合肥综合性国家科学中心环境研究院微生物

环境治理创新发展部主任

徐金满

摘要：微生物作为地球上最古老的生命形式之一，其历史可追溯至约35亿年前。在地球生态系统的漫长演化进程、环境变迁以及人类生活的方方面面，微生物都扮演着举足轻重且不可替代的关键角色。本文综述了微生物的起源与演化历程，剖析了有益微生物和有害微生物之间的辩证关系，着重探讨了复合微生物在自然界以及人类社会发展进程中的重要作用。通过详细探究微生物在农业、环境保护、能源和健康等多个关键领域的具体应用实例，对微生物科学未来的发展方向做出前瞻性展望。

引言：微生物是地球上最为古老且分布最为广泛的生命形式，其涵盖了细菌、古菌、真菌、原生生物以及病毒等丰富多样的种类。从地球早期生态系统的构建，到现代社会各个领域，微生物都发挥着极为重要的作用。随着科学技术的持续进步，人类对微生物的认知已从单一物种逐渐拓展至复合微生物群体，这一过程揭示了微生物在自然界和人类社会中复杂且多元的作用机制。本文将从微生物的起源、有益与有害微生物的辩证关系，以及复合微生物的应用这三个关键方面，深入探讨微生物的过去、现在与未来发展趋势。

一、微生物的起源与演化

1.1微生物的起源

微生物的起源可以追溯到约35亿年前，最早的生命形式可能是原核生物（如细菌和古菌）。这些微生物在无氧环境中生存，利用化学能进行代谢。深海热泉和原始海洋被认为是微生物起源的关键环境。蓝细菌（蓝藻）的诞生是地球环境演变历程中的一个重要转折点，它们通过光合作用释放氧气，逐渐形成了现代大气层。

1.2微生物的演化

微生物的漫长演化过程，不仅有力地推动了地球早期碳、氮、硫等重要元素的循环，还与其他生物逐渐形成了各种共生关系，为地球上复杂生命的诞生与发展创造了有利条件。微生物所展现出的丰富多样性，使其能够广泛适应各种极端环境。从温度高、压力大的深海热液喷口，到极度寒冷的极地冰川，几乎在地球上的每一个角落，都能发现微生物的踪迹。

二、有益与有害微生物的辩证关系

2.1有益微生物

有益微生物在人类健康、农业生产、环境保护和工业生产等众多领域都发挥着至关重要的作用。例如：

健康领域：肠道微生物群在人体消化过程中发挥着关键作用，不仅帮助人体分解食物，促进营养吸收，还能合成维生素（如维生素K和B族维生素），并对增强人体免疫力起到积极作用。

农业领域：固氮菌能够将空气中的氮气转化为植物可吸收利用的氮化合物，为植物生长提供了重要的氮源，促进植物生长发育。

环境保护：微生物在降解石油、塑料和有毒化学物质等方面具有独特优势，能够有效地修复被污染的环境，帮助生态系统的恢复。

工业生产：微生物在食品发酵（如酸奶、啤酒）、生物燃料（如乙醇）和药物生产（如青霉素）等领域都得到了广泛应用。

2.2有害微生物

有害微生物可对人类和生态系统构成威胁，例如：

健康领域：结核杆菌、流感病毒等病原微生物可引发人类各种疾病，严重威胁着人类的生命健康。

农业领域：植物病原菌（如稻瘟病菌），会导致农作物病害，造成农作物减产甚至绝收，给农业生产带来巨大损失。

食品安全：像李斯特菌这类微生物，会引发食品腐败变质，导致食源性疾病的发生，对食品安全构成严重挑战。

环境危害：某些微生物，如蓝藻，一旦过度繁殖，就会引发水体富营养化，破坏水体生态平衡。

2.3有益与有害的辩证关系

值得注意的是，某些微生物具有双重角色。以大肠杆菌为例，在正常情况下，它在肠道中对人体有益，可以促进肠道健康，增强机体的抗病能力，但在肠道菌群失调时可能引发胃肠疾病、尿路感染、脑膜炎等疾病。微生物究竟是有益还是有害，往往取决于其数量以及所处的环境条件。通过不断深入的科学研究和先进的技术手段，人类能够有效地抑制有害微生物的生长繁殖，同时充分利用有益微生物来改善生活质量。

三、复合微生物的概念与特点

3.1复合微生物的定义

复合微生物（MicrobialConsortia）是由多种微生物组成的稳定混合群体，通过相互作用（如共生、竞争或协作）共同完成复杂的生物过程。

3.2复合微生物的特点

多样性：复合微生物群体包含了多种不同类型的微生物，每种微生物在群体中扮演不同角色。

协同作用：微生物之间通过代谢互补、信号传递和资源共享等方式协同工作。

稳定性与适应性：复合微生物能够适应复杂多变的环境条件。

四、复合微生物在自然界中的作用

4.1生态系统中的物质循环

复合微生物在促进地球碳、氮、硫等元素的循环利用中扮演着关键角色。例如，在土壤环境中，多种微生物相互协作，共同分解有机物，将其中的营养物质释放出来，供植物吸收利用。

4.2共生关系

复合微生物与动植物之间形成了广泛的共生关系。根瘤菌与豆科植物的共生固氮现象是一个典型例子，根瘤菌能够侵入豆科植物的根系，形成根瘤，将空气中的氮气转化为植物可利用的氮素，同时从植物中获取生长所需的碳水化合物等营养物质；肠道微生物群则与动物宿主相互依存，帮助宿主消化食物，合成维生素，抵抗病原体的入侵，维护宿主的健康。

4.3极端环境中的生存

在极端环境，如热泉、深海热液喷口等，复合微生物通过协作适应了高温、高压和强酸等极端条件。在这些环境中，不同微生物之间相互配合，利用各自独特的代谢能力，共同应对恶劣的生存环境，展现出生命的顽强与神奇。

五、复合微生物的应用

5.1农业领域

改善土壤结构，活化土壤：复合微生物能够分解有机残体，形成土壤腐殖质，有效改善土壤结构和理化性状。使土壤变得更加疏松多孔，有利于保水、保肥、通气，为植物根系的生长发育创造良好条件。

修复土壤：针对因过度施肥和不当施肥导致的土壤表层聚盐（次生盐渍化）问题、长期施用单一肥料引发的土壤酸化现象、以及受到环境污染及存在连作障碍的土壤，复合微生物都能发挥显著的修复作用，帮助恢复土壤活力。

促进生长：土壤中的微生物如固氮菌能够将大气中的氮气转化为植物可利用的形式，促进植物的生长。复合微生物中的有益菌群，如芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌等，在代谢过程中会产生大量的植物内源酶，这些酶能够明显提高作物对氮、磷、钾等营养元素的吸收率；某些有益菌还能促进作物根系生长，增加须根数量，提高作物的吸收能力和抗逆性；

提高作物产量和品质：复合微生物能够降低植物体内硝酸盐含量，减少重金属积累，提高果实中维生素C、可溶性糖等营养成分的含量，有效改善果实的口感和品质。微生物技术能够减少农产品的硝酸盐含量的作用机制如下：激活硝酸还原酶，某些微生物菌剂中的有益菌可以激活植物体内的硝酸还原酶，促进硝酸盐向铵态氮的转化，从而减少硝酸盐在植物体内的累积；调节氮素代谢，微生物可以通过改变土壤中的氮素形态和供应速率，使氮素更有效地被作物吸收利用，减少硝酸盐的积累。

增强作物抗病能力：复合微生物中的有益菌群能分泌植物促生物质，增强植物的抗病能力，对土传病害，如抗重茬病、抗枯萎病、黄萎病、根腐病、根结线虫病等，具有良好的生物控制作用；有益菌群在植物根系周围形成优势菌群，通过竞争营养和生存空间，使病原菌难以生存和繁殖，从而保护作物免受病害侵袭。

减少化肥和农药使用，提高肥料利用率：复合微生物能够分解土壤中难溶解的固体磷和固体钾，将其转化为作物可吸收的有效养分，显著提高肥料的利用率；同时，它还能分解土壤和植物体内的农药残留，减轻农药对环境的污染和对作物的毒害。

5.2环境保护领域

污水处理：复合微生物能够高效分解污水中的有机物、氮、磷等污染物，将其转化为无害物质，实现水质的净化。通过微生物的硝化、反硝化作用，以及聚磷菌的摄磷、释磷作用，能够有效地去除废水中的氮、磷等营养物质，防止水体富营养化。

土壤修复：复合微生物具有降解土壤中重金属、石油烃、多环芳烃等有毒有害物质的能力，通过改善土壤结构和理化性状，为植物提供适宜的生长环境，实现土壤修复及生态系统重建。

复合微生物菌剂在生态环境治理上的优势：

1、快速高效：速度快、效果好、持久性强；

2、操作便捷：采用集成式、一体化、模块化、智能化设备，

3、生态安全：自身没有任何有害化学成分，对人畜环境友好安全，无次生污染。

4、性价比高：工程量、一次性成本和运营维护成本低于传统治理方法。

解决哪些问题：

污水治理：河湖治理、黑臭水体、流域治理、养殖尾水、沼液

空气治理：工业废气、养殖异味、VOCs、TVOC、厕所异味、甲醛治理、家居除臭

固废治理：养殖粪污、植物废弃物、生活垃圾、厨余垃圾

土壤治理：盐碱地治理、工业污染、矿山修复

5.3能源领域

生物燃料：某些复合微生物能够通过发酵作用产生氢气，具有燃烧效率高、无污染等优点；利用复合微生物对生物质原料进行发酵或转化，还可以生产生物乙醇和生物柴油等可再生能源。

提高能源利用效率：以微生物燃料电池为例，复合微生物作为催化剂，能够将有机物氧化释放的电子传递给电极，产生电能，提高了能源的利用效率。

5.4食品工业领域

复合微生物在发酵食品领域应用广泛，如酸奶、泡菜和酱油的制作。在制作泡菜时，乳酸菌和酵母菌通过协同发酵，赋予泡菜独特的风味和口感。

5.5健康领域

人类健康：人体内寄生着大量的有益微生物，它们不仅帮助我们消化食物，还参与了人体免疫系统的构建，保护我们免受病原微生物的侵害。

益生菌产品：复合微生物被制成益生菌产品，用于调节肠道菌群平衡，改善肠道健康，增强人体免疫力，预防和缓解各种肠道疾病。

疾病治疗：复合微生物在疾病治疗领域展现出广阔的应用前景。通过调节肠道菌群，可以对代谢性疾病（如肥胖、糖尿病等）进行辅助治疗。

微生物健康产品：无重金属、无防腐剂、无激素。

5.6气候生态

物质循环：微生物是生态系统中主要的分解者，能够将动植物遗体和排泄物中的有机物分解为无机物，供植物再次吸收利用，从而维持了生态系统的物质循环。

影响气候：某些微生物参与了全球碳循环和氮循环，对调节地球气候具有重要作用。例如，海洋中的蓝藻通过光合作用吸收大量的二氧化碳，有助于减缓温室效应。

六、复合微生物肥料

6.1复合微生物肥料的起源

微生物肥料又称生物肥料、接种剂或菌肥，是指以微生物的生命活动为核心，使农作物获得特定肥料效应的一类肥料制品。复合微生物肥料则是在微生物肥料的基础上，通过复配多种微生物、有机物、无机物等成分，形成具有综合肥效的肥料产品。

6.2早期发展

20世纪80年代初期，日本琉球大学的比照嘉夫教授研制出了EM（EffectiveMicroorganisms）菌剂，是最早的复合微生物菌剂之一，由光合细菌、放线菌、乳酸菌等10属80多种微生物复合培养而成。在我国，微生物肥料的研究和生产始于新中国成立之初。然而，在初期阶段，由于行业标准的缺失以及产品质量难以保证，微生物肥料的发展速度相对较为缓慢。

6.3复合微生物肥料的现状与应用

近年来，随着生物技术的不断进步以及人们对环保、可持续农业的重视程度日益提高，复合微生物肥料在我国迎来了快速发展的黄金时期。政府加大了对微生物肥料行业的管理力度，加快地推动了行业的规范化和标准化进程。目前，我国复合微生物肥料市场容量巨大，已成为生物肥料的主力军。其主要应用于蔬菜、水果、果树和水稻等作物，在实际生产中表现出显著的增产、提质、改良土壤等效果。

6.4复合微生物肥料应用效果

提高肥料利用率：复合微生物肥料中的微生物能够分解土壤中的有机物，释放出其中的养分，提高化学肥料的利用率，减少化肥的施用量。

改良土壤结构：微生物在土壤中的活动能够产生大量的多糖类物质和有机酸，这些物质能够与土壤中的矿物质颗粒结合，形成稳定的团聚体结构，疏松土壤，改善土壤理化性质，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，为农作物的生长创造良好的土壤环境。

增强作物抗逆性：微生物能够分泌多种生理活性物质，促进作物的光合作用和新陈代谢活动，提高作物的抗逆性，使作物能够更好地抵御干旱、洪涝、高温、低温、病虫害等逆境胁迫。

减少病虫害发生：复合微生物肥料中的微生物能够抑制或杀死土壤中的有害病菌和虫卵，通过竞争营养、空间和分泌抗菌物质等方式，减少病虫害的发生几率，降低农药的使用量，保障农产品的质量安全，同时减少了农药对环境的污染。

七、未来展望

随着合成生物学、基因组学和代谢组学等前沿技术的飞速发展，人类对微生物的认识将更加深入和全面。未来，微生物科学有望在以下几个重要领域取得重大突破：

1.精准微生物组工程：通过设计和改造微生物群落，实现特定功能。

2.微生物资源的开发与利用：挖掘极端环境中的微生物资源，开发新型生物技术和产品。

3.微生物与人工智能的结合：利用人工智能技术优化微生物群落的设计和应用。

结论：微生物作为地球生命演化的基石，在漫长的地球历史进程中发挥了不可替代的作用，同时也是人类社会实现可持续发展的重要资源宝库。通过深入研究微生物的起源、演化历程及其在自然界和人类社会中的复杂作用机制，人类能够更加科学、合理地利用微生物资源，为解决当今社会面临的诸多挑战提供创新思路和有效方法。未来，微生物科学将继续为人类社会的进步注入新的动力，推动人类文明不断向前发展。复合微生物作为自然界和人工系统中不可或缺的重要组成部分，其丰富的多样性和强大的协同作用，为生态系统的稳定运行和人类技术的创新发展提供了坚实的支撑。不断探究复合微生物的组成、功能和相互作用规律，人类可更好地利用这些微小而强大的生命，解决农业、环境、能源和健康等领域的关键问题。展望未来，复合微生物及其相关产品必将在农业、环保、能源、健康等多个领域发挥更加重要的作用，为实现可持续发展目标作出积极贡献。