微生物在调节生态系统中的能量流动中起着至关重要的作用，并且是扰动的早期检测器。
图片来源：peterschreiber.media/Shutterstock.com
微生物与其宿主系统之间的相互作用增强了生态系统的生物功能。微生物群落根据生态系统的需求适应多种角色。例如，它们管理河流沉积物或受污染土壤中的营养循环，将植物与生物化学中间体的储存库连接起来，并通过多样化的中间体增强动物和人类肠道的生理智能。
每个生物系统都展示出独特的宿主-微生物相互作用。微生物通过产生宿主所需的代谢产物提供代谢支持，而宿主则提供必要的营养物质。当系统稳定时，这些相互作用形成了特征性的微生物群落结构。然而，宿主的动态性质导致了微生物多样性和复杂性的变化。
例如：
- 人类肠道微生物组随着年龄的增长而演变。
- 根际微生物群落在种子萌发阶段与成熟植物阶段有所不同。
- 生物地球化学的变化导致选择性微生物富集，这与河流沉积物中的季节性变化相关联。
可以将人类肠道微生物组视为一个分批补料生物反应器。宿主根据生活方式提供原材料和各种生化物质。肠道的微生物群落支持代谢并根据接收到的原材料生成中间体。
随着宿主年龄的增长和生活方式的改变，它会释放由其基因决定的不同生化物质，挑战肠道微生物组并改变其结构。肠道环境的破坏可能导致菌群失调（如腹泻、肠易激综合症），需要医疗干预，并影响宿主的代谢。
人类的各种菌群失调，如炎症性肠病（IBD）和2型糖尿病，已被发现与临床疾病有关。益生菌作为一种潜在的解决方案正在兴起，特定的细菌种类或联合体基于观察到的菌群失调来填补代谢缺口。
然而，微生物群落结构的变化是复杂的，并受到宿主遗传和生活方式的影响。类似的趋势也出现在畜牧业、家禽业和虾养殖业中，益生菌补充剂可以增强免疫功能和繁殖能力，年复合增长率超过5%。
共生和菌群失调通过环境刺激（如益生菌或疾病）影响人类肠道微生物组，使其平衡向某一侧倾斜。微生物组得到宿主生理和遗传以及外部动态因素的支持。 图片来源：HiMedia Laboratories Private Limited
通过微生物生物强化来管理土壤和水生系统中的营养物质或污染物已经在农业和生物修复中长期使用，使用生物肥料来改善营养物质的可用性。注意力已经转向益生菌联合体——开发用于帮助稳定根际和支持对健康植物生长至关重要的代谢中间体流动的微生物混合物。这些益生菌是针对特定植物种类定制的，增强了它们与周围土壤微生物群落的相互作用，促进了更具弹性和生产力的生态系统。
像iLINCS这样的生物信息学平台提供了从基因组织到表达的所有层次的生理相互作用的见解。新兴工具如timeOmics可以解码生化事件并在代谢中间体之间建立联系。这些策略有助于选择分子或设计配方作为益生元，以增强宿主-微生物组的相互作用。
根据其生化能力选择的益生菌在从土壤微生物矫正到个性化医学的应用中显示出巨大的前景。
(全文结束)
