Огляд наукової статті “Soil microbiomes and One Health”

“Soil microbiomes and one health” — це наукова стаття, опублікована у 2023 році в журналі Nature Reviews Microbiology. Вона узагальнює знання про мікробні спільноти ґрунту в контексті концепції One Health, яка об’єднує здоров’я людей, тварин і довкілля. Стаття підкреслює роль ґрунтових мікробів у сталості екосистем і біобезпеці.

Основні факти

• Журнал: Nature Reviews Microbiology
• Автори: Samiran Banerjee, Marcel G. A. van der Heijden
• Рік публікації: 2023
• Тематика: екологічна мікробіологія, One Health
• Фокус: взаємозв’язки між ґрунтовими мікробіомами, здоров’ям та зміною клімату
• Посилання на джерело: https://www.nature.com/articles/s41579-022-00779-w

Концепція One Health у контексті ґрунту

Стаття “Soil microbiomes and One Health” присвячена одній із найактуальніших тем сучасної науки — ролі ґрунтових мікробіомів у підтриманні здоров’я людини, тварин, рослин і навколишнього середовища. Автори розглядають ґрунт не лише як основу сільського господарства, а як складну живу систему, від стану якої залежить функціонування всієї біосфери. У роботі використовується концепція Єдине здоров’я  (One Health), згідно з якою здоров’я людей нерозривно пов’язане зі здоров’ям тварин і екосистем. Її основна ідея полягає в тому, що забезпечення здоров’я населення неможливе без збереження екосистем, біорізноманіття та контролю екологічних факторів ризику. Комплексний міждисциплінарний підхід дозволяє ефективніше протидіяти глобальним викликам, таким як пандемії, антибіотикорезистентність і зміни клімату.

Ґрунт є одним із найбільших резервуарів мікробного життя на Землі. У кількох грамах ґрунту можуть міститися мільярди бактерій, грибів, архей, вірусів та інших мікроорганізмів. Саме ці мікробні спільноти забезпечують кругообіг поживних речовин, формування родючості ґрунтів, розкладання органічної речовини та регуляцію кліматичних процесів. Крім того, ґрунтові мікроорганізми впливають на ріст рослин, їхню стійкість до хвороб і навіть на якість продуктів харчування, які споживає людина.

Мікробіоми ґрунту, рослин, тварин і людини тісно взаємопов’язані. Частина мікроорганізмів здатна передаватися через харчові ланцюги, воду, пил або безпосередній контакт із довкіллям. Саме тому деградація ґрунтових екосистем може мати серйозні наслідки для громадського здоров’я. Особливу увагу автори приділяють проблемі антибіотикорезистентності. Ґрунти можуть накопичувати гени стійкості до антибіотиків, які потрапляють у середовище через надмірне використання антибактеріальних препаратів у медицині та тваринництві. Надалі ці гени можуть передаватися патогенним бактеріям, що становить глобальну загрозу для людства.

Антибіотикорезистентність

Антибіотики є основою сучасної медицини, проте щороку понад 700 тисяч людей помирають від інфекцій, спричинених антибіотикорезистентними бактеріями. До 2050 року ця цифра може зрости до 10 мільйонів.

У тваринництві щороку використовуються десятки тонн антибіотиків третього та четвертого поколінь. Значна частина генів антибіотикорезистентності потрапляє у ґрунт через гній та інші відходи.

Гени резистентності можуть зберігатися в ґрунті понад 90 днів після внесення зараженого гною та передаватися овочевим культурам. Водночас ґрунт є природним резервуаром багатьох генів стійкості, які мікроорганізми використовують у конкурентній боротьбі між собою.

У статті також розглядається вплив глобальних змін на ґрунтові мікробіоми. Зміни клімату, посухи, урбанізація, інтенсивне сільське господарство та використання пестицидів призводять до зменшення мікробного різноманіття. Високе біорізноманіття ґрунтових мікроорганізмів забезпечує стійкість екосистем до стресів і пригнічує розвиток патогенів. Натомість збіднення мікробіомів може спричиняти так званий дисбіоз — порушення природної рівноваги мікробних спільнот.

Особливо важливим аспектом сучасних досліджень ґрунтових мікробіомів є використання технологій NGS (Next Generation Sequencing) — секвенування нового покоління. Саме розвиток NGS-технологій зробив можливим детальне вивчення мікробного різноманіття ґрунтів без необхідності культивування мікроорганізмів у лабораторії. Раніше більшість ґрунтових бактерій залишалися невідомими, оскільки їх неможливо було виростити традиційними методами. Секвенування нового покоління дозволило аналізувати генетичний матеріал безпосередньо з ґрунтових зразків і виявляти тисячі видів мікроорганізмів одночасно.

NGS-аналізи є ключовим інструментом метагеноміки — науки, що вивчає сукупність геномів усіх мікроорганізмів певного середовища. За допомогою секвенування 16S rRNA, shotgun-метагеноміки та інших сучасних підходів дослідники можуть:

• визначати таксономічний склад мікробіомів;
• оцінювати мікробне різноманіття;
• виявляти патогени;
• аналізувати функціональні гени;
• досліджувати гени антибіотикорезистентності;
• прогнозувати екосистемні функції ґрунту.

Автори статті наголошують, що майбутнє досліджень ґрунтових мікробіомів нерозривно пов’язане саме з розвитком високопродуктивного секвенування та біоінформатики. NGS-технології дозволяють не лише описувати мікробні спільноти, але й відстежувати зміни мікробіому під впливом клімату, агротехнологій або хімічного забруднення. Це має велике значення для розробки екологічно безпечного землеробства, моніторингу стану екосистем і прогнозування ризиків для здоров’я людини.

Сьогодні NGS-аналізи активно використовуються у дослідженнях ґрунтового здоров’я, біорізноманіття та агроекосистем. Наприклад, shotgun-метагеноміка дозволяє виявляти не лише бактерії, але й гриби, віруси та археї, а також оцінювати функціональний потенціал мікробних спільнот. Завдяки цьому вчені можуть встановлювати зв’язок між складом мікробіому та продуктивністю ґрунтів, стійкістю рослин до патогенів чи ефективністю відновлення деградованих екосистем.

У висновках автори підкреслюють, що охорона ґрунтових мікробіомів є необхідною умовою підтримання глобального здоров’я. Збереження мікробного різноманіття, раціональне використання антибіотиків, зменшення застосування пестицидів та впровадження сучасних молекулярних методів дослідження повинні стати пріоритетами сучасної науки та екологічної політики. Стаття демонструє, що ґрунт є не просто середовищем існування мікроорганізмів, а фундаментальною основою функціонування екосистем і здоров’я людства.

Практичне значення та виклики

Публікація закликає до створення глобальних баз даних ґрунтових мікробіомів, стандартизації методів секвенування й моніторингу. Вона підкреслює необхідність міждисциплінарної співпраці між агрономами, медиками, екологами та політиками, щоб запобігти появі нових зоонозів і деградації довкілля.

Сучасне значення

Ця стаття стала концептуальною віхою, яка розширила підхід One Health до мікробного масштабу. Вона вплинула на подальші дослідження сталого землеробства, біоремедіації й антимікробної резистентності, підкреслюючи, що здоровий ґрунт — фундамент здорової планети.

Мікроорганізми як сполучна ланка компонентів концепції «Єдине здоров’я» та ґрунтові мікробіоми як мікробний резервуар

Мікроорганізми пов’язують здоров’я ґрунту, рослин, тварин і людини, а мікробні спільноти з’єднують різні екосистеми. Ґрунт містить найрізноманітніший і найскладніший мікробіом на Землі, тому може виступати мікробним резервуаром. Основний масив ґрунту, ймовірно, є найбільшим джерелом ендофітної мікробіоти рослин, забезпечуючи понад дві третини бактеріального та грибного різноманіття. Раціони харчування відіграють важливу роль у формуванні складу кишкового мікробіому як людей, так і тварин.

Мікробіота рослин, включно з мікроорганізмами, що спочатку походять із ґрунту, також може потрапляти до кишкового мікробіому людей і тварин. Фермери та сільськогосподарські тварини регулярно контактують із ґрунтом, а люди також вдихають частинки ґрунту, включно з ґрунтовими мікроорганізмами, разом із пилом. Геофагія — це навмисне споживання ґрунту або глини. Вівці, горили, кажани та папуги — лише деякі тварини, які практикують геофагію. Геофагія серед людей також є доволі поширеним явищем.

Ґрунтова мікробіота має прямий і непрямий вплив на здоров’я ґрунту, рослин, тварин і людини. Мікробні угруповання ґрунту забезпечують важливі екосистемні функції, зокрема кругообіг поживних речовин, динаміку органічної речовини, формування структури ґрунту та секвестрацію вуглецю, що є ключовими для підтримання здоров’я ґрунтів і пом’якшення змін клімату.

Такі мікроорганізми, як мікоризні гриби, Trichoderma spp. та Piriformospora spp., сприяють живленню рослин, стимулюють їхній ріст, регулюють гормонт і контролюють стрес. Водночас у ґрунті містяться й численні фітопатогени, зокрема Ralstonia, Rhizoctonia, Fusarium, Phytophthora та Gaeumannomyces, які можуть викликати небезпечні хвороби рослин і тварин.

Різноманітний ґрунтовий мікробіом також впливає на мікробіоту кишечника, здоров’я та поведінку тварин. Водночас ґрунт є джерелом низки захворювань людини, серед яких кокцидіоїдомікоз, грибковий менінгіт, амебна дизентерія та гельмінтози.

Якщо вас цікавлять сучасні підходи до дослідження мікробіому ґрунту та практичне застосування NGS-технологій — будемо раді поділитися досвідом та відповісти на ваші запитання.

Фахівці BioLabTech допоможуть підібрати оптимальні рішення для дослідження ґрунтів, аналізу мікробіому та інтерпретації отриманих даних. Звертайтесь до нас для консультації та детальнішої інформації.