幾十年來，土壤一直被視為是一臺能持續(xù)生產(chǎn)食物的機(jī)器，而不是一個(gè)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，但現(xiàn)在，它正處于危機(jī)關(guān)頭。了解土壤微生物如何與環(huán)境相互作用，并幫助農(nóng)民采用新的可持續(xù)方法，可以對土壤產(chǎn)生有益的影響，從而有利于我們的健康。

今天，我們共同關(guān)注土壤微生物。希望本文能夠?yàn)橄嚓P(guān)的產(chǎn)業(yè)人士和諸位讀者帶來一些啟發(fā)和幫助。

土壤中的小生命

人類活動(dòng)影響了生活在土壤中的微生物的多樣性和活動(dòng)性，并引發(fā)了土壤微生物群的失衡。小小一把土壤中就含有大約100億個(gè)細(xì)菌、真菌和古菌，它們是養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者，通過多種化學(xué)物質(zhì)的交換，與植物根系和土壤之間互惠互利。

斯洛伐克初創(chuàng)公司NitroterraTechnology的首席執(zhí)行官RadoslavBonk說：“土壤微生物會(huì)產(chǎn)生一種‘膠水’，這是它們新陳代謝活動(dòng)的副產(chǎn)品。這種膠水對粘合土壤主要顆粒、真菌、粘土和有機(jī)顆粒至關(guān)重要。如果這種代謝活動(dòng)受到抑制，例如過度使用合成肥料，健康的土壤結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生瓦解，土壤就會(huì)變得更易受到風(fēng)和水的侵蝕。”

隨著土壤結(jié)構(gòu)變得脆弱，植物生長的整個(gè)過程也隨之受到破壞。這些植物對病原體的抵抗力會(huì)下降，而且無法充分獲得生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)。傳統(tǒng)上，使用無機(jī)肥能緩解這個(gè)問題，但它們會(huì)污染環(huán)境。

為了解決這個(gè)問題，幾家歐洲公司一直在積極開發(fā)微生物解決方案，希望以更可持續(xù)的方式來提高土壤肥力。

西班牙是一個(gè)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)國，但是其土壤資源形勢嚴(yán)峻，因此西班牙成為了開發(fā)這些新型土壤產(chǎn)品的領(lǐng)導(dǎo)者之一。

當(dāng)前，被用作生物肥料的活性微生物產(chǎn)品逐漸開始被市場接受，例如由Symborg公司商業(yè)化微生物Methylobacteriumsymbioticum，它可以固定大氣中的氮，以滿足植物生長所需。

另一家西班牙公司CeresBiotics擁有自己的菌種庫，其中含有多種來自于固氮菌屬和Frateuria屬的微生物。每一個(gè)菌種都會(huì)表達(dá)不同類型的基因，并且能以不同的方式使農(nóng)作物受益。

此外，新的有益微生物物種正在被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。例如在生長于西班牙大加那利島的拉斯帕爾馬斯的煙草植物近親中，人們發(fā)現(xiàn)了一種名為Pseudomonaspalmensis的細(xì)菌。這些細(xì)菌能在干旱時(shí)期增強(qiáng)植物的抵抗力。

西班牙的農(nóng)業(yè)用地

利用生物信息學(xué)破譯土壤微生物組

土壤微生物組內(nèi)部存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的合作和競爭關(guān)系，同時(shí)，這些微生物與植物之間也存在著相互作用。因此，很難確定哪些微生物在協(xié)同生態(tài)系統(tǒng)中是最重要的。需要使用計(jì)算方法處理這種復(fù)雜情況。

Bonk解釋說：“在我們選擇和應(yīng)用細(xì)菌菌株之前，我們會(huì)嘗試先評估土壤中已經(jīng)存在的主要細(xì)菌。而在這一過程中，我們發(fā)現(xiàn)評估代謝多樣性和代謝率遠(yuǎn)比通過DNA分析技術(shù)獲得微生物物種列表重要得多。”

他繼續(xù)補(bǔ)充道：“細(xì)菌的‘健康’水平以及它們的實(shí)際活動(dòng)和代謝速率對我們來說至關(guān)重要。為了解決這兩個(gè)問題，我們使用了多種統(tǒng)計(jì)方法來進(jìn)行微生物分析。”

與細(xì)菌一樣，真菌在土壤健康中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，并與植物形成共生關(guān)系。研究最多的與植物根系相關(guān)的真菌類別是叢枝菌根真菌(AMF)。AMF可以促進(jìn)宿主植物對礦物質(zhì)養(yǎng)分和水的吸收。但在土壤中只存在少量的這種真菌。為了利用其潛力，法國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)業(yè)公司Mycophyto正在研究、生產(chǎn)和采用本土的AMF，將其作為生物刺激劑，與農(nóng)作物和土壤互作。

“我們在土壤生物多樣性研究中使用生物信息學(xué)工具來分析土壤宏基因組學(xué)研究的結(jié)果，以鑒定AMF物種，”Mycophyto公司的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官JustineLipuma解釋說，“這讓我們能夠觀察到這樣一個(gè)事實(shí)，即某些物種只存在于特定的土壤環(huán)境中，而不存在于其他環(huán)境。”

為了完成這一過程，該公司使用了基于人工智能(AI)的預(yù)測模型，“該模型整合了那些被認(rèn)為會(huì)影響物種存在的數(shù)據(jù)(如氣候、土壤化學(xué)等)，并會(huì)根據(jù)GPS坐標(biāo)預(yù)測這些物種的存在。”Lipuma評論道。

目前，Mycophyto公司已經(jīng)在與葡萄種植者合作，最大限度地延長土壤的壽命，以便種植更能抵抗干旱和疾病的藤本植物。這家創(chuàng)業(yè)公司發(fā)展迅速，并且已經(jīng)瞄準(zhǔn)了其他市場，如家庭園藝或樹木栽培。

另一家采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的公司是BiomeMakers。該公司于2015年成立，將DNA測序與AI相結(jié)合，并使用了一個(gè)包含1000萬個(gè)微生物和3.5萬個(gè)土壤樣本的全球數(shù)據(jù)庫。

該公司正在幫助農(nóng)民更好地了解他們土地中的土壤微生物組是如何影響特定作物的生長的。據(jù)該公司稱，這種方法被葡萄牙的大型橄欖油生產(chǎn)商用于獲取更多有關(guān)土壤中微生物相互作用的信息。通過這種方式，橄欖油生產(chǎn)商可以采取能保留調(diào)動(dòng)最多養(yǎng)分的微生物群落的土壤策略。

正如Bonk所證實(shí)的那樣，從研究的角度來看，使用AI的潛力是巨大的。但是，他也說他們當(dāng)前的方法中沒有使用AI。“我們相信，從經(jīng)濟(jì)和有效性的角度來看，廉價(jià)的細(xì)菌肥料生產(chǎn)、簡單的應(yīng)用和精心選擇的土壤微生物組指數(shù)，將優(yōu)于詳細(xì)和全面的土壤微生物組測繪。”

農(nóng)民有最后發(fā)言權(quán)

在農(nóng)業(yè)中采用新的基于微生物組的解決方案的一個(gè)常見障礙是，許多農(nóng)民一直在考慮利潤的問題，因此，他們不太愿意接受任何替代方法。德國哥廷根大學(xué)溫帶生態(tài)系統(tǒng)土壤科學(xué)系主任YakovKuzyakov教授說：“一些改善土壤健康的技術(shù)實(shí)際上已經(jīng)眾所周知。”

Kuzyakov指出，推廣一些可持續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一是農(nóng)民是否會(huì)使用它們。“它不便宜，而且可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降。”

西班牙南部穆爾西亞的LaJunquera農(nóng)場的農(nóng)場主AlfonsoChicodeGuzmán在過去幾年里一直在采用可持續(xù)方法，但他并沒有采用基于微生物組的生物技術(shù)。

“事實(shí)上，我還沒有在我的土壤上使用這些產(chǎn)品……有些人說它們非常有效;有些人則持相反意見。”deGuzmán說。不管怎樣，他都期待著發(fā)現(xiàn)新的改進(jìn)。“我們?nèi)栽谑褂脗鹘y(tǒng)方法進(jìn)行土壤分析……但我相信采用新技術(shù)會(huì)非常有趣。”

正如Bonk所說，土壤微生物組的應(yīng)用可能很快就會(huì)擴(kuò)大：“由于合成肥料價(jià)格的上漲，細(xì)菌肥料可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)展勢頭，經(jīng)濟(jì)性將成為主要的驅(qū)動(dòng)力。”

很長一段時(shí)間以來，歐洲大部分農(nóng)業(yè)用地一直專注于單一耕種：短期內(nèi)效率更高，但從長遠(yuǎn)來看是不可持續(xù)發(fā)展的。葡萄牙農(nóng)場QuintadaCholda就是這樣，直到農(nóng)場主人JoãoCoimbra意識到這一點(diǎn)，于是他試圖了解土壤的每一個(gè)細(xì)節(jié)，并將其變成可持續(xù)發(fā)展的典范。

“我們必須了解我們的土壤，”Coimbra在歐洲農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力與可持續(xù)的歐洲創(chuàng)新伙伴關(guān)系計(jì)劃組織的研討會(huì)上建議道，“有些部分需要施肥，有些則不需要，只需與牲畜一起促進(jìn)土壤健康。”

“今天，所有農(nóng)民都在問他們自己同樣的問題：如何用更少的資源生產(chǎn)出更好、更多的產(chǎn)品。”Lipuma總結(jié)道。她認(rèn)為，一些農(nóng)民不愿使用基于微生物組的產(chǎn)品，是由于缺乏對該方向的認(rèn)同，以及市場上缺乏有效的產(chǎn)品。

為了滿足土壤和生產(chǎn)者的需求，解決方案必須易于獲取且方便使用，以便融入到農(nóng)業(yè)模式中。Lipuma說：“要做到這一點(diǎn)，必須為創(chuàng)業(yè)公司提供一定的手段——一旦它們的解決方案被證明有效，就能夠快速地實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。”

她總結(jié)道：“創(chuàng)業(yè)公司必須團(tuán)結(jié)起來，這就是我們在數(shù)字農(nóng)場中正在做的事情。”