摘要:微生物组工程是一门新兴的交叉学科，通过系统研究和工程化手段，揭示微生物群落的功能、结构及其与环境的相互作用机制，为解决全球性问题提供了重要思路。为了展现微生物组工程领域的最新成果和进展，本刊特组织出版专刊，邀请国内多家单位的专家学者，从基础研究、技术创新及工程应用等多个方面阐述了微生物组工程在工农业生产、生态环境维护、人体健康和疾病治疗中的潜在应用，并展望了未来的发展趋势，为更好推动该领域的创新和助力人类社会的可持续发展提供参考。

摘要:微生物以微生物组或者微生物群落的方式栖居在自然环境或者宿主环境中，这些群落功能多样、蕴藏着改造自然和调控宿主的强大能力，是重要的生物资源，具有巨大的开发潜力，但是天然微生物组的高度复杂性和不可控性以及自然演化和宿主进化的选择性限制了其应用。人工合成微生物组作为组成确定且可调控的“工程微生物组”，具有突破传统菌群局限性的潜能。近年来，人工合成微生物组备受关注，已经成为科学研究和产业发展的热点方向，并且正在尝试应用于环境生物修复、宿主健康管理等各个领域。本文总结了设计人工合成微生物组的3大核心理念，介绍了自上而下、自下而上等人工合成微生物组构建策略，列举了人工合成微生物组在环境、农业、化工和健康领域的潜在应用，最后剖析了目前该研究领域面临的挑战并提出了建议，为未来人工合成微生物组的设计、构建和应用提供了参考。

摘要:中药在预防和治疗疾病、改善机体健康方面发挥重要作用。中药化学组成复杂，调控途径和网络多样，极大阻碍了中药作用机理的阐明。人是由人体细胞与微生物组成的超级“共生体”。肠道菌群作为人体核心共生微生态系统，被称为人体的“第二基因组”和新的“器官”。肠道菌群稳态的变化在整体、系统层面上影响宿主健康和疾病进展。富含多糖、多酚等化学成分的中药可以调节肠道菌群代谢物，通过调控代谢产物及免疫信号介导的“肠-肝轴” “肠-脑轴”等通路防治疾病。本文综述了中药调控肠道菌群代谢产物与改善疾病的因果相关性和作用机制进展，为全面阐明中药治病防病作用机理和基于中药开发创新药物提供了指导和见解。

摘要:鲍曼不动杆菌是一种在医院环境中广泛存在的革兰氏阴性条件致病菌，它能够长期存活并引发包括肺炎、败血症、尿路感染和脑膜炎等在内的多种感染。该菌株具有广泛的耐药性，尤其对碳青霉烯类和多黏菌素等关键抗生素产生抗性，这对重症患者的康复构成了严重威胁。目前，耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌已被世界卫生组织列为抗生素耐药菌优先级研发清单中的“最高优先级”，成为全球公共卫生领域亟待解决的关键问题之一。噬菌体能够特异性感染并裂解细菌，作为一种新兴的生物防治手段，在对抗鲍曼不动杆菌感染方面显示出巨大潜力。本文结合国内鲍曼不动杆菌流行趋势，重点探讨了噬菌体及噬菌体衍生酶在对抗多重耐药鲍曼不动杆菌方面的应用与潜力，为耐药菌感染的噬菌体治疗提供了新的思路和策略。

摘要:肠道是一个复杂的共生系统，肠道菌群与宿主健康密切相关。肠道菌通过产生丰富的代谢物影响宿主的生理功能，这些代谢物作为信号分子和代谢反应的底物在宿主体内发挥作用。肠道菌群失调影响宿主体内菌源代谢物的丰度，通过破坏宿主靶点的信号转导进而影响宿主健康。此外，膳食营养组分也能够塑造肠道菌群，影响菌源代谢水平调控宿主代谢。本文综述了国内外研究成果，重点介绍了菌源代谢物的挖掘方法以及相关的膳食营养干预手段，展望了以菌源代谢物为靶点的代谢性疾病预防与治疗前景，为深入理解肠道菌群在调控宿主代谢中的作用提供了参考。

摘要:尿酸(uric acid, UA)是人体内嘌呤的最终代谢物，若人体内尿酸生成和排泄稳态失调导致血液中尿酸含量升高，将会引起高尿酸血症(hyperuricemia, HUA)。人体约有1/3的尿酸经肠道排泄，而肠道菌群作为肠道内环境的重要组成部分，在调节血液尿酸水平方面发挥重要作用，其组成的变化或失衡与高尿酸血症的发生具有显著关联性，因此肠道菌群有可能成为预防和治疗高尿酸血症的新靶标。本文综述了高尿酸血症的发生机制及危害、高尿酸血症与肠道微生物及其代谢产物的关联，探讨了以肠道微生物为靶点治疗高尿酸血症的分子机制，总结了具有降尿酸作用的益生菌、益生元和传统的单味中药与中药复方，以及粪菌移植、机器学习等前沿技术在高尿酸血症治疗的潜在应用，为高尿酸血症的防治提供了新的思路和参考。

摘要:作为专性侵染细菌和古菌的一类病毒，噬菌体因其极高的丰度与遗传多样性成为地球生态系统的关键调控者，在物质循环、能量流动及生态服务功能中发挥了重要作用。在土壤微生态系统中，噬菌体更被视为微生物组中的“暗物质”，通过精准调控微生物群落结构与功能，维持着土壤-植物系统的生态平衡与健康稳态。近年来，噬菌体相关研究在土壤领域日益增长，但比例依然较低，其主要原因是研究人员对噬菌体微生态研究方法不熟悉、相关技术体系尚未完善以及土壤环境的特殊性。为此，本文从4个方面系统整合了土壤噬菌体研究的关键技术体系：(1) 基于切向流技术的土壤噬菌体富集策略；(2) 整合双层琼脂平板法、荧光显微计数和流式细胞仪的精准定量检测方法；(3) 基于宏基因组、宏病毒组的多组学联合分析技术；(4) 融合机器学习算法与生态进化理论的噬菌体-宿主互作解析框架。在此基础上，提出未来应关注噬菌体资源库构建、RNA噬菌体的挖掘、未知基因功能的解析以及多组学数据的深度整合与互作验证等方面的研究，为土壤噬菌体群落结构解析、功能挖掘及宿主互作机制研究提供系统性的方法与技术支撑。

摘要:微生物反硝化过程是水体氮素去除的主要途径，然而当水体中缺乏微生物可利用的有机物作为电子供体时，反硝化过程往往难以进行。部分反硝化菌可以直接利用太阳光激发半导体矿物质或天然有机质产生的光电子进行反硝化而无需生物可利用有机物作为电子供体，这种微生物光电营养代谢驱动的反硝化过程简称微生物光电反硝化。微生物光电反硝化现象的发现打破了以往对反硝化菌化能异养营养模式的认知，拓宽了反硝化菌的光电能营养代谢新模式及脱氮新路径，对认识和探索太阳光驱动的氮循环过程具有重要意义。本文全面梳理了微生物光电反硝化领域已有的研究报道，系统总结了微生物光电反硝化技术的原理及目前的研究进展，深入分析了该技术存在的问题及面临的挑战，并对该技术未来的研究方向和应用前景进行了展望，为该技术的进一步研究和应用提供了参考。

摘要:糖尿病慢性创面具有难愈性、反复进展性和较高的致残/死亡率等特点，其临床治疗是亟待解决的医学难题之一。因其复杂的局部微环境，如高蛋白酶活性和持续的炎症反应等，使外源性因子(如趋化因子CXCL12)在局部慢性创面的生物利用率非常低，限制了外源性因子在慢性创面的局部应用。本研究利用合成生物学技术原理，以植物乳杆菌WCFS1为底盘菌，旨在开发一种高效的CXCL12递送系统，并评估其在糖尿病慢性创面修复中的作用。采用分子克隆技术将植物乳杆菌内源性分泌信号肽lp_3050和乳酸菌常用分泌信号肽usp45分别与gusA报告基因融合，插入pTRK892-P_32(pgm)质粒中，制备相应的工程菌，并通过GusA酶活分析表征了该菌株的蛋白分泌表达效率。结果表明，与usp45信号肽相比，lp_3050信号肽在植物乳杆菌WCFS1中能高效驱动GusA的分泌表达，其发酵上清中GusA酶活力提高了近5倍。基于此，将lp_3050分泌信号肽与密码子优化后的CXCL12基因进行融合表达，构建了高效分泌表达CXCL12的工程益生菌Lpw-CXCL12，其发酵上清中CXCL12的含量高达(13.40±0.20) μg/mL。随后，在慢性创面小鼠模型中发现Lpw-CXCL12工程益生菌可加速糖尿病慢性创面愈合。本研究构建了一株高效分泌表达趋化因子CXCL12的工程益生菌，并揭示了其在糖尿病慢性创面小鼠模型中的促创面愈合功效，为未来糖尿病慢性创面的治疗提供了新的思路和技术支撑。

摘要:十二烷酰-l-高丝氨酸内酯(N-dodecanoyl-l-homoserine lactone, C12-HSL)是介导细菌群感效应的信号分子，调控细菌群体行为。本研究旨在探究C12-HSL对肠道微生物分离培养的影响，丰富小鼠肠道微生物可培养菌株资源的种类和数量。利用添加C12-HSL的培养基对小鼠肠道内容物进行菌株分离培养，共获得235个分离株，通过16S rRNA基因初步鉴定出54种菌，其中包含1个潜在新科，4个潜在新属，4个潜在新种；与实验室前期建立的小鼠肠道微生物菌株资源库mGMB比较，42个菌种为本研究的新增物种，丰富了菌库的物种多样性；统计分析发现，通过该方法分离获得的革兰氏阴性菌，特别是变形菌门的比例，显著高于未添加C12-HSL的普通分离培养方法。随后，对发现的一个新菌种进行培养实验表明，外源C12-HSL在20–200μmol/L浓度范围内对该菌种生长具有显著促进作用，而高浓度的C12-HSL则显著抑制该菌细胞密度。本研究证实了细菌群感效应分子在特定浓度范围内有助于肠道中革兰氏阴性菌的生长、分离和培养。尽管群感效应信号分子C12-HSL促进肠道菌株生长的机制还有待进一步探究，但本研究的发现为利用细菌群感效应信号分子靶向分离培养和调控肠道菌群提供了新思路。

摘要:作为人体肠道中丰度最高的优势菌属之一，拟杆菌属(Bacteroides)为研究肠道微生物与宿主相互作用提供了重要模型。目前，针对拟杆菌属的CRISPR/Cas基因编辑系统已得到广泛应用，但大尺寸的Cas核酸酶限制了其应用场景。为了针对拟杆菌开发尺寸小又高效的基因编辑工具，本研究开发了针对肠道拟杆菌的小型CRISPR/Cas基因编辑系统，并首先在脆弱拟杆菌中评估了不同系统的编辑能力，包括AsCas12f、CasΦ2和ISDge10。随后评估了AsCas12f在不同拟杆菌中的编辑能力，并进一步优化了该系统的尺寸。结果表明，CRISPR/AsCas12f基因组编辑系统在脆弱拟杆菌中表现出最高的编辑效率。CRISPR/AsCas12f系统在脆弱拟杆菌、多形拟杆菌和普通拟杆菌中均实现了高效的基因组编辑。同时，在同源臂长度为500 bp的修复模板下，其编辑效率仍可以达到94.7%。本研究的结果表明，CRISPR/AsCas12f可作为开发基于拟杆菌的小型基因编辑器及其衍生技术的底盘工具酶，为拟杆菌基因编辑技术的进一步发展奠定了基础。

摘要:肠道菌群与人体健康密切相关，目前已有多种肠道菌群健康指数，以辅助评价肠道菌群乃至人体健康。膳食是调节肠道菌群的主要因素之一，但尚无合适的方法用于评价膳食因子调节效果。为了评估膳食因子对超重人群肠道菌群的调控效果，基于17种膳食因子进行了体外发酵实验，并使用基于主成分分析的肠道菌群健康指数(health index with principal component analysis, hiPCA)构建了膳食因子调控效果评估方法。结果表明，大部分的膳食因子对超重人群肠道菌群具有较好的调节效果。此外，发现低聚半乳糖和葛根多糖是调节超重人群肠道菌群效果最为显著的膳食因子。通过物种对肠道菌群健康指数的贡献分析，发现低聚半乳糖和葛根多糖可能通过调控长真杆菌(Eubacterium dolichum)、唾液乳杆菌(Lactobacillus salivarius)、梭状梭菌(Clostridium clostridioforme)、Clostridium citroniae和毛螺菌科细菌(Lachnospiraceae bacterium) 9_1_43BFAA来抑制与超重相关的细菌活动。此外，低聚半乳糖还可能通过调节毛螺菌科细菌(Lachnospiraceae bacterium) 6_1_63FAA，进一步加强对这些活动的抑制作用，进而降低超重人群的肠道健康风险。本研究基于肠道菌群健康指数对膳食因子进行菌群健康评价，并基于模型具体解析不同膳食因子在调节超重人群肠道菌群的作用，为改善人群肠道菌群健康提供了新的思路和方法，在精准营养领域具有潜在应用前景。

摘要:产毒素大肠杆菌(enterotoxigenic Escherichia coli, ETEC)感染是制约畜牧业发展的一大因素。然而，抗生素的滥用势必引发细菌耐药与药物残留问题，且现有疫苗难以有效激发肠道免疫，预防效果不佳。因此需要开发一种安全的、能激活肠道免疫、适宜作为饲料添加剂的新型疫苗。本研究旨在通过基因工程技术，构建携带ETEC DNA疫苗的酵母菌体微胶囊(yeast-cell microcapsules, YCM)，并通过动物实验探究饲喂YCM对动物肠道免疫系统的调节作用及其对肠道菌群的潜在影响。选用酿酒酵母菌体作为DNA疫苗的口服递送载体—“微胶囊”，合成密码子哺乳动物源优化的ETEC主要抗原K88核酸序列，利用重组DNA技术构建含有相应DNA疫苗表达盒的酵母穿梭载体，转化酿酒酵母菌株JMY1制备相应的YCM重组菌株。进一步通过荧光报告实验、胃肠液耐受实验、肠上皮细胞黏附实验、肠道滞留性评估、抗血清检测和肠道菌群检测等一系列的实验检测全面评估了YCM菌株的特性及作为口服疫苗的可行性。实验结果显示，DNA疫苗表达盒能够在哺乳动物中有效表达，YCM重组菌能够耐受长达8 h的胃肠液消化，并对肠上皮细胞具有良好的黏附力。小鼠饲喂实验结果表明，YCM重组菌能够在肠道内滞留至少2周，且其所携带的DNA疫苗表达盒能够进入肠道免疫系统并引发免疫反应，诱导产生特异性抗体。此外，饲喂YCM重组菌还能改善小鼠肠道菌群丰度，在调节肠道菌群方面展现了积极作用。综上所述，本研究制备了携带ETEC DNA疫苗的YCM重组菌株，全面评估了其作为口服疫苗的特性及可行性，确认了饲喂YCM重组菌能够诱导特异性免疫反应并调节肠道菌群，为ETEC相关动物疾病的免疫预防提供了参考和借鉴。

摘要:聚乙烯(polyethylene, PE)因其优异的性能被广泛应用。然而，废弃聚乙烯的不合理处置造成严重的环境污染。聚乙烯微生物降解是一种低碳、环保的高效同级回收利用方法，利用微生物降解技术处理聚乙烯废弃物成为当前研究的热点之一。采用富集培养方法从垃圾填埋场废弃塑料中筛选出一株PE降解菌株ETX1, 初步鉴定该菌为赖氨酸杆菌(Lysinibacillus sp.)。菌株ETX1孵育PE粉末20 d后，粉末减重29.41%；傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)显示粉末出现羰基、羟基等特殊吸收峰，证实ETX1具有PE降解效果；通过PE膜片质量损失、FTIR、扫描电镜(scanning electron microscopy, SEM)、接触角(contact angle, CA)表征其降解效果，结果显示ETX1在120 d内能使膜片减重达5.23%，膜片结构遭到破坏，膜表面侵蚀形成孔洞，亲水性增强，并且出现更强的羰基吸收峰。PE降解菌株ETX1的发现，不仅丰富了PE塑料降解菌株资源，也为挖掘高效PE降解元件、获得降解酶，以及解析相关降解途径等奠定了基础。

摘要:小型城市湿地分布广泛，易受人类活动的影响，是重要的碳源和碳汇。微生物在碳循环中起重要驱动作用，但目前对小型城市湿地中原核生物多样性及其在固碳和碳代谢中的作用研究较少。为深入了解小型城市湿地中微生物驱动的碳循环过程，解析微生物群落和相关功能类群的组成，本研究系统分析了湖州市3处小型湿地微生物组的组成、元素代谢途径及与生境理化性质的联系，并与若尔盖高原自然湿地进行了比较。基于16S rRNA基因扩增子和宏基因组测序分析了物种及功能组成，组装出60个中高质量的基因组(metagenome-assembled genomes, MAGs)，包括55个细菌和5个古菌物种，分析了其在2种类型湿地中的分布情况和推动元素循环的功能潜力，尤其关注了固碳途径。发现数种细菌的基因组几乎编码了完整的卡尔文循环、还原三羧酸循环、还原乙酰辅酶A途径以及还原型甘氨酸途径，其中包括隶属于Syntrophorhabdus属(脱硫杆菌门)和UBA4417属(拟杆菌门)的潜在的新型固碳细菌，且这些菌种在湿地微生物组中具有相对较高的丰度。揭示这些功能类群推动元素循环的基因潜力，对增强小型城市湿地的碳汇功能具有重要的科学意义。

摘要:本研究旨在将餐厨固废和腐熟牛粪等分别与脱硫石膏、煤矸石、麦饭石复配造粒成3种土壤调理剂，在赤霞珠(Cabernet Sauvignon)盐渍化种植地开展田间试验，分析其对根际细菌群落的影响，以期为土壤改良和修复提供科学依据。试验设T1 (对照)、T2 (常规施肥)、T3 (化肥减施+有机质型含钙土壤调理剂)、T4 (化肥减施+有机质型含硅土壤调理剂)、T5 (化肥减施+有机质型含镁土壤调理剂)处理，重复3次。结果表明土壤调理剂处理显著改善了葡萄根际营养与产量和品质(P<0.05)，根际变形菌门(Proteobacteria)相对丰度增加17.32%–23.37%，未知细菌类群(unidentified_Bacteria)和酸杆菌门(Acidobacteriota)相对丰度分别减少4.22%–28.42%和20.88%–35.81%，细菌群落物种构成和多样性存在差异。功能分析显示土壤调理剂处理根际细菌群落染色体和相关蛋白、mRNA生物合成、乙醛酸和二羧酸酯代谢等主要功能基因上调。关联分析表明根际多种环境因子影响细菌群落α多样性，细菌群落物种与葡萄产量及其品质密切关联。土壤调理剂能有效改善根际营养水平和细菌群落结构与功能，T5处理的根际理化和生物学性状以及葡萄产量和品质优于其他处理，具有一定的应用前景，为新型土壤调理剂的开发提供了重要依据。

摘要:生活垃圾填埋场中，植被调控根际细菌群落结构和特征代谢是强化氯苯(chlorobenzene, CB)生物降解的关键。为系统解析不同植被对根际细菌群落结构和代谢特征的调控机制，本研究利用生物多样性和代谢组学技术考察了不同植被调控下的覆盖土甲烷(methane, CH₄)氧化和CB降解能力、细菌群落结构和代谢特征差异。结果显示，酸模(Rumex acetosa)根际土壤表现出最强的CH₄氧化和CB降解能力，分别为0.08 g/(kg·h)和1.72×10^–6 g/(L·h)，其次是苋(Amaranthus spinosus L.)，构树(Broussonetia papyrifera)根际土壤活性最弱。酸模诱导甲基嗜热菌属(Methylocaldum)在根际定殖，并通过根系分泌物如三乙胺、N-甲基苯胺等小分子有机胺促进三羧酸循环和烟碱代谢，从而显著增强菌株活性，提高CH₄和CB降解效率。构树根系分泌的肉桂酸及其衍生物作为自毒素，抑制微生物活性，并加剧盐胁迫对甲烷氧化菌等关键微生物的负面影响。本研究深入剖析了填埋场覆盖层中典型植被对细菌生态功能的调控机制，为植物-微生物联合控制填埋气污染提供了理论依据和实践指导。

摘要:基于异养硝化-好氧反硝化菌的生物脱氮技术可有效去除污水中的氮素，但随着废水盐度增加，生物脱氮效率急剧下降。为解决高盐废水生物脱氮难题，从我国新疆盐湖筛选出一株耐盐的异养硝化-好氧反硝化菌5505菌株，通过菌落特征观察、生理生化特征和细菌16S rRNA基因序列分析，并以NH₄⁺-N、NO₃^–-N和NO₂^–-N为单一或混合氮源开展单因素实验，研究菌株的硝化、反硝化性能及氮代谢途径。结果表明，菌株5505为盐单胞菌(Halomonas sp.)，在NaCl浓度为1%–25% (质量体积分数)范围内可正常生长，在3%–8%范围内可高效发挥除氮功能，在最适浓度8%条件下，对NH₄⁺-N、NO₃^–-N和NO₂^–-N去除率分别为100.0%、94.11%和74.43%。氮平衡分析发现，菌株5505的氮去除主要通过同化作用，最高可占去除量的62.68%，在多氮源共存时，优先利用氨氮，推测其脱氮路径为NH₄⁺→NH₂OH→NO₂^–→NO₃^–→NO₂^–→NO/N₂O/N₂。本研究为高盐含氮废水的生物净化提供了高效的耐盐菌种资源，对丰富生物脱氮理论及提高污水处理厂脱氮性能具有重要意义。

摘要:氯苯类污染物(chlorobenzenes, CBs)对生态环境造成严重威胁，功能菌株在该类污染场地修复中具有重要应用潜力。为深入解析功能菌在CBs原位生物修复中的应用潜力，本研究基于已分离的粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens) TF-1，开展了土壤中氯苯(chlorobenzene, CB)和1,2-二氯苯(1, 2-dichlorobenzene, 1,2-DCB)生物转化特性和降解动力学研究，并应用该菌株进行了化工污染场地原位修复试验。批次血清瓶实验结果表明，污染物浓度为20–200 mg/L时，TF-1对CB的降解速率为0.22–0.66 mol/(g_cell·h)，降解过程符合Haldane模型，最佳活性浓度为23.12 mg/L。实验室模拟污染土壤降解结果显示，TF-1与琥珀酸钠(sodium succinate, SS)联合应用可显著提高CBs的降解效果，CB的降解速率常数最高为0.104 d^–1，半衰期为6.66 d；1,2-DCB的降解速率常数最高为0.068 7 d^–1，半衰期为10.087 d。化工污染场地原位修复结果显示，注入菌剂和SS对CBs污染物去除效果显著，10 d后去除率达到84.2%–100%，CB、1,4-二氯苯(1,4-dichlorobenzene, 1,4-DCB)和苯并[a]芘均被完全去除。微生物多样性分析表明原位修复实现了TF-1定殖和土著微生物固氮弧菌属(Azoarcus)的富集，Azoarcus可能在降解中发挥关键作用。本研究为氯苯类污染场地的原位生物修复提供了理论依据和实践经验。

摘要:

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