微生物广泛存在于自然界的各种环境，包括土壤、水体、大气等，与人体、动植物等宿主共生，在自然界的物质循环和能量转换、维持生态系统稳定性中发挥着不可替代的作用，同时还与宿主健康和疾病有着密切的关系并发挥重要作用。微生物组是一个生态系统中在结构或者功能上有关联的全部微生物组总和^[1]。微生物组研究的发展可以追溯到20世纪中叶，但直到21世纪初，随着DNA测序技术和人工智能大数据处理能力的增强以及医学和微生物生态学的进步，尤其是这些技术和学科领域的交叉融合，“微生物组学”这一概念才逐渐明确并得到广泛认可^[1-2]。微生物组学通过研究微生物群落的组成、结构与功能，及其与宿主和环境的互作，为理解生命和生态系统的复杂性和基本原理提供了全新的视角。

在这一背景下，微生物组工程应运而生，它将微生物组学的研究成果与工程学的原理相结合，致力于对微生物群落的功能进行系统性设计、优化和应用。微生物组工程的目标一方面是揭示微生物群落的内在规律，更重要的另一方面是通过工程化手段实现其功能的定向调控，从而满足人类社会在人体健康维护、环境质量提升、工农业可持续发展、医疗技术和理念的创新等方面的需求。

微生物组工程的研究涉及多个学科领域，包括生物学、基础和临床医学、物理化学、工程学、计算机科学等，其研究内容涵盖了基础理论、技术创新及实际应用多个层面^{[1, 3]}。近年来，随着多学科的交叉融合和新型技术的不断涌现，微生物组工程领域取得了显著的研究进展。在农业方面，通过调控土壤微生物群落的组成和功能，提高作物的抗病能力和养分利用效率，为农业可持续发展提供了新思路；在环境修复方面，利用功能微生物群落修复重金属污染土壤和净化工业废水，为环境污染治理提供了高效解决方案；在工业生产方面，通过工程化设计微生物群落的代谢网络，实现对工业原料的高效转化和产物的精准合成，推动了绿色工业的发展；在医学治疗方面，基于微生物组工程的新型治疗策略，如肠道微生物群落的调控干预，为治疗代谢性疾病和免疫相关疾病提供了新途径。

为了展现微生物组工程领域的最新成果和进展，本刊特组织专家学者撰稿，出版“微生物组工程专刊”。专刊收录18篇文章，内容包括基础研究、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^[3-5]、生态环境保护^[6-10]和健康维护与疾病治疗^[10-19]中的实际应用与潜力，并展望了未来的发展趋势，以更好地推动该领域的创新和助力人类社会的可持续发展。

赵晞泽等总结了人工合成微生物组的理性设计理念与构建，展望了包括工农业生产在内的多领域的潜在应用前景^[3]。人工合成微生物组通过改善土壤结构、养分循环和病原抑制，显著提升作物产量和抗逆性。例如，通过理性设计和精准构建的微生物组可以降解土壤中的多环芳烃、杀虫剂等污染物，从而改善土壤质量，为农作物提供更健康的生长环境。人工合成微生物组还可以通过调节植物根际微生物群落，增强植物对病原菌的抵抗力，减少农药的使用，从而实现绿色农业的目标；在工业上，人工合成微生物组可以用于化学品(如乙醇、丁醇)、生物燃料和天然产物(如花青素、白藜芦醇)的合成。通过理性设计和精准构建，可以优化微生物组的代谢途径，提高生产效率和产物质量。例如，构建特定的微生物群落可以实现高效的生物转化过程，将廉价的底物转化为高附加值的产品，降低生产成本，提高工业生产的可持续性。陈尚洁等研究表明，填埋场覆盖层植被根际细菌群落结构和代谢特征可以通过根系分泌物进行调控，从而强化氯苯等污染物的生物降解；例如，酸模通过分泌小分子有机酸促进根际细菌的代谢活动，提高污染治理能力^[4]。王孝芳等总结了土壤噬菌体微生态研究方法进展与挑战，提出了基于切向流技术的噬菌体富集策略、多组学联合分析技术等；噬菌体可以作为生物控制剂，用于调节土壤中的病原菌数量，减少农药的使用，从而实现环境友好型的污染治理和生态修复，通过精准调控微生物群落结构与功能，维持土壤-植物系统的生态平衡^[5]。

林明海等研究分析了小型城市湿地微生物组及其固碳基因潜力，发现小型城市湿地中的微生物在碳循环中起重要作用，某些细菌几乎编码了完整的固碳途径，如卡尔文循环、还原三羧酸循环等；这些微生物可以作为潜在的固碳工具，用于增强城市湿地的碳汇功能，对抗气候变化^[6]。王玉威等筛选出一株高效的聚乙烯降解细菌——赖氨酸杆菌ETX1菌株，该菌株在120 d内可使聚乙烯膜片减重5.23%^[7]。这一发现为解决塑料污染问题提供了新的思路，利用微生物降解技术可以实现塑料废弃物的高效处理。苟芳等研究表明，粘质沙雷氏菌TF-1能够高效降解氯苯和1, 2-二氯苯等污染物，且在化工污染场地的原位修复中表现出显著的效果；通过注入菌剂和营养物质，可以实现污染物的高效去除，为污染场地的修复提供了有效的技术手段^[8]。谢卓斌等研究了中度嗜盐菌的异养硝化-好氧反硝化特性^[9]。田振军等总结了微生物光电反硝化技术的研究进展，微生物光电反硝化是一种新兴的脱氮技术，部分反硝化菌可以直接利用太阳光激发的光电子进行反硝化，无需额外的有机物作为电子供体^[10]。这些技术为水体氮素去除提供了新的途径，具有绿色低碳的特点，有望在工业废水处理中得到广泛应用。

在健康和医疗等医学领域，微生物组工程的应用具有重要价值。目前，通过靶向清除耐药菌或递送药物，开发高效的肠道菌群基因编辑工具，能够用于调控肠道微生物组，治疗代谢性疾病和改善宿主健康。这些应用能够实现对疾病的个性化治疗，提高治疗效果。李胜杰等构建了一株能够高效分泌趋化因子CXCL12的工程益生菌Lpw-CXCL12，并在糖尿病慢性创面小鼠模型中验证了其促愈合功效^[13]。该研究为糖尿病慢性创面的治疗提供了一种新的思路和技术支撑，展示了工程益生菌在药物递送和慢性创面修复中的潜在应用价值。杨德仪等总结了中药通过调节肠道菌群代谢产物，可以干预多种疾病的发生和发展；例如，富含多糖、多酚等化学成分的中药可以调节“肠-肝轴”“肠-脑轴”，改善疾病状态^[16]。这些研究为开发基于中药的创新药物提供了理论依据，也为中医药的现代化和国际化提供了支持。张书娟等研究表明，肠道菌群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；通过调节肠道菌群，如使用益生菌、益生元或粪菌移植等方法，可以为高尿酸血症的治疗提供新的思路和参考^[17]。詹怡雯等研究开发了一种针对肠道拟杆菌的小型CRISPR/ AsCas12f基因编辑系统，并在多种拟杆菌中实现了高效的基因组编辑^[12]。该系统为拟杆菌的功能研究和代谢工程提供了重要的技术手段，也为开发基于肠道微生物的新型治疗方法奠定了基础。吴佳等总结了噬菌体作为一种新兴的生物防治手段，在对抗多重耐药鲍曼不动杆菌感染方面显示出巨大潜力，针对鲍曼不动杆菌的噬菌体裂解酶可以用于开发局部或全身性抗菌治疗药物，为耐药菌感染的治疗提供新的策略^[19]。

尽管微生物组工程取得了显著的研究进展，但该领域仍面临诸多挑战和科学难题。例如：(1) 微生物群落的动态调控机制尚不完全清晰。目前对微生物群落的组成、功能及其调控机制的理解仍然有限，尤其是在复杂环境条件下的动态变化机制。(2) 工程化工具和方法的开发仍需改进。尽管已有多种微生物组工程工具和技术被提出，但其精确性和效率仍需进一步提升。(3) 实际应用中的安全性和成本问题需要解决。微生物组工程在实际应用中可能面临安全风险和成本过高等问题，如何平衡技术的创新性和实用性仍是研究的重点。此外，微生物组工程的发展还需要加强跨学科的合作，推动基础研究与工程应用的紧密结合，同时在研究方法的标准化和数据共享机制的建设方面也需要进一步努力。只有解决这些关键问题，微生物组工程才能实现更大的突破和更广泛的应用。

通过本专刊的出版，希望能够为微生物组工程的研究与应用提供一个交流与合作的平台，促进该领域的学术进步和技术创新。相信在全球科研工作者的共同努力下，微生物组工程将继续突破科学和技术的边界，为人类社会的可持续发展作出更大的贡献。最后，限于编者水平，本专刊内容上或多或少仍然会存在一些问题，希望各位同行和广大读者进一步批评指正。