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健康的土壤微生物,健康的人群

原文作者/MIKE AMARANTHUS 和 BRUCE ALLYN

编译/郑煜基(广东省生态环境技术研究所高级工程师) 陈能场(广东省生态环境技术研究所研究员)

导 读

地下的微生物群落与我们肠道微生物群落同样重要。

我们人体其实是一个”超级有机体”,是一个与我们共同生存的微生物的居所,微生物总重约三磅–和我们的大脑一样重,一场人类健康方式的革命已经开始。

另一场重大革命也刚刚开始,这次不是在人类的肠道, 而是在另一个黑暗的地方–土壤之中。这场革命有助于在恢复土壤健康的基础上发展可持续的农业和粮食安全。

就像人类微生物群的情况一样, 未来的“土壤药物”(soil drugs)是充满了友好的细菌和他们喜欢吃的食物

一棵生长在玻璃盒中的小松树显示出白色的、细支化菌根线或“菌丝体”的量,这些菌丝体附着于根部并喂养着植物。 (David ReadRead)

一棵生长在玻璃盒中的小松树显示出白色的、细支化菌根线或“菌丝体”的量,这些菌丝体附着于根部并喂养着植物。 (David ReadRead)

我们最近听到了很多关于人类健康方式的革命——它与我们的肠道、口腔、鼻腔和其他“栖息地”中的微生物的健康有着密不可分的联系。去年(2012-译者注)夏天,为期五年的国立卫生研究院人类微生物组计划的结果发布后,我们被告知我们应该把自己想象成一个“超级有机体”,我们身体其实是一个与我们共同生存的微生物的居所,他们执行重要的功能并为我们提供服务,微生物数量与我们的人体细胞数量是10比1的关系。多亏有高效低成本基因测序技术,现在我们第一次有了一个健康人体的正常微生物构成图:一组细菌、真菌、单细胞古细菌和病毒。它们总共重约三磅——和我们的大脑一样重。

现在我们已经掌握了微生物对我们健康至关重要的这张图谱,许多人相信医疗保健的未来将更少地关注传统疾病,更多地关注通过引入靶向微生物物种(“益生菌”)和治疗剂来治疗人类微生物群的紊乱和治疗食物(一种“益生元”,用于微生物的食物)进入肠道“社区”。 “人类微生物组计划”的科学家将“21世纪药典”的发展定为核心成果,该药典包括人类微生物群成员和他们生产的化学信使。 简而言之,我们未来摄取的药物将充满友好的细菌和他们喜欢吃的食物。

但是人类健康的另一场重大革命也刚刚开始,它建立在对微小有机体理解的基础上。它由同样的技术进步驱动, 使我们能够理解和恢复我们与微生物群的合作关系, 这次不是在人类的肠道, 而是在另一个黑暗的地方——土壤之中。

正如我们在不知不觉中通过过量使用抗生素和高加工食品来破坏人类肠道中的重要微生物, 我们肆意破坏了对植物健康至关重要的土壤微生物群, 通过滥用某些化肥、杀菌剂、除草剂, 杀虫剂, 加之没有添加足够的有机物 (微生物的食物)和重度耕作。这些土壤微生物–尤其是细菌和真菌–将营养物质和水循环给植物, 庄稼—我们的食物以及最终我们的健康的来源 。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,并“消化”营养,以植物细胞可同化的形式提供氮、磷和许多其他营养物质。重新引入合适的细菌和真菌, 以促进在枯竭和无菌土壤中的黑暗发酵过程, 类似于吃酸奶 (或者服用那些靶向益生菌“未来药物”), 以恢复在你的消化系统深处正确的微生物群。

好消息是,绘制人类微生物群的技术进步使我们能同样能了解、分离和再引入微生物物种到土壤中以修复微生物的损害,恢复并维持我们作物和提供营养食物的健康微生物群落。现在,我们更容易绘制土壤微生物的遗传序列,了解它们实际做了什么以及如何繁殖它们,并将它们重新引入土壤。

自20世纪70年代以来,在花园商店里有土壤微生物出售,但大多数产品在实际使用效果方面都存在问题,价格昂贵,而且主要限于园艺和水培。由于采用了新的基因测序和生产技术,我们已经可以有效和低成本地识别和培育关键细菌和正确的真菌种类,并将其应用于大规模农业。我们可以生产这些“生物肥料”,并将它们添加到大豆、玉米、蔬菜或其他农作物种子中,并使其生长和滋养植物。我们可以用我们的作物种子播种微生物的“种子”,并且如同数百个独立研究证实的那样,增加我们的作物产量并减少对灌溉和化肥的需求。

横断面上的菌根或真菌根。染色的蓝色组织是真菌。

横断面上的菌根或真菌根。染色的蓝色组织是真菌。

这些土壤微生物不仅仅是滋养植物。正如人体内的微生物既有助于消化,又能维持我们的免疫系统一样,土壤微生物既能消化营养,又能保护植物免受病原体和其他威胁。在四亿多年的时间里,植物一直与真菌形成共生关系,这些真菌寄生在植物的根部,形成了真菌根(my-cor-rhi-zee),字面上是“真菌根”,它将植物根部伸展百倍。这些真菌细丝不仅可以将营养物质和水回流到植物细胞中,还可以连接植物并实际上使它们能够相互沟通并建立防御系统。英国最近的一项实验表明,菌根细丝可以作为植物间信号传导的通道,增强其对害虫的天然防御能力。当受到蚜虫侵袭时,蚕豆植物通过菌根细丝将信号传递到附近的其他豆科植物,作为早期预警系统,使这些植物开始产生防御性化学物质,排斥蚜虫并吸引黄蜂,一种天然的蚜虫捕食者。另一项研究表明,患病番茄植物也使用菌根细丝的地下网络来警告健康的番茄植物,这些植物在受到攻击之前会激活它们的防御。

因此,土壤中的微生物群落与人类生物群落一样,为其共生伙伴提供“入侵抵抗”服务。我们在危险地扰乱这种关联,并承担相应的后果。正如迈克尔波兰最近指出的那样,“一些研究人员认为,西方自身免疫疾病的惊人增加可能是由于我们身体和他们的老朋友’——微生物共生体之间的古老关系被破坏了。”

土壤微生物不仅滋养和保护植物,而且在提供对人类生存绝对至关重要的许多“生态系统服务”方面发挥着关键作用。根据许多计算,活的土壤是地球上最宝贵的生态系统,每年提供价值数万亿美元的生态服务,如气候调节、减缓干旱和洪水、预防水土流失和水过滤,。那些研究人类微生物组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所发挥的关键作用。

在稳定日益不受控制的气候方面,土壤微生物已经通过碳菌丝(mycorrizalfilaments)隔离了几亿年的碳,它们被涂上一种叫做“球霉菌素(glomalin)”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。 glomalin分子中多达30至40%是碳, Glomalin可能占世界土壤碳的三分之一,土壤中的碳含量超过所有植物和大气的总和。

我们现在的情况是, 在健康的土壤中生长的微生物在大多数商业农业土地上已基本无效或消失;他们无法做到他们在数亿年中所做的工作,为植物获取、保存和循环植物的营养和水,并调节气候。一半以上的人居可用土地正在耕种,我们正以惊人的速度丧失土壤和有机物质。研究显示,随着时间的推移,全球土壤不断减少,作物单产严重停滞。

因此,我们不仅阻碍了在耕地上培育农作物和封存碳的自然过程,而且现代农业已成为导致气候不稳定的最大原因之一。我们目前的全球粮食系统,从清除森林到种植粮食,到化肥生产,食品储存和包装,造成了高达三分之一的人为温室气体排放。这比交通运输行业的所有汽车和卡车都要多,后者全球温室气体排放量的五分之一。

对于地球上70亿人口来说, 一个可持续和健康的未来的最大的杠杆点, 可以说就在脚下: 就是活着的土壤(the living soil), 在那里我们种植我们的食物。整体土壤生态学仍然有许多奥秘。达芬奇在500年前所说的,如今可能依然适用: “我们对天体运动的了解比脚下的土壤还要多。”虽然你从来没有看到他们, 但七大洲所有生物的百分之九十都生活在地下。除了细菌和真菌, 土壤还充满了原生动物, 线虫,、螨虫和微型足虫。在不到一茶匙的土壤中, 可以有10,000至50,000种。在同一茶匙的土壤中, 微生物比地球上的人多。在少数的健康土壤中, 细菌群落中的生物多样性比亚马逊河流域的所有动物都多。

具有放射菌根真菌丝的菌根的电子显微照片

具有放射菌根真菌丝的菌根的电子显微照片

我们听说亚马逊和世界各地的许多濒临灭绝的动物。我们都知道雨林里的伐木工正在砍伐树木。但是,我们听到的关于除动植物之外的生物王国——细菌和真菌的栖息地的破坏相对较少。一些微生物学家现在警告我们,我们必须停止破坏人类微生物群,而重要的微生物物种可能已经灭绝,其中一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方面取得了良好的进展,希望能够及时发现对土壤和植物健康至关重要的物种,以便在必要时重新引入这些物种。现在有一个地球微生物组项目致力于分析和绘制全球土壤和水域中的微生物群落。我们不希望发现自己处于我们对已经灭绝的许多动物物种的立场上。我们已经摧毁或消灭了某些土壤中已知的重要土壤微生物,现在需要重新引入它们。但是,与我们所说的努力,比如说将曾经巨大的水牛群再次引入美国平原,有很大不同。我们需要这些小伙伴来帮助建立一个可持续的农业系统,在干旱和恶劣天气日益加剧的时代稳定我们的气候, 并保持我们的健康和福祉。

土壤微生物的大规模破坏始于第二十世纪初的技术进步。到 1950年, 美国的拖拉机数量从零降到了300万台。农民增加了农田的面积, 使种植更加专业化。在氮肥生产方面取得的进展使其丰富而价格实惠。二战期间生产的用于弹药的硝酸铵被用于农业 (我们最近看到了德克萨斯州西部城镇一个这样的化肥工厂所含的爆炸力)。“绿色革命”是由于害怕如何养活人口大量增长而推动的。它确实生产出更多的食物, 但这是以牺牲土壤的长期健康为代价的。许多人会争辩说,随着土壤中有机物质,矿物质和微生物的消耗,它所产生的食物逐渐缺乏营养。土壤科学家兼农业顾问后来成为医生的阿登安徒生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“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。在二十世纪的前半叶,英国植物学家艾伯特霍华德爵士(Sir Albert Howard)和他的妻子加布里埃尔(Gabrielle )记录了印度传统的农耕习俗,这是西方生物农业运动的开始。奥地利作家、教育家和活动家鲁道夫•施坦纳(Rudolf Steiner)提出了“生物动力农耕”的概念。 在1930年,土壤学会在伦敦成立。此后不久,从事土壤科学和植物病理学的日本微生物学家福冈正信(Masanobu Fukuoka)为小规模有效地开发了一种用于种植谷物和其他作物的基本免耕有机方法。

幸运的是, 在小农场和大型农业企业中重新引入土壤微生物的案例非常多。科学的进步使我们能够把土壤有机体从生态农业领域带到主流农业企业。我们可以补充土壤, 节省上亿美元。许多实地试验, 包括最近在北达科他大学进行的一项测试表明,将商业菌根真菌产品应用于大豆根部或种子可使大豆产量增加5%至15%。美国大豆市场目前每年价值430亿美元左右,因此, 将健康的微生物添加到农作物中将节省大量资金 (增加产量的价值比按目前价格应用的成本高出三至五倍)。研究表明,由于矿物质和水的有效利用率提高,化肥和灌溉需求减少也将大大节省。这也意味着更少的毒素和污染物,特别是氮肥,从农田中浸出到我们的公共水系统和河流,这导致了像密西西比三角洲那样的大量“死亡地带”。

出于所有这些原因,生物肥料产品现在是一个价值5亿美元的产业,并且增长迅速。拜耳、巴斯夫、诺维信、先锋和先正达等主要农化公司现在正在积极销售、收购或开发这些产品。

将微生物与它们所食用的有机物一起重新引入土壤,有可能成为下一次人类健康大变革的关键部分——在恢复土壤健康的基础上发展可持续的农业和粮食安全。就像人类微生物群的情况一样, 未来的土壤药物是充满了友好的细菌和他们喜欢吃的食物。

文章来源: 土壤家

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