Способствует ли почва микробиому кишечника человека?

Способствует ли почва микробиому кишечника человека?

Микробиота в нашей окружающей среде влияет на микробиом кишечника человека через контакт с почвой

Резюме:

Почва и кишечник человека содержат примерно одинаковое количество активных микроорганизмов, в то время как разнообразие микробиома кишечника человека составляет всего 10% по сравнению с биоразнообразием почвы и резко сократилось с современным образом жизни. Мы отслеживали отношения между микробиомом почвы и кишечным микробиомом человека. Мы предлагаем новую гипотезу о микробиоме окружающей среды, которая подразумевает, что тесная связь между микробиомом почвы и кишечным микробиомом человека развивалась в процессе эволюции и продолжает развиваться. От охотников-собирателей до урбанизированного общества человеческая кишка потеряла Альфа-разнообразие. Интересно отметить, что бета-разнообразие возросло, что означает, что люди в городских районах имеют более дифференцированные индивидуальные микробиомы. Помимо недостаточного контакта с почвой и фекалиями, гигиенические меры, антибиотики и низкокалорийный рацион обработанных пищевых продуктов привели к потере полезных микробов. В то же время потеря биоразнообразия почв наблюдается во многих сельских районах. Растущее использование агрохимикатов, низкое биоразнообразие растений и строгие методы управления почвой негативно влияют на биоразнообразие эпифитов и эндофитов сельскохозяйственных культур. Эти события согласуются с увеличением количества заболеваний, связанных с образом жизни, связанными с кишечным микробиомом человека. Мы указываем на вмешательство в микробный цикл городской среды обитания человека по сравнению с доиндустриальной сельской средой. Чтобы исправить эти помехи, может быть полезно принять другую перспективу и рассматривать кишечный микробиом человека, а также почвенный/корневой микробиом как "суперорганизмы", которые при тесном контакте пополняют друг друга инокулянтами, генами и молекулами, поддерживающими рост.

1. Введение

Большое разнообразие микробиоты в почве влияет на ее микробную экологию, включая ее первичную продуктивность и круговорот питательных веществ. Кроме того, почва является частью среды обитания людей, обеспечивая пространство для жизни, отдыха и производства продуктов питания [1]. С раннего детства мы находимся в контакте с почвой; мы пробуем, вдыхаем и пьем воду, которая прошла через почву. Кроме того, мы едим растения, выращенные на почвах вместе с почвенной микробиотой. С предыстории люди также охотно потребляли почвы в качестве дополнения к своей бедной питательными веществами местной диете, что называлось “геофагией”. Они использовали определенные почвы в качестве детоксицирующих агентов, необходимых для того, чтобы сделать определенные пищевые продукты съедобными, и в медицинских целях, как правило, в качестве лечения желудочно-кишечных заболеваний [2]

Между тем, микробиом человека стал основной областью биомедицинских исследований, особенно кишечного микробного сообщества, которое играет важную роль в здоровье и заболевании человека [3]. Кишечная среда подвержена постоянному притоку микробных колонизаторов [4]. Тем не менее, каждый человек имеет отдельный микробиом, который может быть легко дифференцирован на основе его резидентных микробов. Транзитные бактерии, связанные с диетой, могут способствовать метаболизму кишечника [5]. Микробное сообщество кишечника очень динамично и состоит из автохтонных и аллохтонных членов (которые поглощаются с пищей и водой, а также при непосредственном контакте с окружающей средой/почвой, в которой они живут [6,7]).

С учетом функционального сходства между кишечным микробным сообществом и почвенной микробной экосистемой представляется возможной взаимосвязь между ними. Рассматривая всю экологическую систему, организм человека и его микробы можно рассматривать как расширенный геном [8].

Поэтому возникает вопрос: «В какой степени существуют отношения между обеими системами, например, в результате воздействия на человека различных почвенных микробиологических сред?». Поскольку человеческая деятельность меняет распределение и численность почвенных микроорганизмов, например, в результате использования сельскохозяйственных земель [9], результирующие изменения в микробных экосистемах могут влиять не только на биогеохимические циклы, но и на здоровье человека. Это привело нас к новой концепции микробиома окружающей среды в качестве потенциального объяснения взаимосвязей между здоровьем человека и почвенной средой. Далее мы рассмотрим потенциальную связь между почвой и кишечным микробиомом человека.

В этом контексте мы обсуждаем микробиом почвы и его потенциальную связь с (человеческим) кишечным микробиомом и оцениваем возможную взаимосвязь кишечного микробиома человека и почвенного микробиома.

2. Сложная связь между микробиомом почвы и кишечным микробиомом человека.

С момента начала проекта микробиома человека в 2007 году (Human Microbiome Project), направленного на секвенирование всех микробов (эукариот, архей, бактерий, вирусов), населяющих участки человеческого тела, проект микробиома человека превратился в крупную область биомедицинских исследований, сосредоточенных главным образом на кишечном микробном сообществе, которое играет важную роль в здоровье и заболеваниях человека [3,10]. Кишечное микробное сообщество представляет собой экосистему из триллиона микробных клеток с совокупностью 9,9 миллиона микробных генов в фекальном микробиоме [11]. Наибольшее количество клеток в кишечнике человека находится в толстой кишке, которая поддерживает разнообразную и плотную популяцию микробов, в которой преобладают анаэробы, использующие углеводы [12]. Для сравнения, наименьшее количество клеток, обнаруженных в тонкой кишке (таблица 1), обусловлено свойствами, которые ограничивают размножение бактерий, такими как высокий уровень кислот и противомикробных препаратов [12]. Кроме того, короткие времена транзита в тонкой кишке ограничивают размножение бактерий [13]. Колонизация кишечника человека начинается с рождения с быстрым расширением микробного разнообразия, на которое влияют эндогенные и экзогенные факторы [3], такие как генетические изменения человека, а также диета, инфекции, ксенобиотики и воздействие микробных агентов окружающей среды, включая крупный растительный и почвенный микробиом [3]. Что касается многочисленных и разнообразных функций кишечного микробиома в здоровье человека, очевидно, что он также вовлечен в многочисленные желудочно-кишечные и не желудочно-кишечные заболевания, такие как ожирение/метаболический синдром, атеросклероз/сердечно-сосудистые заболевания, неврологические/психические заболевания и др. [3]. Поэтому это одна из наиболее динамичных тем в биомедицинских исследованиях [3]. Кроме того, значительные достижения последних лет обеспечивают расширение индивидуальных диагностических, профилактических и терапевтических возможностей для пациентов с наследственными или приобретенными злокачественными или незлокачественными заболеваниями, поскольку индивидуальное микробное сообщество является центральным для взаимодействия между микробами и хозяевами и участвует в большом количестве нормальных биологических/физиологических процессов [3]. В целом можно констатировать, что в последние годы микробиом кишечника человека стал одним из наиболее динамичных направлений биомедицинских исследований и обладает огромным потенциалом для проведения вмешательств, касающихся здоровья и заболеваний человека [3].

Таблица 1. Количество микробных клеток, содержащихся в пробах окружающей среды / человека, таких как почва, сточные воды и кишечник человека.

Ввиду того факта, что филогенетически люди развивались в тесном контакте с почвой в качестве их физической основы для жизни, обеспечения кровом, водой и пищей для повседневной жизни, возникает вопрос о том, влияет ли микробиом почвы как экзогенный параметр на развитие кишечного микробиома человека. Почвы существовали во всем мире задолго до появления млекопитающих и гоминидов и, безусловно, являются самым обширным естественным резервуаром микробных генов на земле [14].

С 2010 года Проект «Микробиом Земли» сосредоточился на этом генном резервуаре. Это основная совместная попытка охарактеризовать микробную жизнь на этой планете с помощью секвенирования ДНК и масс-спектрометрии образцов из краудсорсинга для понимания закономерностей микробной экологии в микробиомах и средах обитания Земли [15,16].

В пересчете на грамм, кишечник, в частности, толстая кишка, имеет самую высокую концентрацию клеток из всех биомов, перечисленных в таблице 1 [17,18]. Учитывая разнообразие этих мест обитания, предполагаемое количество видов на грамм позволяет предположить, что в почвах обитают самые разнообразные популяции любой среды с несколькими тысячами видов (Таблица 1) [17]. По сравнению с почвой, количество видов в фекалиях человека примерно в 10 раз ниже (Таблица 1). Однако в почвах большая часть клеток (~ 80%) неактивна по сравнению с кишечником человека, где только приблизительно 20% клеток находятся в состоянии покоя [19]. Учитывая состояние покоя клеток, общее количество активных видов в кишечнике человека и почве может быть сопоставимым.

Основными факторами, которые предположительно определяют кишечный микробиом человека, являются (I) генетика и метаболизм хозяина (наследие), (II) образ жизни (окружающая среда), в частности, и (III) диета и пищевые привычки [12,20,21].

3. Микробиом кишечника человека - его развитие и эволюция

Микробное разнообразие в кишечнике человека представляет собой коэволюцию между микробными сообществами и их хозяевами [30]. «Древние» микробы развивались симбиотически или комменсально с людьми и, скорее всего, полезны, а не патогенны [31,32].

Чтобы идентифицировать эволюционную историю биосферы, крайне важно исследовать микробиом различных хозяев и мест обитания. Кишечные микробные сообщества человека больше похожи друг на друга, чем сообщества других видов млекопитающих [30]. Когда млекопитающие классифицируются как травоядные, всеядные и плотоядные животные, их микробиота распределяется в группы, которые соответствуют этим категориям. Тем не менее, сильным предиктором состава и функциональности кишечной микробиоты также является физиология кишечника. Микробиоты кишечника травоядных животных различаются в зависимости от того, были ли они ферментерами задней или передней кишки [30].

Интересно, что микробиомы кишечника нескольких линий млекопитающих расходились примерно с одинаковой скоростью за последние 75 миллионов лет [4]; вопреки ожиданиям, количество пищевых переходов в пределах линии не влияет на скорость расхождения микробиома, но вместо этого некоторые из наиболее драматических изменений связаны с потерей бактериальных таксонов, таких как те, которые сопровождают переход от наземной к морской жизни [4] и, следовательно, потерю контакта с почвой. Другим драматическим и довольно недавним изменением было ускорение расхождения между людьми и другими приматами из-за массивной потери бактерий в человеческой линии [33]. Питание / диета имели первостепенное значение для картины кластеризации у приматов [33]. Сообщества кишечника человека, по-видимому, сопоставимы с сообществами других всеядных и наиболее тесно связаны с шимпанзе бонобо или пигмеями, чья диета включает фрукты [30]. Таким образом, основываясь на сравнительных измерениях микробиоты кишечника человека и одних приматов, человеческий вид можно рассматривать как вид неспецифических плотоядных животных, чья гибкая диета включает семена и мясо в зависимости от наличия. Другие гоминиды (Великие Обезьяны), рацион которых состоит в основном из растений, по-видимому, находятся в промежуточном положении между всеядными приматами и травоядными, не являющимися приматами [30]. В то время как большинство насекомых содержат в кишечнике только десятки видов микробов, кишки млекопитающих содержат тысячи видов [5]. Травоядные кишки обладают высоким бактериальным разнообразием [5], включая даже ассоциированные с растениями виды, такие как эндофиты [34]. Поскольку эндофиты находятся внутри растительных тканей, они могут пережить желудочное пищеварение.

Микробная популяция кишечника человека происходит от предков, индивидуально от матери посредством вертикальной передачи во время беременности, во время родов и после рождения посредством контакта с участками материнского тела, с наибольшим вкладом материнской кишки [35]. В течение первых трех лет жизни филогенетический состав кишечных бактерий эволюционирует в сообщество, подобное взрослому, независимо от географического района [36]. Матери являются источником передачи микробов и кишечной колонизации во время и после рождения. На этот процесс влияют главным образом способ рождения (вагинальное и кесарево сечение) и кормление ребенка (грудное вскармливание по сравнению с детским питанием). С увеличением возраста микробиота кишечника развивается подобно другим членам семьи — из-за общих домашних хозяйств окружающая среда, по-видимому, является более сильным предиктором, чем генетика хозяина [36].

Изменения в кормовом поведении и рационе ранних видов гомо также включали взаимодействие между членами семьи, но по-другому. В "бабушкиной гипотезе" [37] поиск пищи и совместное использование так называемых "подземных хранилищ" (корней растений, луковиц и клубней) старшими самками приобрело важное значение после климатических изменений в среде обитания и трансформировало биологию, экологию и общества гомо [38]. В соответствии с этой гипотезой, которая подтверждается исследованиями изотопов [37], пожилые женщины, добывающие корм для клубней, были важны для питания детей, что способствовало повышению репродуктивной способности [37]. Важная роль подземных корней, луковиц и клубней, о которых сообщается в рационе ранних видов гомо, все еще наблюдается в танзанийской популяции традиционных фуражиров, населяющих засушливые саванновые леса [37]. Это подразумевает проглатывание почвы и возможные ее положительные последствия [37].

Предполагается, что диетическое потребление оказывает более сильное влияние на микробный состав кишечника, чем генетика хозяина [39]. Микробиота желудочно-кишечного тракта может даже влиять на гены хозяина, регулируя тем самым расход и накопление энергии [39]. Эти результаты также подтверждаются крупномасштабным исследованием микробиоты кишечника у более 1000 здоровых людей, которое не выявило сходства среди родственников, не проживающих в домашнем хозяйстве [40], в то время как генетически не связанные между собой люди, живущие в домашнем хозяйстве, показали значительное сходство. Результаты показывают, что генетика хозяина играет незначительную роль в формировании микробного сообщества кишечника с общей наследуемостью микробиома ниже 8%. Таким образом, состав кишечного сообщества должен быть преимущественно сформирован негенетическими факторами [40], связанными с окружающей средой, включая образ жизни и диету.

Важность окружающей среды также подтверждается тем фактом, что с увеличением возраста различия между индивидуумами уменьшались [36]. Кроме того, стало очевидным явное различие в филогенетическом составе кишечного микробиома из разных регионов, с самым низким бактериальным разнообразием у городских жителей США по сравнению с сельским населением индейцев и малавийцев [36]. Наибольшее разнообразие бактерий и генетических функций, когда-либо зарегистрированных в человеческой группе, было обнаружено в отдаленной изолированной популяции охотников-собирателей в джунглях Амазонки [41]. Исходя из вышеизложенного, мы заключаем, что краткосрочные, а также долгосрочные изменения микробиома происходят как на индивидуальном уровне, так и на уровне сообщества, и контакт с почвой играет роль в обоих масштабах.

4. Микробиом кишечника человека и окружающая среда - образ жизни

Среда обитания городских жителей демонстрирует более низкое природное биоразнообразие и подверженность воздействию микробов окружающей среды [42]. Потеря контакта с естественной полезной микробиотой, связанной с окружающей средой, косвенно влияет на микробиом кишечника человека и может иметь негативные последствия для здоровья человека [43]. Наши предки находились в тесном контакте с почвой из-за своего образа жизни, то есть занимались земледелием и животноводством. Исследовательские документы показывают, что дети, сталкивающиеся с ранним контактом с менее гигиеничной средой, такой как уличные условия и фермы, менее подвержены развитию аутоиммунных заболеваний [44]. Это подтверждается «гигиеническими гипотезами», которые предполагают, что среда с богатым микробным разнообразием защищает от аллергии и аутоиммунных расстройств [45,46]. Соответственно, не только комменсальные микробы, но и почвенные патогены, по-видимому, способствуют иммунной толерантности человека, стимулируя иммунорегуляторные пути [47]. Тем не менее, важно отметить, что современная гигиена, антибиотики и современная сельскохозяйственная практика внесли огромный вклад в значительное сокращение бремени болезней и смертности людей.

Есть еще одно свидетельство того, что биоразнообразие почвы взаимосвязано с кишечным микробиомом. В частности, микробное разнообразие кишечника у мышей было увеличено под воздействием почвенных микробов [48]. Микробное разнообразие кишечника может увеличиться у мышей, которые находятся в контакте с нестерильной почвой на обычной диете, в то время как при стерильной почве это не происходит [6]. В то время как добавление экологических микробов увеличивало биоразнообразие кишечника, было описано ограниченное влияние на наиболее распространенные бактерии [48]. Таким образом, микробы вносят основной вклад в микробное разнообразие, в то время как почва может изменять состав сообщества и, по-видимому, влияет на него в той же степени, что и диета [6]. Результаты исследований на животных свидетельствуют о том, что контакт с почвой и ее микробиомом благоприятен для здоровой микробиоты кишечника [6]. На здоровье млекопитающих в значительной степени влияет одомашнивание, которое может быть связано с менее разнообразным микробиомом кишечника, наблюдаемым у видов лошадей, по сравнению с недоместированными видами [49]. Это уменьшенное разнообразие кишечника животных также справедливо для большинства животных зоопарка в отношении их свободных живых собратьев [50].

Недавнее исследование кишечного микробиома наземно живущих павианов показало, что почва является наиболее доминирующим предиктором формирования микробиоты кишечника с 15-кратным более сильным эффектом, чем генетика хозяина [7]. В то время как растительность не сильно определяла микробиоту кишечника, тот факт, что рацион всеядных бабуинов находится в тесном контакте с почвой, подтверждает потенциальную передачу почвенной микробиоты для колонизации кишечника [7].

Тесная связь между уменьшенным биоразнообразием почвы (из-за щелочных условий почвы) и микробным богатством кишечника у павианов является аспектом, который заслуживает особо критического рассмотрения в связи с глобальным мегатрендом утраты биоразнообразия, особенно для поддержания здоровья человека. Было показано, что сельские среды, богатые микробиотой, такие как традиционные фермы, имеют преимущества для здоровья человека [21]. В частности, ручное земледелие с тесным контактом с почвой, практикуемое общинами амишей, в богатой микробами сельской среде показало значительное благотворное влияние на иммунные функции по сравнению с сельскими Гуттеритами, практикующими механизированное земледелие [44]. Однако изменения в образе жизни человека могут ослабить защитное воздействие на здоровье из-за изменения рациона питания, условий жизни и биоразнообразия окружающей среды [21]. В доиндустриальные времена преобладали небольшие структурированные фермы, и большая часть населения работала в сельскохозяйственном секторе, скотоводы или охотники-собиратели, и поэтому их образ жизни был в тесном прямом контакте с природой (т. е. почвой, растениями, Рис.1).

Рисунок 1. Микробиота в нашей окружающей среде влияет на микробиом кишечника человека через прямой контакт с почвой и калом, а также через качество пищи. Наши предки жили в тесном контакте с окружающей средой (a, цикл доиндустриальной микробиоты). Напротив, человеческая деятельность, такая как урбанизация, индустриализация сельского хозяйства и современный образ жизни, включая использование пестицидов и антибиотиков, а также гормонов (лекарств), вместе с потерей прямого контакта с почвой и фекалиями истощают богатство и перекрывают друг друга с микробиотой (b, цикл для промышленной микробиоты). Это истощение микробного богатства во всех компартментах может существенно повлиять на здоровье человека.

Даже рециркуляция человеческих фекалий в форме «ночной почвы», которые вновь попадали на сельскохозяйственные участки, отражает замкнутый круговорот ресурсов в те времена (Рисунок 1). В настоящее время в автоматизированном животноводстве существует прямой контакт с фекалиями, кроме использования навоза. Навоз немедицинского скота, например, в органическом сельском хозяйстве, может обеспечить компенсирующие положительные эффекты путем повторного введения кишечной микробиоты в микробную экосистему почвы.

Рост населения Земли и потребность в жилье и продовольствии усилили методы ведения сельского хозяйства и урбанизацию. Растущая индустриализация сельского хозяйства приводит к снижению биоразнообразия почв [51]. Уже более 50% населения мира живет в городах, и ожидается, что к 2050 году оно увеличится примерно до двух третей [52]. Продолжающаяся глобальная урбанизация привела к потере контакта с природной средой из-за отделения от внешней среды [53]. Снижение контакта с микробами в окружающей среде, а также улучшение санитарии и использование антибиотиков, пестицидов и гормонов [43] истощают богатство кишечной микробиоты (рис. 1).

Особое значение в этом контексте имеет тот факт, что богатство видов бактерий кишечника у взрослых выше в сельских сообществах по сравнению с городскими сообществами [41,54,55], в то время как в сельских популяциях наблюдалось более низкое бета-разнообразие (вариация между особями) [54]. Образ жизни охотников-собирателей, близкий нашим предкам, показал высочайшее богатство микробиома кишечника [55].

Martínez et al. [54] предположили, что как воздействие окружающей среды, так и горизонтальная передача симбионтов (коллективно называемая микробной дисперсией), вероятно, будут управлять микробиомом кишечника в сельских популяциях, в то время как городской образ жизни приводит к ограничению распространения микробов. Этот низкий разброс может объяснить высокую межиндивидуальную вариацию микробиома кишечника человека городских жителей (бета-разнообразие). Ограниченное рассеивание в сочетании с санитарией, медикаментозными и диетическими изменениями уменьшает успешную колонизацию и, следовательно, богатство микробиома кишечника [54]. Диета с высоким содержанием клетчатки и сложных углеводов, характерная для сельского населения Африки, может сохранить богатство микробиома кишечника в отличие от потребления высоко обработанной пищи, распространенной в городских районах индустриальных западных стран [56].

Гигиенические мероприятия снижают риск передачи патогенов, а также кишечных симбионтов [54]. Это ограничение в рассеивании через современный образ жизни уменьшает возможность для гомогенизации среди людей также, и приводит к высокому бета разнообразию в западных популяциях, таким образом успешно связывая колонизацию видов рассеиванием, уменьшая богатство [54].

Таким образом, фекальное загрязнение водных ресурсов представляет значительный риск для здоровья человека, распространяя инфекционные заболевания от фекальных патогенов [57]. Санитарно-гигиенические процедуры, такие как очистка воды, а также анализ микробной опасности и анализа рисков, связанных с ресурсами питьевой воды, являются современными для развитых западных стран и снижают риск заражения кишечными патогенами. Проблемы, связанные с отслеживанием микробных источников фекальных загрязнений, заключаются в дифференциации происхождения и обеспечении целевой специфичности для фекалий путем исключения идентификации генетических маркеров, которые похожи, но встречаются в местах обитания вне кишечника, таких как почва, растения и другие источники окружающей среды [58,59].

Помимо многих экологических функций, таких как производство биомассы и поддержка биоразнообразия, почва имеет уникальную функцию обеспечения чистой питьевой водой [60]. Эта функция почвы также усиливается биоразнообразием почвы, вероятно, из-за его участия в улучшении структуры почвы и инфильтрации воды и, следовательно, просачивания через профиль. Это очень полезно для фильтра и буферной емкости почвы, чтобы обеспечить удаление загрязняющих веществ и патогенов путем исключения размера, адсорбции и отмирания (минерализация и метаболизация, [47]). Этот факт еще больше подчеркивает важность почвенной микробиоты для здоровья человека, увеличивая деградацию вредных загрязняющих веществ, тем самым уменьшая воздействие плохой антропогенной санитарии.

Городские жители не только теряют контакт с почвой, но и с фекалиями (Рис.1), например, потому что нет необходимости чистить конюшни. Важность фекальной микробиоты для развития микробиома кишечника подтверждается тем фактом, что вагинально родившиеся младенцы имеют более высокую долю фекальной микробиоты со своими матерями, чем те, кто был доставлен через кесарево сечение [61]. Почва и фекалии животных могут иметь важное значение для эволюции микробиома кишечника человека, учитывая, что после отлучения от груди младенцы ползают по земле и исследуют окружающую среду ртом [6]. Богатая окружающая среда во время этого этапа важна для здоровья человека для иммуномодулирующего развития в раннем возрасте.

Как упоминалось выше, при защите от любых форм патогенов искусственные среды, такие как города, могут рассматриваться как среды обитания, которые в конечном итоге разделяют меньшее количество полезных микробов и могут концентрировать патогены. Даже в большинстве случаев воздействие фекалий имеет большой потенциал для возмущения в остальном здорового микробиома кишечника [62]. Гигиеническая гипотеза предполагает, что как комменсалы, так и патогены могут стимулировать иммунные функции.

Доступ к большему количеству биоразнообразных районов в городской среде, таких как зеленые насаждения и парки, связан с пользой для здоровья независимо от социально-экономического статуса [63], который может быть связан с воздействием богатой микробиоты окружающей среды. Следовательно, недавние исследования городского воссоздания с целью улучшения городского биоразнообразия нашей среды обитания могут защитить от иммунных заболеваний за счет более тесного контакта с разнообразным набором микробиоты окружающей среды и, следовательно, улучшить здоровье человека [64].

Поэтому мы предполагаем, что современный образ жизни человека и потеря прямого контакта с почвой вызывают перерывы в микробиологическом цикле в городской среде в отличие от доиндустриальной сельской среды. Поэтому почва является основным источником здорового кишечного микробиома человека. Тем не менее, необходимо выяснить, как именно почва и окружающая среда формируют кишечный микробиом человека и как изменения образа жизни влияют на кишечный микробиом. Это динамичная тема исследования, имеющая отношение к профилактической медицине.

5. Микробиом кишечника человека и диета / питание

Помимо городского образа жизни и потери контакта с природой, наша диета также изменилась за последние десятилетия. Чтобы сохранить пищу для длительной транспортировки, хранения и раздачи, ее часто стерилизуют. В дополнение к более обработанному питанию, потребление более богатой энергией пищи, богатой сахарами и жирами, уменьшает биоразнообразие кишечника [65]. Зачастую это приводит к порочному циклу, поскольку продвигаемые микробы в желудочно-кишечном тракте подвергаются избирательному давлению для манипулирования пищевым поведением хозяина и могут вызывать тягу к нездоровой пище, которая подавляет их микробных конкурентов [65].

Медикаментозное лечение, в частности потребление специфических лекарств, в основном управляет кишечным микробиомом западных популяций и объясняет наибольшую общую дисперсию фекального микробиома, как показано в крупномасштабном датском исследовании [66]. Увеличение потребления медицинских антибиотиков, а также увеличение потребления мяса привело к увеличению числа устойчивых к антибиотикам бактерий и генов и вызвало серьезные экологические проблемы. Антибиотики не только уничтожают патогенные микроорганизмы, но и полезные микробы, обитающие в организме человека, тем самым резко меняя состав сообщества. Устойчивость к антибиотикам может распространяться между бактериальными популяциями посредством горизонтальной передачи генов, устойчивых к антибиотикам; кишечник - это среда обитания, где это преимущественно происходит из-за высокой плотности населения [21]. Среди областей устойчивости к антибиотикам горячими точками являются муниципальные системы сточных вод, которые показывают высокие нагрузки бактерий [67]. В этом контексте к потреблению генетически модифицированных растений следует также относиться с осторожностью, поскольку модифицированные гены могут переноситься через бактерии в ризосферу или кишечник [21,68].

Крупномасштабное исследование фекальных микробиомов, включающее клинические и опросные ковариаты, показало, что консистенция стула оказывает наибольшее влияние на фекальный микробиом, в то время как пероральные препараты объясняют наибольшую общую дисперсию [66]. Среди факторов, которые объясняют комбинированное воздействие на состав фекального микробиома, также являются диетические детали, такие как потребление клетчатки или фруктов и предпочтение хлеба.

То, что диета имеет отношение к формированию микробиома кишечника человека, дополнительно подтверждается исследованием Martinez et al. [54], который предполагает, что диета, богатая растительными углеводами и волокнами, является более сильным предиктором для моделей микробного разнообразия кишечника в менее развитых районах Папуа-Новой Гвинеи, чем антибиотики, хотя это локально распространенное лекарство. Микробиом кишечника охотников-собирателей, не имеющих доступа к лекарствам [55], показал значительные различия в обилии на уровне типа или рода между самцами и самками, что указывает на традиционное разделение труда и питания между полами. Предполагается, что женщины чаще оставались на одном месте с семьей, имеющей рацион, богатый клубнями и волокнами, в то время как охота велась мужчинами, что формировало их кишечный микробиом [55].

Сообщество охотников-собирателей в Танзании показало низкое содержание или полное отсутствие бифидобактерий в микробиоме кишечника [55], которые обычно демонстрируют высокую распространенность у детей, находящихся на грудном вскармливании [36]. Бифидобактерии являются доминирующей частью детского кишечного сообщества в течение первого года жизни. Кроме того, бифидобактерии являются жизненно важным компонентом кишечного микробиома западной цивилизации благодаря диетическим предпочтениям, таким как употребление молочных продуктов и мяса [54]. Более низкая доля бифидобактерий по сравнению с бактериями, использующими клетчатку, в микробиоме кишечника человека из веганов [54,69] подтверждает идею о том, что различные привычки питания, такие как потребление продуктов животного происхождения, могут влиять на долю функционально различных бактерий в кишечнике.

Микробиомы незападных популяций напоминают микробиомы вегетарианцев и веганов [69,70]. Функциональная категоризация генов, полученных из кишечника индейцев с типично богатой белком пищей, показала параллели с таковой у плотоядных млекопитающих [36]. В отличие от микробиомов граждан США, более высокие пропорции функциональных генов, кодирующих глутамат-синтазу, наблюдались в микробиомах малавийцев (населяющих Восточную Африку) и индейцев (коренных народов Северной и Южной Америки), которые традиционно едят кукурузу и маниоку. Это соответствует различиям между травоядными и плотоядными млекопитающими [36].

В этом контексте интересно, что в исследовании, проведенном в Дании, привычки питания, которые считались важными для формирования кишечного микробиома, выявили ряд углеводов, таких как фрукты, хлеб и алкоголь [66].

Определенные виды пищи приводят к предсказуемым изменениям в микробиоте кишечника, и, следовательно, диета может непосредственно влиять на микробиом кишечника человека [70]. Диета человека в индустриальную эпоху изменилась с преимущественно сезонного и местного производства большого разнообразия видов сельскохозяйственных культур на несколько высокоурожайных сортов. Вместе с увеличением посевов монокультуры использование пестицидов (рис. 1) еще больше снижает биоразнообразие почвы. Поскольку почвенные микробы колонизируют растения, биоразнообразие почвы и разнообразие микробиомов растений могут различаться до и после сбора урожая [71].

Изменение образа жизни человека также включает в себя несколько операций после сбора урожая перед употреблением (Рисунок 1). Эти операции включают в себя очистку, измельчение, отделение, смешивание, сушку / увлажнение, нагрев, диспергирование, упаковку, хранение, распределение, транспортировку и другие. Однако благодаря сохранению биоразнообразия почв, в частности симбиотических микробов, меры по сохранению пищевых продуктов могут быть сокращены. Было показано, что симбиотические растительные микробы, такие как грибы арбускулярной микоризы, уменьшают количество вредных организмов, вызывающих накопление, на основных культурах, таких как картофель [71]. Высокое видовое богатство может эффективно снизить риск заболевания клубнями [71]. Помимо снижения фитосанитарного риска, корневые симбионты могут повышать питательные качества продуктов питания / сельскохозяйственных культур, включая витамины, минеральные вещества (макро- и микроэлементы) и антиоксиданты, а также другие вторичные метаболиты растений, полезные для здоровья человека [71,72]. Это подчеркивает, что здоровое питание и образ жизни связаны с потреблением пищи с ферм, которые используют методы управления почвой, способствующие биоразнообразию почвы. Современные изменения в сельском хозяйстве и питании также включают усилия по селекции растений, например, чтобы уменьшить горечь капусты, такой как брокколи, цветная капуста и капуста. Горечь происходит из-за глюкозинолатов, которые помогают растению противостоять болезнетворным микроорганизмам и считаются противораковым метаболитом. Следовательно, пищеварительная функция глюкозинолатов в основном истощается в кишечнике человека [21]. Эта адаптация к питанию, вероятно, происходит через функциональные гены, так же, как трансформация и распад лекарств в кишечнике человека.

Как и в случае с горькими видами растений, потребление свежих фруктов, которые почти не обрабатываются, полезно для здоровья человека, в частности, поскольку биоразнообразие почвы стимулирует производство вторичных метаболитов [71]. В то время как употребление сильно переработанной пищи, такой как хлеб, обеспечит различные источники углеводов или волокна для микробного сообщества кишечника, воздействие на вторичные метаболиты через высокое или низкое биоразнообразие почвы теряется во время обработки [71].

В отличие от традиционного мелкотоварного земледелия, крупные фермерские хозяйства, довольно распространенные во многих промышленно развитых странах, осуществляют интенсивные методы ведения сельского хозяйства, такие как монокультурное выращивание нескольких видов растений для оптимизации урожайности. Это уменьшило разнообразие продуктов питания для людей и дополнительно увеличило потенциальные угрозы через загрязняющие вещества из-за использования агрохимикатов. Таким образом, органически выращенные овощи демонстрируют более высокое биоразнообразие микробных эндофитов и эпифитов, чем те, которые выращиваются обычным способом [21]. Недавнее мета-исследование сельскохозяйственных почв показало, что органическое земледелие является средством повышения численности и активности почвенных микроорганизмов [73].

Мы пришли к выводу, что помимо лечения антибиотиками удаление микробов из пищи путем обработки оказывает непосредственное воздействие на микробиом кишечника человека. Так или иначе, потребление разнообразной пищи, богатой волокнами и вторичными метаболитами растений, с живой микробиотой, из разнообразной почвенной среды может положительно влиять на кишечник.

6. Почвенный микробиом как функциональная экосистема - потенциальные связи с кишечным микробиомом

Во всем мире почвы очень разнообразны, как и их микробы. Существует всего несколько видов, которые можно найти во всех почвах, в то время как есть многочисленные редкие виды, которые встречаются только в определенных почвах или географических районах [47]. Эта огромная гетерогенность почвенного биоразнообразия и его связь с географическими районами была рассмотрена несколькими исследовательскими группами [74,75,76], и был разработан глобальный атлас и домашняя страница биоразнообразия почв (https://www.globalsoilbiodiversity.org/atlas-introduction/). Таким образом, стало возможным сравнивать географические данные почвенных микробиомов с кишечными микробиомами человека [43].

Неожиданно Tasnim et al. [43] сообщили, что было мало совпадений между почвой и кишечными микробами на более низких таксономических уровнях. В образцах фекалий человека преобладали бактерии Bacteriodetes и Firmicutes, а в образцах почвы - Proteobacteria и Verrucomicrobia. Хотя по-прежнему не хватает данных для сравнения микробиома кишечника и почвы на больших географических территориях, между этими двумя средами обитания, по-видимому, существуют фундаментальные различия. Одно из главных отличий состоит в том, что почва является средой, ограниченной углеродом и энергией, и микробы поддерживают образ жизни голодающего выживания [77], тогда как в кишечнике человека углерод и энергия в изобилии. Иначе обстоит дело в ризосфере, где существует постоянное распространение углерод-богатых корневых экссудатов, обеспечивающих питательные вещества и энергию. Микробное сообщество ризосферы связано с корневым эндофитным сообществом, а также с массивным почвенным сообществом [78]. Действительно, в ризосферном микробиоме красного клевера (астения из семейства бобовых с высочайшей корневой экссудацией) обитают бактерии, а также Verrucomicrobia и их симбиотические клубеньковые бактерии [79]. Внутренние и внешние симбионты у корней растений различаются, причем первые похожи на бактерии в кишечнике животных, а вторые более близки к тем, которые колонизируют кожу [80].

Помимо филогенетического сходства между ризосферой растения и кишечным микробиомом человека существует много функциональных сходств [81]: (I) кишка и ризосфера представляют собой открытые системы с большой площадью поверхности, перенаселенной микробами. (II) кишечник и ризосфера характеризуются градиентом кислорода, воды и рН, что приводит к разнообразию ниш. (III) Структура микробиома кишечника и ризосферы формируется в соответствии с генотипом и возрастом хозяина. Оба обеспечивают защиту от патогенов и модулируют иммунную систему [81]. Эти перекрестные сходства в экологии микробиомов приводят к обсуждению сходных стратегий биоконтроля патогенов у растений и у человека [82]. Одним из широко наблюдаемых феноменов является то, что выживаемость захватчиков обратно пропорциональна разнообразию нативного микробиома. Это можно объяснить более высоким поглощением ресурсов и последующим сокращением доступности ниш [83]. Эти результаты указывают на первостепенную важность поддержания богатого разнообразия в почвах / ризосферах в первую очередь для того, чтобы избежать необходимости биотехнологических вмешательств на более позднем этапе (например, введение пробиотиков или симбионтов, как обсуждалось в [84]).

Чтобы поддерживать богатое биоразнообразие ризосферы, мы должны понять основные движущие силы этой функциональной экосистемы: микробиом ризосферы связан с типом почвы, влажностью, возрастом, генотипом растения и корневыми лизатами и экссудатами [5]. Подобно кишечнику человека, ризосфера имеет обширную поверхность (через корневые волоски или микроворсинки [5]). Кроме того, обе системы имеют значительную общую неоднородность, и, следовательно, множественные микроокружения должны быть заселены большим количеством видов по сравнению с другими средами обитания, такими как воздух, поверхности листьев или водоемы [18,24]. Эти микроокружения уменьшаются при интенсивной обработке почвы или при гидропонном культивировании. Считается, что ризосферная микробиота обогащена r-отобранными видами, вероятно, из-за высокой доступности питательных веществ.

Прим. ред.: r-отобранные виды - это те, которые подчеркивают высокие темпы роста, обычно эксплуатируют менее переполненные экологические ниши и производят много потомства , каждый из которых имеет относительно низкую вероятность выживания до зрелого возраста. Типичным видом является одуванчик.

В отличие от этого, в основной почве обычно наблюдается более стабильная популяция медленнее растущей микробиоты, такой как Acidobacteria, Chloroflexi, Verrucomicrobia и Planctomycetes, которые ранее были описаны как почвенные олиготрофы [85,86]. Они могут пережить длительные периоды голодания [77] и необходимы для повторной инокуляции новых сеянцев. Применение чрезмерных доз минеральных удобрений снижает условия выживания почвенных олиготрофов [87]. Помимо ненадлежащего управления земельными ресурсами, изменение в землепользовании оказывает серьезное влияние на микробные сообщества. В частности, уплотнение почвы и эрозия почвы приводят к потере больших площадей почв вместе с их типичными местными микробными популяциями, т.е. к  потере, которую невозможно вернуть [88].

Также биопленки можно найти как в желудочно-кишечном тракте / кишечнике человека [89,90], так и в ризосфере [91,92]. Кишечная и почвенная ризосфера являются богатой питательными веществами средой и следуют циркадным циклам, таким как фиксация азота в корнях риса, которая выше в дневное время, чем в темноте, также как гормон мелатонин в желудочно-кишечном тракте человека, который контролирует биологические часы [5].

Кишечник, а также микробиом ризосферы могут рассматриваться как «суперорганизмы», содержащиеся в / вокруг хозяина, которые имеют первостепенное значение для здоровья и работоспособности хозяина, потому что (I) микробиота кишечника важна для продуцирования незаменимых аминокислот и витамины, такие как B12 и K, и (II) корневая микробиота важна для выработки гормонов, которые способствуют здоровью растений за счет улучшения усвоения питательных веществ, устойчивости к засухе и патогенным стрессам [ 21].

Дефицит некоторых микроэлементов в организме человека, полученных из истощенных питательными веществами почв, может оказывать существенное влияние на кофакторы метаболизма, модулирующих ферментативную активность или функционирующих в качестве коферментов [93]. Любое сокращение надземного и подземного биоразнообразия почв угрожает функциям почвенных экосистем [94]. Эти потери биоразнообразия почв обусловлены прямой антропогенной деятельностью [47]. Косвенное антропогенное воздействие, обусловленное изменением климата, будет все в большей степени влиять на функционирование почв через стресс почвенных организмов и воздействие на биоразнообразие, как показывают эксперименты по прогреванию почвы [95,96,97].

Во всем мире урбанизация, а также механизация сельского хозяйства резко возросли за последнее столетие. В сочетании с использованием агрохимикатов, таких как минеральные удобрения и пестициды, биоразнообразие почвы уменьшилось. С использованием антибиотиков и гормонов за это время произошла и сильная трансформация в человеческом лечении. Существенное влияние препаратов на кишечный микробиом было недавно доказано [66].

Исходя из вышеупомянутых структурных и функциональных сходств между ризосферой почвы и микробиомом кишечника человека, мы заключаем, что они могут рассматриваться как две функциональные экосистемы, которые взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие в последнее время снижается, что потенциально увеличивает потери биоразнообразия в обеих системах.

7. Краткие сведения

Последние данные исследований показывают, что современный образ жизни/окружающая среда является наиболее активным фактором в формировании кишечного микробиома человека, несмотря на противоречивое влияние пищевых привычек, культуры и генетики хозяина. Почвенная (ризосферная) микробиота явно влияет на качество и хранение наших продуктов питания помимо влияния послеуборочной обработки. В этом контексте необходимы дополнительные исследования, чтобы продемонстрировать, как можно сохранить биоразнообразие полезных микробов в нашей пище. Кроме того, конкретные методы ведения сельского хозяйства, особенно управление почвой, могут улучшить нынешнее качество продовольствия.

В основном, последние результаты показывают, что более детальное исследование почвенной и корневой микробиоты может выявить влияние на здоровье человека, возможно, среди прочего, путем принятия образа жизни предыдущих поколений. Такой образ жизни, такой как сокращение потребления скота и молочных продуктов и потребление большего разнообразия пищевых волокон и горьких веществ, может оказать благотворное влияние на наше здоровье. Потребление в основном необработанных органически выращенных региональных продуктов является одним из способов достижения этой цели. Кроме того, дикие родственники используемых в настоящее время высокоурожайных сортов сельскохозяйственных культур могут увеличить надземное и подземное биоразнообразие и, следовательно, обеспечить преимущества для почвы и здоровья человека, например, за счет реинтродукции утраченных полезных микробов.

Богатый почвенный микробиом также будет иметь несколько преимуществ для наземной экосистемы за счет повышения эффективности и поглощения питательных веществ, что может повысить урожайность растений, а также устойчивость растений к глобальным изменениям климата и биотическим стрессорам. Тот факт, что кишечный микробиом охотников-собирателей имеет более высокое видовое богатство, чем у людей, которые питаются вестернизированной пищей, свидетельствует о сельскохозяйственной практике, способствующей устойчивому использованию почвы и здоровью человека. Что касается продовольственной безопасности в аспекте прогнозируемых изменений в демографии человека и изменениях окружающей среды, первостепенное значение имеет обеспечение биологически устойчивого использования земли и почвы.

8. Выводы и перспективы

Почва вносит свой вклад в микробиом кишечника человека—это было важно в эволюции микробиома кишечника человека, и это является основным инокулятором и поставщиком полезных микроорганизмов кишечника. В частности, существуют функциональные сходства между почвенной ризосферой и кишечником человека. Однако в последние десятилетия контакт с почвой в значительной степени сократился, что вместе с современным образом жизни и питанием привело к истощению микробиома кишечника с неблагоприятными последствиями для здоровья человека. Поэтому мы предлагаем расширить исследования по географическим и функциональным связям для выявления причин и следствий между почвами и микробиотой кишечника с целью улучшения здоровья человека и окружающей среды.

Источник: Katharina M. Keiblinger, et al. Does Soil Contribute to the Human Gut Microbiome? Microorganisms 2019, 7(9), 287

Дополнительно см.: Ранний контакт с бактериями окружающей среды полезен для иммунитета

Литература:

1. Brevik, E.; Pereg, L. History of soils in relation to animal and human health. In The Nexus of Soils, Plants, Animals and Human Health; Catena Soil Sciences: Stuttgart, Germeny, 2017. [Google Scholar]
2. Sing, D.; Sing, C.F. Impact of direct soil exposures from airborne dust and geophagy on human health. Int. J. Environ. Res. Public Health 2010, 7, 1205–1223. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
3. Blum, H.E. The microbiome: A key player in human health and disease. J. Healthc. Commun. 2017, 2, 1–5. [Google Scholar] [CrossRef]
4. Nishida, A.H.; Ochman, H. Rates of gut microbiome divergence in mammals. Mol. Ecol. 2018, 27, 1884–1897. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
5. Shamayim, T.; Luis, E.; Berenice, J.M.; Luis, M.B.; Mónica, R.; Julio, M.; Marco, A.R.; Ernesto, O.O.; Esperanza, M.R. Gut and root microbiota commonalities. Appl. Environ. Microbiol. 2013, 79, 2–9. [Google Scholar]
6. Zhou, D.R.; Bai, Z.M.; Zhang, H.L.; Li, N.; Bai, Z.Y.; Cheng, F.D.; Jiang, H.T.; Mao, C.B.; Sun, X.; Lu, Z.H. Soil is a key factor influencing gut microbiota and its effect is comparable to that exerted by diet for mice. F1000Research 2018, 7, 1588. [Google Scholar] [CrossRef]
7. Laura, E.G.; Marie, J.E.; Susan, C.A.; Ran, B.; Gideon, B.; Jenny, T.; Elizabeth, A.A. Genes, geology and germs: Gut microbiota across a primate hybrid zone are explained by site soil properties, not host species. Proc. R. Soc. B: Biol. Sci. 2019, 286, doi. [Google Scholar]
8. Lederberg, J. Microbiology’s World Wide Web. [Project Syndicate The Worlds’s Opinion Page]. 2001. Available online: https://www.project-syndicate.org/commentary/microbiology-s-world-wide-web?barrier = accesspaylog (accessed on 18 December 2018).
9. Marcel, G.A.; Van Der, H.; Martin, H. Networking in the Plant. Microbiome. PLoS Biol. 2016, 14, e1002378. [Google Scholar]
10. Lynch, S.V.; Pedersen, O. The human intestinal microbiome in health and disease. N. Engl. J. Med. 2016, 375, 2369–2379. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
11. Li, J.; Jia, H.; Cai, X.; Zhong, H.; Feng, Q.; Sunagawa, S.; Arumugam, M.; Kultima, J.R.; Prifti, E.; Nielsen, T.; et al. An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome. Nat. Biotechnol. 2014, 32, 834. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
12. Thursby, E.; Juge, N. Introduction to the human gut microbiota. Biochem. J. 2017, 474, 1823–1836. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
13. Berg, R.D. The indigenous gastrointestinal microflora. Trends Microbiol. 1996, 4, 430–435. [Google Scholar] [CrossRef]
14. Daniel, R. The metagenomics of soil. Nat. Rev. Microbiol. 2005, 3, 470–478. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
15. Delgado-Baquerizo, M.; Oliverio, A.M.; Brewer, T.E.; Benavent-González, A.; Eldridge, D.J.; Bardgett, R.D.; Maestre, F.T.; Singh, B.K.; Fierer, N. A global atlas of the dominant bacteria found in soil. Science 2018, 359, 320–325. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
16. Thompson, L.R.; Sanders, J.G.; McDonald, D.; Amir, A.; Ladau, J.; Locey, K.J.; Prill, R.J.; Tripathi, A.; Gibbons, S.M.; Ackermann, G. A communal catalogue reveals Earth’s multiscale microbial diversity. Nature 2017, 551, 457–463. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
17. Roesch, L.F.W.; Fulthorpe, R.R.; Riva, A.; Casella, G.; Hadwin, A.K.M.; Kent, A.D.; Daroub, S.H.; Camargo, F.A.O.; Farmerie, W.G.; Triplett, E.W. Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity. ISME J. 2007, 1, 283–290. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
18. Fierer, N.; Lennon, J.T. The generation and maintenance of diversity in microbial communities. Am. J. Bot. 2011, 98, 439–448. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
19. Lennon, J.T.; Jones, S.E. Microbial seed banks: The ecological and evolutionary implications of dormancy. Nat. Rev. Microbiol. 2011, 9, 119–130. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
20. Goodrich, J.K.; Waters, J.L.; Poole, A.C.; Sutter, J.L.; Koren, O.; Blekhman, R.; Beaumont, M.; Van Treuren, W.; Knight, R.; Bell, J.T.; et al. Human genetics shape the gut microbiome. Cell 2014, 159, 789–799. [Google Scholar] [CrossRef]
21. Flandroy, L.; Poutahidis, T.; Berg, G.; Clarke, G.; Dao, M.C.; Decaestecker, E.; Furman, E.; Haahtela, T.; Massart, S.; Plovier, H.; et al. The impact of human activities and lifestyles on the interlinked microbiota and health of humans and of ecosystems. Sci. Total Environ. 2018, 627, 1018–1038. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
22. Raynaud, X.; Nunan, N. Spatial ecology of bacteria at the microscale in soil. PLoS ONE 2014, 9, e87217. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
23. Torsvik, V.; Øvreås, L. Microbial diversity and function in soil: From genes to ecosystems. Curr. Opin. Microbiol. 2002, 5, 240–245. [Google Scholar] [CrossRef]
24. Saleem, M.; Traw, M.; Pervaiz, Z. Microbiome Community Ecology: Fundamentals and Applications; Springer: New York, NY, USA, 2015. [Google Scholar]
25. Ziglio, G.; Andreottola, G.; Barbesti, S.; Boschetti, G.; Bruni, L.; Foladori, P.; Villa, R. Assessment of activated sludge viability with flow cytometry. Water Res. 2002, 36, 460–468. [Google Scholar] [CrossRef]
26. Vaahtovuo, J.; Korkeamäki, M.; Munukka, E.; Viljanen, M.K.; Toivanen, P. Quantification of bacteria in human feces using 16S rRNA-hybridization, DNA-staining and flow cytometry. J. Microbiol. Methods 2005, 63, 276–286. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
27. van der Waaij, L.A.; Limburg, P.C.; Mesander, G.; van der Waaij, D. In vivo IgA coating of anaerobic bacteria in human faeces. Gut 1996, 38, 348–354. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
28. Franks, A.H.; Harmsen, H.J.; Raangs, G.C.; Jansen, G.J.; Schut, F.; Welling, G.W. Variations of bacterial populations in human feces measured by fluorescent in situ hybridization with group-specific 16S rRNA-targeted oligonucleotide probes. Appl. Environ. Microbiol. 1998, 64, 3336–3345. [Google Scholar]
29. Sender, R.; Fuchs, S.; Milo, R. Revised Estimates for the number of human and bacteria cells in the body. PLoS Biol. 2016, 14, e1002533. [Google Scholar] [CrossRef]
30. Ley, R.E.; Lozupone, C.A.; Hamady, M.; Knight, R.; Gordon, J.I. Worlds within worlds: Evolution of the vertebrate gut microbiota. Nat. Rev. Microbiol. 2008, 6, 776–788. [Google Scholar] [CrossRef]
31. Haque, S.Z.; Haque, M. The ecological community of commensal, symbiotic, and pathogenic gastrointestinal microorganisms - an appraisal. Clin. Exp. Gastroenterol. 2017, 10, 91–103. [Google Scholar] [CrossRef]
32. Walter, J.; Britton, R.A.; Roos, S. Host-microbial symbiosis in the vertebrate gastrointestinal tract and the Lactobacillus reuteri paradigm. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2011, 108, 4645–4652. [Google Scholar] [CrossRef]
33. Moeller, A.H.; Li, Y.; Mpoudi Ngole, E.; Ahuka-Mundeke, S.; Lonsdorf, E.V.; Pusey, A.E.; Peeters, M.; Hahn, B.H.; Ochman, H. Rapid changes in the gut microbiome during human evolution. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2014, 111, 16431–16435. [Google Scholar] [CrossRef]
34. Rosenblueth, M.; Martínez-Romero, E. bacterial endophytes and their interactions with hosts. Mol. Plant Microbe Interact. 2006, 19, 827–837. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
35. Ferretti, P.; Pasolli, E.; Tett, A.; Asnicar, F.; Gorfer, V.; Fedi, S.; Armanini, F.; Truong, D.T.; Manara, S.; Zolfo, M.; et al. Mother-to-Infant microbial transmission from different body sites shapes the developing infant gut microbiome. Cell Host Microbe 2018, 24, 133–145. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
36. Yatsunenko, T.; Rey, F.E.; Manary, M.J.; Trehan, I.; Dominguez-Bello, M.G.; Contreras, M.; Magris, M.; Hidalgo, G.; Baldassano, R.N.; Anokhin, A.P.; et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 2012, 486, 222–227. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
37. Ungar, P.S. Evolution of the Human Diet: The Known, the Unknown, and the Unknowable; Oxford University Press: New York, NY, USA, 2007. [Google Scholar]
38. O’Connell, J.F.; Hawkes, K.; Jones, N.G.B. Grandmothering and the evolution of Homo erectus. J. Hum. Evol. 1999, 36, 461–485. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
39. Davis, C.D. The gut microbiome and its role in obesity. Nutr. Today 2016, 51, 167–174. [Google Scholar] [CrossRef]
40. Rothschild, D.; Weissbrod, O.; Barkan, E.; Kurilshikov, A.; Korem, T.; Zeevi, D.; Costea, P.I.; Godneva, A.; Kalka, I.N.; Bar, N.; et al. Environment dominates over host genetics in shaping human gut microbiota. Nature 2018, 555, 210–215. [Google Scholar] [CrossRef]
41. Clemente, J.C.; Pehrsson, E.C.; Blaser, M.J.; Sandhu, K.; Gao, Z.; Wang, B.; Magris, M.; Hidalgo, G.; Contreras, M.; Noya-Alarcón, Ó.; et al. The microbiome of uncontacted Amerindians. Sci. Adv. 2015, 1, e1500183. [Google Scholar] [CrossRef]
42. Hanski, I.; von Hertzen, L.; Fyhrquist, N.; Koskinen, K.; Torppa, K.; Laatikainen, T.; Karisola, P.; Auvinen, P.; Paulin, L.; Mäkelä, M.J.; et al. Environmental biodiversity, human microbiota, and allergy are interrelated. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 8334–8339. [Google Scholar] [CrossRef]
43. Tasnim, N.; Abulizi, N.; Pither, J.; Hart, M.M.; Gibson, D.L. Linking the Gut Microbial Ecosystem with the Environment: Does Gut Health Depend. on Where We Live? Front. Microbiol. 2017, 8, 1935. [Google Scholar] [CrossRef]
44. Stein, M.M.; Hrusch, C.L.; Gozdz, J.; Igartua, C.; Pivniouk, V.; Murray, S.E.; Ledford, J.G.; Marques dos Santos, M.; Anderson, R.L.; Metwali, N.; et al. Innate immunity and asthma risk in amish and hutterite farm. Child. New Engl. J. Med. 2016, 375, 411–421. [Google Scholar] [CrossRef]
45. Von Hertzen, L.; Hanski, I.; Haahtela, T. Natural immunity. EMBO Rep. 2011, 12, 1089–1093. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
46. Rook, G.A.W. Review series on helminths, immune modulation and the hygiene hypothesis: The broader implications of the hygiene hypothesis. Immunology 2009, 126, 3–11. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
47. Wall, D.H.; Nielsen, U.N.; Six, J. Soil biodiversity and human health. Nature 2015, 528, 69–76. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
48. Zhou, D.; Zhang, H.; Bai, Z.; Zhang, A.; Bai, F.; Luo, X.; Hou, Y.; Ding, X.; Sun, B.; Sun, X.; et al. Exposure to soil, house dust and decaying plants increases gut microbial diversity and decreases serum immunoglobulin E levels in BALB/c mice. Environ. Microbiol. 2015, 18, 1326–1337. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
49. Metcalf, J.L.; Song, S.J.; Morton, J.T.; Weiss, S.; Seguin-Orlando, A.; Joly, F.; Feh, C.; Taberlet, P.; Coissac, E.; Amir, A.; et al. Evaluating the impact of domestication and captivity on the horse gut microbiome. Sci. Rep. 2017, 7, 15497. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
50. Muegge, B.D.; Kuczynski, J.; Knights, D.; Clemente, J.C.; González, A.; Fontana, L.; Henrissat, B.; Knight, R.; Gordon, J.I. Diet. drives convergence in gut microbiome functions across mammalian phylogeny and within humans. Science 2011, 332, 970–974. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
51. Bender, S.F.; Wagg, C.; Van Der Heijden, M.G.A. An underground revolution: Biodiversity and soil ecological engineering for agricultural sustainability. Trends Ecol. Evol. 2016, 31, 440–452. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
52. UN-DESA. World Population Prospects: The 2017 Revision, Key Findings and Advance Tables; D.o.E.a.S.A. United Nations, Ed.; Population Division: New York, NY, USA, 2017.
53. Turner, W.R.; Nakamura, T.; Dinetti, M. Global urbanization and the separation of humans from nature. BioScience 2004, 54, 585–590. [Google Scholar] [CrossRef]
54. Martínez, I.; Stegen, J.C.; Maldonado-Gómez, M.X.; Eren, A.M.; Siba, P.M.; Greenhill, A.R.; Walter, J. The gut microbiota of rural papua new guineans: composition, diversity patterns, and ecological processes. Cell Rep. 2015, 11, 527–538. [Google Scholar]
55. Schnorr, S.L.; Candela, M.; Rampelli, S.; Centanni, M.; Consolandi, C.; Basaglia, G.; Turroni, S.; Biagi, E.; Peano, C.; Severgnini, M.; et al. Gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers. Nat. Commun. 2014, 5, 1–12. [Google Scholar] [CrossRef]
56. Graf, D.; Di Cagno, R.; Fåk, F.; Flint, H.J.; Nyman, M.; Saarela, M.; Watzl, B. Contribution of diet to the composition of the human gut microbiota. Microb. Ecol. Health Dis. 2015, 26, 26164. [Google Scholar] [CrossRef]
57. Reischer, G.H.; Haider, J.M.; Sommer, R.; Stadler, H.; Keiblinger, K.M.; Hornek, R.; Zerobin, W.; Mach, R.L.; Farnleitner, A.H. Quantitative microbial faecal source tracking with sampling guided by hydrological catchment dynamics. Environ. Microbiol. 2008, 10, 2598–2608. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
58. Burtscher, M.M.; Köllner, K.E.; Sommer, R.; Keiblinger, K.; Farnleitner, A.H.; Mach, R.L. Development of a novel amplified fragment length polymorphism (AFLP) typing method for enterococci isolates from cattle faeces and evaluation of the single versus pooled faecal sampling approach. J. Microbiol. Methods 2006, 67, 281–293. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
59. Vierheilig, J.; Farnleitner, A.H.; Kollanur, D.; Blöschl, G.; Reischer, G.H. High abundance of genetic Bacteroidetes markers for total fecal pollution in pristine alpine soils suggests lack in specificity for feces. J. Microbiol. Methods 2012, 88, 433–435. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
60. Blum, W.E.H. Functions of Soil for Society and the Environment. Rev. Environ. Sci. Bio/Technol. 2005, 4, 75–79. [Google Scholar] [CrossRef]
61. Bäckhed, F.; Roswall, J.; Peng, Y.; Feng, Q.; Jia, H.; Kovatcheva-Datchary, P.; Li, Y.; Xia, Y.; Xie, H.; Zhong, H.; et al. Dynamics and Stabilization of the Human Gut Microbiome during the First Year of Life. Cell Host Microbe 2015, 17, 690–703. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
62. Penakalapati, G.; Swarthout, J.; Delahoy, M.J.; McAliley, L.; Wodnik, B.; Levy, K.; Freeman, M.C. Exposure to animal feces and human health: A systematic review and proposed research priorities. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 11537–11552. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
63. Brindley, P.; Jorgensen, A.; Maheswaran, R. Domestic gardens and self-reported health: A national population study. Int. J. of Health Geogr. 2018, 17, 1–11. [Google Scholar] [CrossRef]
64. Mills, J.G.; Brookes, J.D.; Gellie, N.J.C.; Liddicoat, C.; Lowe, A.J.; Sydnor, H.R.; Thomas, T.; Weinstein, P.; Weyrich, L.S.; Breed, M.F. Relating urban. biodiversity to human health with the ‘holobiont’ concept. Front. Microbiol. 2019, 10. [Google Scholar] [CrossRef]
65. Alcock, J.; Maley, C.C.; Aktipis, C.A. Is eating behavior manipulated by the gastrointestinal microbiota? Evolutionary pressures and potential mechanisms. BioEssays 2014, 36, 940–949. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
66. Falony, G.; Joossens, M.; Vieira-Silva, S.; Wang, J.; Darzi, Y.; Faust, K.; Kurilshikov, A.; Bonder, M.J.; Valles-Colomer, M.; Vandeputte, D.; et al. Population-level analysis of gut microbiome variation. Science 2016, 352, 560–564. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
67. Berendonk, T.U.; Manaia, C.M.; Merlin, C.; Fatta-Kassinos, D.; Cytryn, E.; Walsh, F.; Bürgmann, H.; Sørum, H.; Norström, M.; Pons, M.-N.; et al. Tackling antibiotic resistance: The environmental framework. Nat. Rev. Microbiol. 2015, 13, 310–317. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
68. Giovannetti, M.; Sbrana, C.; Turrini, A. The impact of genetically modified crops on soil microbial communities. Biotech. Forum. 2004, 98, 393–417. [Google Scholar]
69. David, L.A.; Maurice, C.F.; Carmody, R.N.; Gootenberg, D.B.; Button, J.E.; Wolfe, B.E.; Ling, A.V.; Devlin, A.S.; Varma, Y.; Fischbach, M.A.; et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature 2013, 505, 559–563. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
70. Singh, R.K.; Chang, H.W.; Yan, D.; Lee, K.M.; Ucmak, D.; Wong, K.; Abrouk, M.; Farahnik, B.; Nakamura, M.; Zhu, T.H.; et al. Influence of diet on the gut microbiome and implications for human health. J. Transl. Med. 2017, 15, 73. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
71. Rillig, M.C.; Lehmann, A.; Lehmann, J.; Camenzind, T.; Rauh, C. Soil biodiversity effects from field to fork. Trends Plant Sci. 2018, 23, 17–24. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
72. Pedone-Bonfim, M.; Silva, F.; Maia, L. Production of secondary metabolites by mycorrhizal plants with medicinal or nutritional potential. Acta Physiol. Plantarum 2015, 37, 1. [Google Scholar] [CrossRef]
73. Lori, M.; Symnaczik, S.; Mäder, P.; De Deyn, G.; Gattinger, A. Organic farming enhances soil microbial abundance and activity—A meta-analysis and meta-regression. PLoS ONE 2017, 12, e0180442. [Google Scholar] [CrossRef]
74. Fierer, N.; Jackson, R. The diversity and biogeography of soil bacterial communities. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 626. [Google Scholar] [CrossRef]
75. Fierer, N.; Leff, J.W.; Adams, B.J.; Nielsen, U.N.; Bates, S.T.; Lauber, C.L.; Owens, S.; Gilbert, J.A.; Wall, D.H.; Caporaso, J.G. Cross-biome metagenomic analyses of soil microbial communities and their functional attributes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2012, 109, 21390–21395. [Google Scholar] [CrossRef]
76. Martiny, J.B.H.; Bohannan, B.J.M.; Brown, J.H.; Colwell, R.K.; Fuhrman, J.A.; Green, J.L.; Horner-Devine, M.C.; Kane, M.; Krumins, J.A.; Kuske, C.R.; et al. Microbial biogeography: Putting microorganisms on the map. Nat. Rev. Microbiol. 2006, 4, 102–112. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
77. Hobbie, J.E.; Hobbie, E.A. Microbes in nature are limited by carbon and energy: The starving-survival lifestyle in soil and consequences for estimating microbial rates. Front. Microbiol. 2013, 4, 324. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
78. Lundberg, D.S.; Lebeis, S.L.; Paredes, S.H.; Yourstone, S.; Gehring, J.; Malfatti, S.; Tremblay, J.; Engelbrektson, A.; Kunin, V.; Del Rio, T.G.; et al. Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome. Nature 2012, 488, 86–90. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
79. Hartman, K.; van der Heijden, M.G.; Roussely-Provent, V.; Walser, J.-C.; Schlaeppi, K. Deciphering composition and function of the root microbiome of a legume plant. Microbiome 2017, 5, 2. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
80. Stone, M. Root and gut microbiomes are strikingly similar. Microbe 2016, 11, 107–110. [Google Scholar] [CrossRef]
81. Mendes, R.; Raaijmakers, J.M. Cross-kingdom similarities in microbiome functions. ISME J. 2015, 9, 1905–1907. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
82. Berg, G.; Krause, R.; Mendes, R. Cross-Kingdom Similarities in Microbiome Ecology and Biocontrol of Pathogens. Front. Microbiol. 2015, 6, 1311. [Google Scholar] [CrossRef]
83. Mallon, C.; Van, E.; Salles, J. Microbial Invasions: The process., patterns, and mechanisms. Trends Microbiol. 2015, 23, 719–729. [Google Scholar] [CrossRef]
84. Adam, E.; Groenenboom, A.E.; Kurm, V.; Rajewska, M.; Schmidt, R.; Tyc, O.; Weidner, S.; Berg, G.; de Boer, W.; Falcão Salles, J. Controlling the microbiome: Microhabitat adjustments for successful biocontrol strategies in soil and human gut. Front. Microbiol. 2016, 7. [Google Scholar] [CrossRef]
85. Fierer, N.; Bradford, M.A.; Jackson, R.B. Toward an ecological classification of soil bacteria. Ecology 2007, 88, 1354–1364. [Google Scholar] [CrossRef]
86. Peiffer, J.A.; Spor, A.; Koren, O.; Jin, Z.; Tringe, S.G.; Dangl, J.L.; Buckler, E.S.; Ley, R.E. Diversity and heritability of the maize rhizosphere microbiome under field conditions. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2013, 110, 6548. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
87. Hartmann, M.; Frey, B.; Mayer, J.; Mäder, P.; Widmer, F. Distinct soil microbial diversity under long-term organic and conventional farming. ISME J. 2015, 9, 1177–1194. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
88. Blum, W.E.H. Soil and land resources for agricultural production: General trends and future scenarios-a worldwide perspective. Int. Soil Water Conserv. Res. 2013, 1, 1–14. [Google Scholar] [CrossRef]
89. Macfarlane, S.; Bahrami, B.; Macfarlane, G.T. Chapter 4—Mucosal Biofilm Communities in the Human Intestinal Tract. In Advances in Applied Microbiology; Laskin, A.I., Sariaslani, S., Gadd, G.M., Eds.; Academic Press: Cambridge, MA, USA, 2011; pp. 111–143. [Google Scholar]
90. Srivastava, A.; Gupta, J.; Kumar, S.; Kumar, A. Gut biofilm forming bacteria in inflammatory bowel disease. Microb. Pathog. 2017, 112, 5–14. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
91. Ramey, B.E.; Koutsoudis, M.; Bodman, S.B.V.; Fuqua, C. Biofilm formation in plant–microbe associations. Curr. Opin. Microbiol. 2004, 7, 602–609. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
92. Rudrappa, T.; Biedrzycki, M.L.; Bais, H.P. Causes and consequences of plant-associated biofilms. FEMS Microbiol. Ecol. 2008, 64, 153–166. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
93. Shenkin, A. Micronutrients in health and disease. Postgrad. Med. J. 2006, 82, 559–567. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
94. Jeffery, S.; Gardi, C. Soil biodiversity under threat—A review. Acta Soc. Zool. Bohem. 2010, 74, 7–12. [Google Scholar]
95. Liu, D.; Keiblinger, K.M.; Schindlbacher, A.; Wegner, U.; Sun, H.; Fuchs, S.; Lassek, C.; Riedel, K.; Zechmeister-Boltenstern, S. Microbial functionality as affected by experimental warming of a temperate mountain forest soil—A metaproteomics survey. Appl. Soil Ecol. 2017, 117–118, 196–202. [Google Scholar] [CrossRef]
96. Kuffner, M.; Hai, B.; Rattei, T.; Melodelima, C.; Schloter, M.; Zechmeister-Boltenstern, S.; Jandl, R.; Schindlbacher, A.; Sessitsch, A. Effects of season and experimental warming on the bacterial community in a temperate mountain forest soil assessed by 16S rRNA gene pyrosequencing. FEMS Microbiol. Ecol. 2012, 82, 551–562. [Google Scholar] [CrossRef]
97. Pold, G.; Billings, A.F.; Blanchard, J.L.; Burkhardt, D.B.; Frey, S.D.; Melillo, J.M.; Schnabel, J.; van Diepen, L.T.; DeAngelis, K.M. Long-term warming alters carbohydrate degradation potential in temperate forest soils. Appl. Environ. Microbiol. 2016, 82, 6518–6530. [Google Scholar] [CrossRef]