超过滋养植物。正如人体中的微生物都有助于消化和维持我们的免疫系统一样,土壤微生物既消化营养,又保护植物免受病原体和其他威胁。四千多年来,植物已经形成了与其根系定殖的真菌的共生关系,创造了菌根(my-corrhi-zee),字面上是“真菌根”,将植物根系的覆盖范围扩大到百倍。 这些真菌细丝不仅将营养物质和水转移回植物细胞,它们连接植物,实际上使它们能够相互通信并建立防御系统。英国最近的一项实验表明,菌根丝作为植物之间信号传导的渠道,加强了它们对害虫的天然防御。当被蚜虫攻击时,蚕豆植物通过菌根细丝将信号传递到附近的其他豆类植物,作为早期预警系统,使这些植物能够开始产生排斥蚜虫和吸引黄蜂的防御性化学物质,这是天然的蚜虫捕食者。另一项研究表明,病害番茄植物还使用地下菌根丝网来警告健康的番茄植物,然后在自身攻击之前激活其防御。

因此,土壤中的微生物群落,如人类生物群落,为其共生伴侣提供“入侵抵抗”服务。 我们在这个危险中打扰了这个关联。正如迈克尔·波兰(Michael Pollan)最近指出的那样:“有研究人员认为,西方自身免疫性疾病的惊人增长可能会损害我们的身体和他们的“老朋友”之间的古老关系 - 我们共同合作的微生物共生体。”

土壤微生物不仅能滋养和保护植物,而且在提供许多对人类生存至关重要的“生态系统服务”方面发挥着关键作用。通过许多计算,活的土壤是地球最有价值的生态系统,每年提供价值达数万亿美元的生态服务,如气候调节、减轻干旱和洪水、防止水土流失和水的过滤。研究人类微生物的人现在已经开始借用“生态系统服务”一词来描述微生物在人类健康中发挥的关键作用。

重要的微生物物种可能已经灭绝,有些可能在我们的健康中起关键作用。

关于稳定我们日益恶化的气候,土壤微生物已经通过菌根细丝将碳进行了数亿年的封存,这种菌根被称为“球囊霉素”的粘性蛋白质。微生物学家正在努力更全面地了解其化学性质并绘制其基因序列。多达30到40%的球囊霉素分子是碳。球囊霉素可能占世界土壤碳的三分之一,土壤含有比所有植物和大气组合更多的碳。

现在,在大多数商业农业地区,微生物在健康的土壤中的发展,已经在很大程度上变得不活跃或消失了。他们无法做好他们在数亿年以来所做的工作,以获取,保存和循环植物的营养和水分并调节气候。 一半的土地被耕种,我们以惊人的速度失去土壤和有机物质。研究表明,随着时间的推移全球土壤逐渐枯竭,作物产量严重停滞。

所以,我们不仅阻碍了农作物的种植过程,也阻碍了耕地上的碳储存,而现代农业已成为气候不稳定的最大原因之一。我们目前的全球粮食系统,从砍伐森林到种植粮食,到化肥生产,再到食品储存和包装,都是造成人类温室气体排放量的三分之一。这比交通运输领域的所有汽车和卡车都多,占全球温室气体总量的五分之一左右。

因此,地球上七十亿人的可持续健康未来的最大杠杆点是可以立足之地:我们种植食物的活的土壤。整体土壤生态仍然存在许多谜。五百年前达芬奇说的今天可能还是真的:“我们更多地了解天体的运动,而不是关于脚下的土壤。”七大洲的生物百分之九十生活在地下,虽然你没有看到他们。 除细菌和真菌之外,土壤还充满了原生动物,线虫,螨虫和微关节。在一茶匙土壤中可能有1万到5万种。 在同一茶匙的土壤中,有比地球上人口更多的微生物。在少数健康的土壤中,在细菌群落中比在亚马孙河流域的所有动物中发现的生物多样性更多。

我们听到在世界各地和亚马逊有许多濒临灭绝的动物。我们都知道在热带雨林中砍伐树木的电锯工人。但是,但我们对动物和植物以外的生命王国栖息地的破坏,尤其是细菌和真菌的破坏,却知之甚少。一些微生物学家现在警告我们,我们必须停止人类微生物的破坏,那些重要的微生物种类可能已经灭绝,其中有些可能在我们的健康中发挥关键作用。

我们在绘制土壤微生物组织方面取得了良好进展,希望及时确定对土壤和植物健康至关重要的物种,因此可以根据需要重新引入。现在有一个地球微生物项目专门用于分析和绘制全球土壤和水域的微生物群落。我们不想发现自己处于已经灭绝的许多动物物种的位置。我们在某些土壤中已经消除或消除已知的重要土壤微生物,现在需要重新引入它们。 但是,对我们来说,这与将曾经有大量的水牛重新引入美国平原的努力是非常不同的。我们需要这些微小的伙伴帮助建立一个可持续的农业系统,在干旱和恶劣天气的情况下稳定我们的气候,并保持我们的健康和福祉。

土壤微生物的大规模破坏始于二十世纪初的技术进步。到1950年美国拖拉机的数量从零到三百万辆。农民种植面积增加,种植更加专业化。 氮肥生产的进步使其产量增加而且负担得起。二战期间生产的硝酸铵用于弹药,后来被用于农业(我们最近看到了德克萨斯西部一个这样的化肥厂所含的爆炸力)。“绿色革命”是由于担心如何养活人口的巨大增长。它确实产生更多的食物,但这是以土壤长期健康为代价的。许多人会认为,由于土壤被有机物,矿物质和微生物所消耗,它所产生的食物逐渐减少营养。土壤科学家和农业顾问雅顿(Andersen)长期以来一直认为人类健康与土壤健康直接相关。

在同一时期,我们看到了“生物农业”运动的兴起,主要是对这些技术发展和农业机械化的反应。在二十世纪初,英国植物学家阿尔伯特霍华德(Albert Howard)爵士和他的妻子加布里埃尔记录了传统的印度农业实践,这是西方生物农业运动的开始。奥地利作家、教育家、社会活动家鲁道夫·斯坦纳提出了一个概念“生物动力农业。1930,土壤学会在伦敦成立。不久之后,日本的土壤科学与植物病理学微生物学家MasanobuFukuoka福冈正信,开发了一种激进的免耕有机方法种植粮食和其他作物用于种植谷物和其他作物,在小规模上有效地进行。

幸运的是,现在在小农场和大型农业企业中重新引入土壤微生物已经有很强的商业机会。科学的进步使我们能够把土壤生物从生态养殖地转移到农业企业的主流。我们可以补充土壤和节省数十亿美元。许多田间试验,包括北达科他大学最近的一项试验表明,商业菌根真菌产品应用于大豆根部或种子,可使大豆产量从5提高到15%。美国大豆市场目前每年价值约430亿美元,因此在作物中添加健康的微生物将节省数十亿美元(增加收益的价值是目前价格下应用成本的三至五倍)。研究表明,由于更有效地利用矿物质和水分,化学肥料和灌溉需求也将减少。这也意味着更少的毒素和污染物,特别是氮肥,从农田中淋溶到我们的公共水系和河流,这导致了密西西比河三角洲大量的“死亡地带”。

出于所有这些原因,生物肥力产品现在是一个5亿美元的快速增长产业。主要的农业化学公司,如拜耳、巴斯夫、诺维信、先锋和先正达公司正在积极出售、收购或开发这些产品。

微生物重新引入土壤以及他们所饲养的有机物,有可能成为下一次人类健康大革命的重要组成部分 - 基于恢复土壤健康的可持续农业和粮食安全的发展。 就像人类微生物组织一样,未来的土壤药物是充满友好的细菌,以及他们喜欢吃的食物。

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