编者按：
近年来的研究表明，土壤微生物或许与人体健康紧密相关。土壤微生物可以通过影响食物中的营养成分来影响人体健康。
今天，我们共同关注土壤菌群，特别编译 Michael Behar 撰写的题为“Soil health means better human health”的文章，希望本文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。
土壤菌群
十二月下旬的某一天，我正走在科罗拉多大学博尔德分校的校园里，步行前往环境科学研究合作协会（CIRES）实验室。这里的本地植物正处于冬眠状态，呈现出单一的褐色。此时的户外，几乎没有植物在生长。
但在 CIRES，情况并非如此，那里有数十亿的微生物正在茁壮成长。在实验室里，生态学与进化生物学教授 Noah Fierer 向我介绍了两个研究生，他们弓着背坐在工作台上，用移液器把玻璃瓶里的一批活细菌转移到一台机器上，这台机器将对他们的微生物 DNA 进行测序。
在附近的一个步入式冷却器中，培养皿被堆放在铁丝架上。细菌正在被培养用于研究。此外，还有将 12 包精酿啤酒在地板上冷却。“你不应该看到这个。” Fierer 打趣道。
作为一位杰出的土壤科学家，Fierer 在学术期刊上被引用的次数可能比该领域的任何其他研究人员都多。他致力于研究生活在根际上的生物体。
土壤表层是植物根系与微生物发生相互作用的地方，这里充满着病毒、细菌、真菌、原生动物和藻类。这是一个混杂的群落，统称为土壤微生物群落，这个群落是植物的命脉，可以促进种子萌发，刺激根系，加速生长，并增强植物对疾病的抵抗力。
专家认为，这些土壤微生物也可能对我们食物的营养成分产生重大影响。此外，我们吃的植物和接触的泥土也可能直接强化我们自己的肠道菌群。土壤健康和人类健康之间的这种联系，引起了大型食品公司、农民、科学家和环境组织的注意，它引发了一场研究热潮，可能研究很快就会告诉我们，土壤微生物对我们长寿的重要性——是否与日常锻炼和睡个好觉一样重要。
这不仅仅是污垢
根际是一个拥有复杂生态系统的栖息地，科学家称之为“棕色食物网”。其基础是土壤菌群，它们参与了许多促进和维持植物生长的过程。例如，有些微生物就像胃一样，消化和分解有机物质，使其成为滋养植物的营养物质。另一个作用涉及菌根，丝状真菌形成巨大的细长的网，可以跨越数英里的地下。这些纤维丝就像土壤菌群的网络，它们促进植物之间的交流。
实验表明，当捕食者如蚜虫袭击植物时，植物可以通过菌根网络向周围发出警告，告诉它们威胁迫在眉睫。其他植物会利用它们的天然防御系统，通常是叶子中产生的一种化学物质，来帮助抵御入侵者。
土壤细菌和真菌同时也使土壤中的矿物质可溶于水。西雅图华盛顿大学地球与空间科学教授 David Montgomery 解释说：“如果它们是可溶的，植物就可以用它的根吸收它们。”
Montgomery 是 The Hidden Half of Nature 的作者之一，该书是关于土壤菌群的。微生物也能使植物产生抗氧化剂。Montgomery 说：“有些细菌和真菌结合在一起，把磷等物质从土壤中挖出来，运输到真菌菌丝中。”
真菌菌丝形成一个网状纤维网（由菌根组成），与植物根部协同作用。植物在光合作用期间自然地将糖分泌到土壤中，糖分有助于滋养菌丝，而菌丝通过向植物提供氮、磷和其他各种微量元素，如铜、锌、镁、钾和铁作为回应。这是一个公平的交易，因为植物和人类一样，需要这些矿物质才能生存。
然而，一个受损的土壤微菌群，可以破坏这一过程，降低这些营养素在我们的食物中的浓度，然后，我们的饮食中的这些营养素含量也随之降低。
今天的许多农田已经退化。Montgomery 告诉我，在过去的 50 年里，水果、蔬菜和谷物的矿物质含量急剧下降。一项调查报告显示，蔬菜中的锌下降了 59%，镁下降了 26%，铁下降了 83%。
发表在 Journal of the American College of Nutrition 上的一项类似分析，对 43 种农作物进行了检测，将目前的营养水平与美国农业部（美国农业部自 1892 年以来一直在收集这些数据）1950 年记录的营养水平进行了比较，发现蛋白质、钙、铁、磷、维生素 B2（又名核黄素）和维生素 C 都显著下降。
Montgomery 说：“据估计，超过三分之一的人类受到矿物质缺乏的困扰，这在发达国家和发展中国家都造成了健康问题。”矿物元素对于数百种关键的酶反应是必不可少的，含量不足会引起各种疾病，这些疾病包括心血管疾病、神经系统疾病、贫血、感染和抑郁症。
然而，科学家们就土壤菌群是否对养分下降负有部分或全部责任仍存在分歧。
解开土壤秘密的竞赛
尽管科学家们相信，促进健康的土壤微生物可以对人类健康产生深远的积极影响，但问题是要弄清楚哪些微生物是我们维持健康所需的，以及如何帮助它们茁壮成长。微生物的多样性令人难以置信，目前人们对它们仍知之甚少。
当 Fierer 带我沿着楼梯下到 CIRES 地下室时，他解释说，从堪萨斯州的野生草原采集的土壤样本可能含有超过 2 万种不同种类的微生物。从同一个地点仅仅一厘米远的地方采集的第二个标本可能藏有完全不同的微生物，数量也有数万之多。
一英亩（约 4046 平方米）健康土壤中的微生物总重量超过 2.7 吨，相当于一辆大型 SUV。了解土壤菌群就像试图绘制我们银河系中的每一颗恒星，因为那里有数以亿计的微生物。“我们知道它们在那里，” Fierer 说，“我们只是不知道它们中的大部分在做什么，以及它们是如何相互影响的。”
在 CIRES 的地下室，我们进入了一个 800 平方英尺（约 74 平方米）的空实验室，Fierer 和研究生 Corrine Walsh 正在进行一个有利于小麦生长的土壤微生物的实验。一个类似于大型白色冰箱的东西坐落在空间的中央。这是一个用于种植植物的环境生长室，用炫目的白色发光二极管进行照明。
Fierer 推开那沉重的门，一股潮湿发霉的空气飘了出来。他拿出一个干净的箱子，里面装着 12 个内衬种子发芽纸的方形塑料盘子。每张纸上有八颗处于不同生长阶段的小麦种子。有些只有几英寸高，嫩芽和树根沿着纸张表面攀爬。有一些看起来发育不良，还有一些根本没有发芽。
领导这项实验的 Walsh 从美国各地的 220 个地点收集了土壤样本。“大约一半来自农场，” Fierer 说，“另一半来自未经管理的自然系统，主要是森林和草原。”
Walsh 将每个样品与水混合，调制成浆液，浇在每个小麦种子上。稍后，她将使用基因测序仪来分析发芽最旺盛的根和芽的种子所含的成分。“我们将观察是否有特定种类的微生物可以解释为什么一些小麦种子比其他种子长得更好。” Fierer 说。
他们的研究将有助于理解哪些土壤微生物影响植物生长，以及这些微生物如何影响人类健康的另一个方面——肠道菌群。
对情绪和免疫力的益处
泥土是土壤微生物生存的地方。然而，它们也是四处游走的，攀附在叶子上，渗透到根系中，通过气孔和水通道进入植物体内，这些气孔和水通道会把土壤中的水分和养分输送到植物体内。植物里里外外都充满了微生物，当我们大口咀嚼花椰菜、浆果或小扁豆等食物时，就会摄入这些微生物。
科罗拉多大学博尔德分校综合生理学和神经科学教授 Christopher Lowry 说: “单单一片菠菜叶子就含有来自土壤和环境的 800 多种细菌。一旦进入我们的肠道，这些微生物可以强化人体肠道菌群。
我们也会通过土壤接触到这些微生物。虽然其中的生物学原理尚不完全清楚，但研究表明，生活和工作在农业和农村社区的人，他们经常接触泥土及其中所含的微生物，并且对过敏和哮喘的抵抗力更强，而小鼠的实验表明，即使是适度的土壤接触，也能加强免疫系统对有害病原体的反应，包括寄生虫、细菌和病毒。
Rob Knight 是加利福尼亚大学圣地亚哥分校微生物组创新中心的主任，并与其他人共同创立了美国肠道项目和地球微生物组项目，这两个项目主要通过对微生物的 DNA 进行测序，来研究与人类和土壤有关的数以万亿计的微生物。
他还不确定泥土中的细菌与人类健康和长寿之间是否有直接联系，不过，科学研究仍在不断涌现出来。他的研究表明，食用多种水果和蔬菜的人肠道菌群更加多样化。
此外，研究还表明，患有与慢性炎症相关疾病的个体，如肥胖、癌症、心脏病、哮喘和糖尿病，其肠道菌群多样性往往较低。
Lowry 一直在研究土壤菌群如何影响我们的免疫系统，甚至我们的情绪，他同意: “人们普遍认为，增强肠道微生物的多样性是好的，即使我们不理解其中的所有原因。要做到这一点，最安全的办法就是多吃植物，经常吃植物。”
他提到了一份美国肠道项目中发给志愿者的调查问卷。研究人员询问参与者在一周内食用了多少种不同类型的植物，然后要求他们提供粪便样本进行分析。粪便数据显示，拥有最多种有益肠道细菌的志愿者往往也吃了最多种类的水果和蔬菜。
他说: “当我得知这个消息后，我去了全食超市，挑选了 30 种不同的植物，然后把它们放进搅拌机里搅拌。现在我每天晚饭都要吃 4 汤匙。”
在过去的二十年里，Lowry 一直对一种名为 Mycobacterium vaccae 的微生物特别感兴趣，这种微生物存在于世界上几乎所有的土壤中。他和他的合作者，伦敦大学学院医学微生物学的教授 Graham Rook，想知道 M. vaccae 是否属于能够向大脑发送信号的肠道微生物。
两位科学家在老鼠身上进行了实验，向它们注射 M. vaccae，这种菌在显微镜下看起来像是半透明的黄色蛆虫。“这种细菌激活了大脑中一种非常特殊的含有血清素的神经元。众所周知，这些神经元控制着情绪，尤其是抑郁，” Lowry 说。
“土壤中的细菌具有抗抑郁作用的想法让人们大吃一惊。” Lowry 和 Rook 在 2007 年发表了他们的研究结果，随后媒体蜂拥而至。这里有确凿的证据表明，土壤中的微生物进入人体后，可能会对健康产生潜在的影响。
Lowry 和 Rook 继续进行实验，把重点放在产生抗抑郁作用的生物机制上。原来 M. vaccae 触发了一种情感保护。“它可以防止大脑在应激反应中出现炎症。” Lowry 解释说。
到 2016 年，他已经能够在动物实验中证明 M. vaccae 能够减轻一系列精神疾病的症状，如应激性结肠炎和创伤后心理压力紧张综合症。通过行为训练，实验室小白鼠可以习惯性地对恐惧做出反应：轻微的震动或突然喷出的空气与光相伴。最终，老鼠只要看到光时就会畏缩。一旦恐惧反应建立起来，可能需要几周甚至几个月的时间才能消除。
“但是接种了这种细菌的老鼠在 24 小时内就消除了恐惧，” Lowry 说，“对我来说，这真是令人兴奋。”
Lowry 和他的同事们也想知道 M. vaccae 是否能够缓解大约 40%的人在 60 岁以后接受大手术时出现的智力急剧下降问题。这种现象被称为术后认知功能障碍，或 POCD，它被认为是手术期间和术后强烈的炎症反应的结果。
他们开发了一系列认知测试来评估手术对老年大鼠的影响，然后在手术前给它们注射 M. vaccae。“这种细菌完全阻止了这种认知障碍。”他说。
所以我问 Lowry：为什么我们不都服用 M. vaccae 补充剂？当然，研究结果需要在人类身上进行重复。此外，更简短的回答是，他所研究的 M. vaccae 菌株不能作为补充剂提供，至少现在还不能。
和我交谈过的其他土壤科学家一样，Lowry 也认为细菌在数量上表现出强大的力量，它们需要大量的细菌共同构建一个强大的抵御疾病的肠道微生物群落。但是，还需要更多的研究来梳理这一切。
再生多样性
人类与土壤细菌同步进化。这可能解释了为什么我们与土壤拥有相似的微生物 DNA，以及一些相同的细菌菌株。例如，在土壤和人体中都可以找到乳酸杆菌。这些益生菌（存在于像酸奶这样的食物中）在人体中有助于分解食物并释放营养，在土壤中也发挥着相同的作用。
2019 年发表在 Microorganisms 杂志上的一项研究，记录了人类和土壤微生物之间的这种独特“亲缘关系”。“它们含有相同数量的活性微生物，”作者指出，并补充说，“采纳不同的观点，将人类肠道菌群以及土壤/根部菌群视为‘超级微生物’可能是有用的，通过密切接触，它们可以相互补充接种剂、基因和维持生长的分子。”
研究人员还分析了人类和土壤中菌群的种类，发现不仅两个地方的微生物多样性都急剧下降，而且其发生率也大致相同。
他们确定了下降的几个原因：从农业社会到工业社会的转变，现代卫生，以纤维少、高度加工食物多为特点的西方饮食。当我们改变耕作方式，停止种植自己的食物——这涉及接触大量的泥土——并开始吃更多的巨无霸汉堡时，我们就破坏了我们和土壤之间的有益关系。
建立健康的土壤
现在的重点是修复这种关系。Phil Taylor 在科罗拉多大学博尔德分校获得了全球生态学博士学位，是 Mad Agriculture 的联合创始人和执行董事。Mad Agriculture 是一家咨询公司，用 Taylor 的话说，这家公司“帮助农民建立健康的土壤，并通过这种方式赚钱。”
Taylor 建议我读读 Sir Albert Howard 的故事，他是一位英国植物学家，在 20 世纪早期周游世界。
“他想知道土壤健康是否能转化为健康食品。”Taylor 解释说。虽然 Howard 无法确定确切的机制，但在访问了数百个社区之后，他有足够的数据来帮助他自己回答这个问题: 土壤菌群把健康的作物和健康的人类之间联系在一起。
Howard 最初因为他的理论遭到嘲笑，后来他成为了有机栽培和土壤微生物学的先驱。
Taylor 说， “科学正在追赶一些农民已经明白的真理。” 他的意思具体来说就是，当农民采用一种不干涉的方法，让土壤微生物群落自主发挥作用时，土壤微生物群会蓬勃发展，并给人类带来最大的利益。
他对雇用他的农民的建议一般基于经过时间考验的再生农业原则，这些原则增加了根际微生物的丰富性和多样性。实际上，这需要最大限度地减少耕作，全年通过覆盖作物保持活根，种植各种植物，并让在土地上放牧。
科学似乎支持这种方法。最近发表在 PLoS One 杂志上的一篇对 56 项研究的综述发现，那些没有耕种或使用合成化学物质，并且采用了覆盖种植、生物多样性和轮作等做法的农场的土壤，其微生物质量（健康土壤的一个指标）比传统农场多 32%至 84%。
Rodale 研究所的研究发现，生长在有机或再生管理农场的燕麦、辣椒、西红柿和胡萝卜比传统农场多含 18% 到 36%的矿物质和抗氧化剂。健康的土壤还有其他好处，如促进固碳和保持水分，这有助于减缓气候变化。
促进植物生长的微生物（PGPMs）也出现了。它们是一种新型肥料，叫做生物肥料。尽管没有证据证明哪种微生物工作得最好，但事实证明，益生菌是一个蓬勃发展的产业。
即便如此，农民用微生物鸡尾酒法复苏贫瘠土壤的想法并不稀奇。许多农业初创企业都在寻求 PGPMs，其中包括总部位于波士顿的 Indigo Agriculture，该公司已聘请 Fierer 进行为期一年的研究，以开发一种微生物接种剂，推动作物生长。
其他公司正在生产生物肥料。就像土壤菌群群落中的维生素一样，生物肥料通常是从一种叫做蓝细菌的蓝绿藻中发展而来的。
虽然没有快速的修复方法，但是一个真正的行动正在进行中，这个行动可以消除损害，并且把漏洞补上。在我走出实验室的路上，Fierer 给我看了挂在墙上的两张大相框照片。这些照片是 2017 年在南极洲拍摄的，他和他的研究小组花了两个月的时间在南极横贯南极山脉的裸露地面上收集土壤样本。
他说: “我们想知道什么类型的微生物可以在这个地区的极端条件下生存，如寒冷、干燥和含盐的土壤。” 事实上，他们在最近被冰覆盖的地区发现了存活下来的细菌和真菌。他发现土壤微生物是陆地上的顽固分子。毕竟，它们已经存在了大约 40 亿年。
“不要担心它们会被根除。”Fierer 说。这是个好消息，因为随着人类继续追求长寿和健康的策略，土壤菌群群落可能最终会帮助拯救我们所有人。
营养食物始于土壤
土壤微生物与植物之间是一种共生关系。其中一个例子是氮固定。氮气在我们的大气中很丰富，占空气的 78%。植物需要它来生长，但是它们缺乏分解氮的酶。例如，在豆科植物中，称为根瘤菌的土壤细菌附着在豆科植物的根上并执行这项任务。作为回报，植物建立了一个密集的根系，有利于细菌，并为它们提供从大气中吸收的碳，这对减少温室气体也很重要。
土壤中的真菌帮助植物根系吸收磷和锌等营养物质。植物需要这些矿物质来产生叶绿素，而叶绿素是光合作用所必需的，它产生葡萄糖。其中一部分葡萄糖被分泌回土壤中，为真菌提供养分。
当土壤中微生物数量减少时，这种自然共生关系就会被破坏，导致植物营养不足，进而导致食用它们的人类缺乏营养。
原文链接：
https://www.agriculture.com/crops/soil-health/soil-health-means-better-human-health
作者｜Michael Behar
编译｜Jack Chen
