你的身体会充满它们 - 在你的肠道，肺部，嘴巴和皮肤上有100万亿个微生物。你的家与他们一起 - 在厕所和水槽，桌子和椅子，地毯和你的狗。甚至你所站立的地面上还有无数的细菌，真菌，原生动物，藻类和病毒 - 所有这些都是微观的，所有这些都是生物群落之间相互作用的环境。这些社区以及与之相互作用的环境被称为“微生物组”，我们对它们的理解正在改变我们治疗疾病，种植作物和创造日常用品的方式。它正在改变我们对自然的看法。

宾夕法尼亚州立大学和农业科学学院的科学家处于微生物组研究的最前沿。他们正在探索人类和动物的内脏，以了解微生物如何影响健康，他们正在探索土壤，以揭示微生物如何使作物受益。通过这项工作，科学家们正在认识到地球上微生物生命的复杂性。他们还在探索这些生物所带来的潜在利益和挑战。

人类进入微观领域的旅程开始于1657年，当时住在荷兰代尔夫特的一位生活者安东尼·范·列文霍克透露，他通过自己创造的简单显微镜发现了生活在湖水中的微小“小动物”。 。

在给新成立的伦敦皇家学会的一封信中，van Leeuwenhoek写道，这些小动物“在我看来是如此之小，以至于我判断即使这些非常小的动物中有100只躺在另一只上面，它们无法到达一粒粗沙的长度..'看起来非常精彩。“

Van Leeuwenhoek发现微生物是人类对自然界理解的前所未有的转变。突然间，地球上的生命变得更加复杂和极其奇妙。然而，在350多年后，我们仍然处于黑暗中，关于这些生物中的许多生物是什么以及它们正在做什么。

“取决于你与谁交谈，我们可能对环境中99%的微生物一无所知，”植物病理学和环境微生物学系教授兼负责人Carolee Bull说。但是，她补充说，就像van Leeuwenhoek发现微生物后发生的转变一样，现代科学革命有望揭示微生物群落的特性和活动，这些微生物群体对我们的生活产生了巨大的影响。

这一次，使这一切成为可能的工具是高通量测序 - 也称为新一代测序。该技术于2000年首次推出，并且自上个十年以来仅被广泛使用，该技术可以同时确定来自无数物种的数十万个DNA分子的核苷酸顺序-As，Ts，Gs和Cs。该技术使人们有可能了解小样本(例如池塘水)中存在的每种物种的身份。另一方面，简单的DNA测序在其能力方面受到更多限制。

“微生物组的概念并不是特别新，”布尔说。“但是通过高通量测序，微生物学的黑盒子终于被照亮了，”Bull说。“它告诉我们，微生物不能单独在真空中工作。相反，它们是环境，其他生物和微生物相互影响和相互作用的社区的一部分。”

保护水质和恢复土壤

土壤微生物组是一个复杂的研究课题。生态系统科学与管理副教授Mary Ann Bruns说，一茶匙土壤可能含有十亿个单独的细菌细胞，可能有500,000个真菌碎片，数千个原生动物，谁知道有多少病毒。和的细菌独自一人，她补充说，有可能存在10,000至20,000不同的物种。

布伦斯正在使用高通量测序技术和其他工具来梳理这种“DNA汤”，就像她所说的那样，它包含在土壤中。她对田间规模的氮循环微生物的研究符合减少养分向沿海死区运输的大局。“总的来说，施用于作物的肥料中的一半氮不会被作物吸收，”她说。“相反，它会渗透到地下水中或在沉积物中流失。大部分氮气最终进入墨西哥湾和切萨皮克湾，在那里它破坏了生态系统。我对如何在源头阻止这一过程感兴趣，我们如何才能使我们的氮肥施用和管理方法减少浪费。“

她说，关键在于寻找节约氮的植物 - 土壤微生物群落，因为它们是土壤中大部分养分循环的原因。例如，微生物将铵转化为硝酸盐，硝酸盐是最容易丢失的氮。“某些微生物是土壤中导致效率低下的许多生化反应的原因，”布伦斯说。“在传统农业方面，我们通过增加一个保险金额来解决这个氮损失的问题。它更便宜，更容易增加，而不是试图找出如何防止损失。”

好消息是，虽然一些微生物促进了土壤中氮的流失，但其他物种能够从大气中固定氮并将其保持在原位。使用高通量测序，Bruns和她的一名研究生描绘了两种密切相关的蓝细菌菌株和几种非光合细菌的混合物，这些细菌在土壤上快速形成生物膜，以减少侵蚀和径流。她说，这个“联合体”可以添加到农业土壤中，以固定碳和氮，帮助营养物质保持原位，从而减少对氮的额外应用和保护下游环境免受氮污染的需要。

布伦斯说她希望看到公司对这些产品感兴趣并将其开发用于农业用途。例如，这些微生物产品可以与修正一起应用于回收受损土地，这是微生物组研究提供见解的另一个领域。Bruns和博士后Claudia Rojas使用新一代测序技术，在添加适量的堆肥和石灰后，显示了重新获得的矿区土壤中有益菌根真菌和根瘤菌的增加。

植物病理学和环境微生物学助理教授泰伦斯·贝尔(Terrence Bell)也对创造可以添加到土壤中以改善其功能的微生物聚生体感兴趣。他专注于恢复由于过度使用化肥和化学品而失去微生物活动的土壤。“一些农业土壤已经耗尽了作物生长所需的必需微生物，因为它们已经用化学肥料处理了很长时间，”他说。

通过实验研究，贝尔和他的一名本科生已经证明了这一点。他们对土壤施用了不同类型的营养改良剂，发现暴露于大量化学磷的土壤经历了微生物组组成的变化，包括微生物多样性的减少，这似乎影响了作物的生长。

“我们的下一步是弄清楚我们是否可以通过在这些环境中重新引入微生物多样性来解决这个问题，”贝尔说。

与Bruns的研究一样，该任务需要使用最新的测序技术。“这真的归结为可用的工具，而且自从高通量测序在我们的领域得到广泛应用以来，它仍然只有不到十年的时间，”Bell说。凭借这些技术，“我们正在关注功能，”Bruns补充道。“大多数生物都不致病或致病，它们只是在那里等待合适的条件才能变得活跃。我们的目标是了解它并将这些知识用于我们的利益。”

肠道检查

人体肠道的环境包括数十万亿个体微生物，总重量接近4.5磅。这些微生物中的许多都与降低患癌症，抑郁症，肥胖症甚至自闭症的风险有关。事实上，“好”的细菌因其积极的健康影响而变得如此受欢迎，以至于新兴的益生菌行业在2015年获利超过350亿美元。但有些物种与问题有关。

考虑肥胖。仅在美国，34%的成年人和15%至20%的儿童和青少年肥胖。近年来，研究人员和临床医生一直在转向肠道微生物组，试图更好地理解这个问题。粪便物质是50%的细菌。微生物必须发挥重要的代谢作用。

兽医和生物医学科学副教授安德鲁帕特森已经了解了细菌如何影响肥胖和肥胖相关的代谢疾病，即II型糖尿病和非酒精性脂肪肝病。例如，在他的研究中，他注意到给予tempol(一种通常用于保护细胞免受辐射损伤的药物)的体重明显低于未给药的小鼠。为了进一步调查，他和他的团队设计了一个实验，在这个实验中，他们给小鼠喂食高脂肪饮食并给予他们药物tempol。他们发现这些小鼠的体重明显低于喂食高脂肪饮食但未给予tempol的小鼠。

Patterson确定tempol可能会减少小鼠肠道中乳酸杆菌和梭菌属细菌的数量。当这些细菌减少时，一种特定的胆汁酸 -被称为tauro-beta muricholic acid-增加。“出于某种原因，细菌代谢胆汁酸作为一种保护机制，或作为一种清除生长所需养分的方法，”他说。