《Environmental Microbiology Reports》：Green Microbiology for Planetary Resilience: A Research Agenda for Microbial Sustainability Science
地球正面临由气候变化、生物多样性丧失、土壤物理、化学及生物退化、水资源不安全与污染、传染病危机以及不可持续的生产系统和脆弱的食物系统所引发的危机。这些问题深度互联，并共享一个共同的解决方案：微生物科学。微生物对于维持或恢复水安全与水质、维持和改善土壤质量与肥力的碳循环和氮循环、植物生产力及抵御病虫害的免疫力、动物与人类健康及免疫力，以及其他维持植物、动物、人类和环境健康的基本生态系统服务至关重要。尽管微生物具有变革潜力，且近期越来越多的学术研究认识到其在全球尺度上对可持续性的核心作用，但目前仍缺乏一项协调一致、可操作的研究与政策议程，将微生物科学动员起来以服务于行星韧性。为此，本展望性文章在绿色微生物学已有原则的基础上，推进一项为期10年、具有前瞻性的研究议程，涵盖气候科学、食物系统、水安全、循环生物经济、One Health、生物多样性保护以及人工智能，并将其与微生物研究、技术、趋势及治理和政策结构同行星韧性的基本原理相对齐。
第一章：引言
二十一世纪正面临一场由加速的环境与公共卫生危机所构成的巨大挑战。全球大气温度上升，极端天气事件更加频繁，各类物种以前所未有的速率衰退，水生和陆生生态系统的生物多样性正在快速丧失，农业土壤正经历物理、化学和生物退化，淡水系统受到严重污染和过度开发，环境污染日益加剧，全球范围内的传染病疫情呈上升趋势。这些挑战汇聚成三重行星危机，据估计每年导致全球数百万人因抗菌素耐药性（Antimicrobial Resistance，AMR）、心脏疾病、呼吸系统疾病和传染病、粮食短缺及营养不良而过早死亡。
森林砍伐和化石燃料的持续使用释放温室气体，温室气体在大气中捕获热量，推高全球气温。升温改变了海洋和淡水生态系统，并导致冰川融化，造成海平面上升，沿海社区被迫迁移。由此导致的海洋生态系统崩溃减少了鱼类的食物供应，从而削减了数百万依赖渔业作为食物和收入来源的人们的食物供给。在陆地上，热浪和干旱降低了农业产量，加深了粮食不安全，尤其是在世界上最脆弱的群体中。气温上升还在改变季节的时间节点，导致动物和昆虫的迁徙时间线错位，造成植物在其传粉媒介到达之前开花。这降低了粮食作物的产量，同时扰乱了野生植物的繁殖，进一步削弱生态系统。与此同时，燃料燃烧、农用化学品和温室气体造成的空气污染正导致呼吸系统疾病，并在日益恶化的传染病危机中损害免疫系统，新发和再发传染病往往具有环境和人畜共患起源，正在动摇全世界的公共卫生系统。
微生物处于这些行星危机的交汇点。微生物是地球系统过程的核心。微生物活动驱动着碳循环、氮循环、磷循环、水文循环和氧循环。土壤肥力是细菌、真菌、古菌、原生动物、植物根系和有机质之间复杂相互作用的产物，土壤微生物群在其组成、结构和质量中发挥着关键作用。微生物群落同样对人类和动物的免疫系统发育以及氧气产生至关重要，地球上很大比例的氧气是蓝细菌等微生物光合作用的副产物。废弃物的分解、营养物的矿化以及铁等关键矿物质的循环同样由微生物介导，这使得生物圈的维持、生存和再生高度依赖于微生物。
传统微生物学认识到微生物的重要作用，并已产生了利用其独特能力的广泛知识和技术，推动了医学、农业、工业和生物技术领域的变革性发明和应用。然而，该领域尚未充分融入可持续性科学。近年来，越来越多的学术研究开始阐述微生物在减缓气候变化、循环资源管理、生态系统维持与恢复、粮食安全、水处理与修复以及整体行星健康方面的潜力；最近的行动呼吁认为，微生物对于实现联合国可持续发展目标至关重要，它们在全球可持续性框架中明显缺席，尽管其对气候稳定性、粮食安全和生物多样性具有核心作用，而且微生物圈本身可以作为行星变化的早期预警系统。国际微生物素养倡议（International Microbiology Literacy Initiative，IMiLI）倡导公众和政策制定者对微生物过程的理解，认为这对于可持续决策必不可少，并为此建立了全球教育基础设施。然而，一个将微生物科学同全方位的可持续性挑战相对齐的统一科学框架尚未建立。
本展望性文章建立在Akinsemolu（2023）所提出的绿色微生物学早期原则的基础上，将其与可持续发展相关联，以推进一项面向微生物可持续性科学和行星韧性的研究议程。该框架的前提是微生物科学需要超越观察和应用，转向针对行星危机的积极解决方案。它呼吁新一代微生物学家理解并利用他们的科学，不仅将其作为一门技术学科，而且将其作为生物圈韧性的贡献者，从而在变化的地球上建立绿色微生物学作为微生物可持续性科学的概念和实践基础。
第二章：从可持续发展到行星韧性
可持续发展的概念首次正式表述于1987年布伦特兰委员会的报告。近三十年后，于2015年，该概念被正式采纳并嵌入联合国可持续发展目标（SDGs），成为将环境可持续性与社会和经济增长及维持相对齐的综合框架。如今，可持续发展的概念由这样的需求驱动：确保当代社会满足其当前需求，同时保护后代从环境中获取资源以满足其自身需求的能力。当前的可持续性转型建立在消除贫困、促进全民健康和优质教育、气候行动、保护陆地和水生生态系统、负责任的消费和生产以及为所有人提供清洁水和能源等努力之上。
尽管此前的可持续发展概念已足够，但它不再完全涵盖第一章所述环境和生态危机的深度。这些叠加的压力要求将可持续性前沿的范围从如何可持续地发展扩展到如何加强地球系统的韧性，使其能够吸收、适应并从当前和未来的挑战中恢复。这一转变将需要建设生态系统、社区和社会-生态网络的能力，以抵御干扰、进行适应性转型，并为当前和未来世代维持必要的生产或资源分配水平。这需要对当前的生产和消费以及包括微生物过程在内的基础生态过程进行审计。
绿色微生物学的概念此前被框定为可持续发展的微生物蓝图。其范围主要是环境可持续性，侧重于水和土壤修复、减少有害化学品的使用、废弃物增值、自然资源保存与保护、生态系统保护与保存，以及通过养分循环和生产生物肥料、生物杀虫剂和动物饲料实现食物可持续性。本展望性文章将该框架扩展到行星韧性，将微生物定位为生态修复、气候适应、循环资源利用和管理以及微生物可持续性科学中的基础行动者。此前的著作确立了绿色微生物学的七项原则，即可持续性、可再生性、可生物降解性、多功能性、生物相容性、多样性和协作性。本文将这些原则转化为一项研究议程，将绿色微生物学的范围从可持续发展扩展到行星韧性，探索微生物生命如何支持生态系统、社会和行星系统的韧性。
第三章：界定绿色微生物学框架
绿色微生物学是一个跨学科框架，组织和引导微生物科学服务于行星韧性。它借鉴了环境微生物学、工业微生物学、农业微生物学和微生物生物技术相同的科学基础，但在目的和组织目标上与每个学科有所不同。虽然绿色微生物学尚未构成一个完全成熟的科学学科，但本文将其呈现为一个有潜力成熟为既有学科框架、又有专门实证研究体系和制度基础设施的成熟科学学科的框架。
绿色微生物学与环境微生物学、工业微生物学、农业微生物学和微生物生物技术之间的区别在于范围和方向。环境微生物学研究环境中的微生物，探索其在不同环境中的多样性、生态功能和丰度。它是一个实质性的应用领域，涵盖生物修复、水生病原体管理、微生物风险评估和污染控制，同时推进对陆生、水生和大气环境中微生物多样性和生态功能的认识。尽管两个领域有实质性的重叠，绿色微生物学依靠环境微生物学奠定的基础，探索如何利用微生物知识来维持、恢复和转变人类与自然世界的互动。它围绕行星健康和韧性的共同议程，在环境、农业、工业和健康相关背景下组织微生物知识和应用。
工业微生物学侧重于微生物的工业应用，通过开发和优化微生物工艺用于工业、制药、农业和食品应用，而农业微生物学探索微生物与环境、土壤和植物的相互作用。相比之下，微生物生物技术研究微生物在产生天然生物活性化合物（如抗生素、酶、有机酸、生物燃料和药物）中的技术应用。虽然其知识和应用是绿色微生物学的基础，但微生物生物技术主要以生产为导向，重视产量、效率和商业价值而非可持续性。另一方面，绿色微生物学纳入了生物技术方法，但从可持续性的视角来看待它们，寻求确定微生物知识如何帮助修复、维持和转变人类与地球的关系。
作为一个新兴框架，绿色微生物学需要一个精确且权威的定义，将其与现有学科区分开来，解释其范围和方法，并确定其在可持续性科学更广泛架构中的位置。本展望性文章提出以下定义：绿色微生物学是对微生物、微生物群落和微生物过程的研究和应用，以推进可持续性、生态恢复、气候韧性、循环资源利用、环境正义和行星健康，同时减少微生物科学和生物技术的生态足迹。该定义包含几个维度，这些维度汇聚在一起赋予该领域独特的身份。首先，绿色微生物学是一门以微生物生理学、生态学、基因组学和生物地球化学的广泛研究知识为基础的科学。其次，它超越了产生知识，延伸到应用领域，寻求将微生物知识转化为应对可持续性挑战的实际干预措施。第三，它以价值为导向，围绕正义、公平和行星健康的可持续性成果来组织微生物科学。
绿色微生物学与现有的微生物学子学科共享其实验工具和过程。作为一门学科，其显著特征不是独特的实验室方法，而是一个独特的评估框架，通过可持续性成果、生态影响、公平考量和行星韧性指标来评估微生物研究和技术。在实践中，该框架询问微生物干预措施是否对原生微生物群落及其支持的生态系统在生态上安全，是否在其整个生命周期内产生净环境效益，是否增强系统在压力下维持功能的能力，以及其效益是否在其部署社区及其外部得到公平分配。一个成熟的绿色微生物学还需要其自身的制度基础设施，包括专门围绕微生物可持续性科学组织的科学学会、期刊、会议、教育项目、政策平台和研究资助机制。其中一些基础设施的构件已经到位，例如国际微生物学会联盟关于微生物与行星健康的行动呼吁和IUCN微生物保护专家组。将它们连接在一个共同议程下的结构是缺失的环节。第七章概述了未来十年如何建立这种联系。
绿色微生物学的决定性属性之一是其固有的跨学科性质，这确立了其在微生物研究之外的主要贡献。它汲取生命科学，包括微生物学和生态学；物理和地球科学，包括物理学、化学、土壤科学和气候科学；工程和定量科学；以及社会科学、人文学科和治理，包括经济学、公共卫生、教育学、伦理学、法律和政策。它通过关注利用微生物过程促进人类、生态系统和整体行星福祉而与可持续性科学相连。它通过认识到人类、动物、植物和环境健康是相互关联的并由共享的微生物系统介导而与One Health相连。它通过关注微生物介导的废弃物增值和水与土壤修复而与循环生物经济相连。最后，绿色微生物学通过其在生态系统保护和恢复中的作用以及基于微生物科学效益分配平等的基础而与环境正义相连。最终，微生物学家受到透明度、公平性、正义和生态问责制的伦理责任约束，这些构成了绿色微生物学的核心承诺。这些联系和该领域的承诺汇聚成六个核心支柱，如下表1所示。
表1 绿色微生物学的核心支柱及其可持续性成果
支柱：生态整合；描述：在绿色微生物学中，微生物不是孤立的实体，而是更广泛生态系统不可分割的组成部分；可持续性成果：生物多样性保护、生态系统健康、可持续的土地和水管理。
支柱：循环资源利用；描述：微生物通过将生活、工业和农业废弃物材料转化为有价值的产品来闭合资源回路；可持续性成果：减少废弃物、促进循环生物经济、可再生材料的再利用。
支柱：气候责任；描述：微生物可持续性科学拥有温室气体调节、碳循环和气候变化应对的解决方案；可持续性成果：气候变化减缓、碳封存、甲烷去除。
支柱：绿色实验室实践；描述：绿色实验室旨在减少塑料废弃物、消耗更少的能源和水，并减少化学废弃物；可持续性成果：减少一次性塑料的使用、减少环境足迹、建立可持续研究实践的蓝图。
支柱：One Health导向；描述：在绿色微生物学中，人类、动物、植物和环境微生物组被视为并处理为相互关联的系统；可持续性成果：将环境和微生物健康纳入全球健康、农业和动物农业政策。
支柱：负责任创新；描述：评估新型微生物技术的环境影响；可持续性成果：防止生态损害、建立公众信任、使创新与社会价值观保持一致。
绿色微生物学的新颖性不在于发现新的微生物、方法或生物过程，而在于建立一个以任务为导向的框架，将现有微生物学知识围绕行星韧性作为明确的组织原则进行重新组织。这种重组有明确的先例。值得注意的是，可持续性科学通过将现有学科围绕可持续性挑战进行整合而出现。绿色微生物学采用类似的方法，将微生物学研究优先事项、方法和治理结构重新定位于气候韧性、生物多样性保护、循环生物经济、环境正义和One Health目标。它引入了三个新特征。首先，它引入了一套标准，据此评估微生物研究和技术，要求对可持续性作出既定贡献并进行全生命周期评估。其次，它要求微生物学研究对其环境足迹负责。最后，它将公平性、利益共享和公众参与视为首要条件。这些特征共同将绿色微生物学确立为一个可能成熟为新学科的任务导向型框架。
第四章：行星韧性的微生物基础
微生物韧性通过图2中呈现的五个领域为行星韧性奠定基础。微生物构成了地球生物量和遗传多样性的绝大部分，至少有万亿种微生物物种栖息在地球上。它们是水生和陆生生态系统功能不可或缺的组成部分，并影响地球所有其他元素。理解微生物支持或破坏行星韧性的所有具体方式，对于推动本展望性文章所提出的研究议程至关重要。
4.1 碳、气候与大气调节
微生物是碳循环的核心。土壤中的细菌和真菌分解有机质，矿化碳，并将其以碳酸盐等矿物质形式储存在土壤中，或以二氧化碳形式释放到大气中。同样，海洋浮游植物和蓝细菌通过光合作用固定二氧化碳，充当碳汇。除了碳封存和土壤中有机废弃物的分解外，微生物对于从大气中消除甲烷也至关重要。产生甲烷的微生物在厌氧环境中繁殖，例如稻田、沼泽和湿地以及生活或工业废弃物系统，将生物质分解为甲烷，而甲烷氧化菌将其作为碳和能源利用，有助于修复。甲烷氧化细菌反过来氧化甲烷，形成一个大幅降低大气中甲烷浓度的生物过滤器。值得注意的是，微生物对长期碳封存的贡献是一个积极争论的话题，其作为碳汇的能力估计因生态系统而异，将实验室规模的量转化为田间规模仍然是一个挑战。土壤退化、湿地排水、冰川融化、海洋酸化、生物多样性丧失以及对这些微生物过程的任何其他干扰都会削弱生物圈的自我调节能力。因此，气候稳定性取决于微生物群落的完整性。
4.2 土壤肥力与食物系统基础
农业生产力极大地依赖于土壤微生物的代谢活动。固氮细菌将大气中的氮转化为植物可利用的形式，例如硝酸盐，植物根系和其他土壤微生物易于同化这些物质。生物固氮（Biological Nitrogen Fixation，BNF）是最大的新氮天然来源，减少了对合成氮肥的需求。同样，解磷细菌和丛枝菌根真菌从土壤矿物质中获取无机磷，并将其转化为可利用的形式，改善植物在磷限制土壤中的养分获取。土壤传播的分解者，包括放线菌、真菌和各种细菌群落，将作物残留物和有机质矿化，释放出易于被植物吸收和利用的生物可利用形式的养分。与合成肥料和其他农用化学品相比，这些微生物过程可持续地支持和改善土壤肥力。它们是气候智能型农业的基石，气候智能型农业旨在生产食物的同时减少温室气体排放并建立对气候变异性的韧性。
4.3 水安全、废水处理与生物修复
本节讨论废水处理、污染物修复和分散式水安全解决方案。这三种微生物功能在实践中往往同时出现，但在目标、操作环境和技术成熟度方面有所不同。
4.3.1 废水处理
生物废水处理厂依靠微生物群落，包括硝化菌、反硝化菌、硫酸盐还原菌和聚磷菌，从生活、市政和工业废弃物中去除有机质、氮、磷和病原体。这些过程结合了微生物群落内的捕食和拮抗作用以及使用生物膜和沉降絮体吸附病原体，然后通过下游物理化学消毒步骤（如氯化或紫外线处理）消除流出物中的病原体。用于营养物和有机质去除的市政生物处理在商业上已经成熟并已广泛部署。
4.3.2 污染物修复
生物修复过程利用假单胞菌属、脱氯菌属、地杆菌属和红球菌属等微生物的代谢系统，通过酶促降解或共代谢将有机污染物、农药和碳氢化合物转化为危害较小的副产物。另一方面，重金属被地杆菌等物种通过生物吸附、生物积累或沉淀进行化学改变和固定，降低其迁移性和生物利用度而无需将其消除。金属生物吸附和生物积累系统已达到中试规模，在特定的工业和采矿背景下有少数商业规模的部署，但广泛的工业采用仍然有限。微生物微塑料降解在很大程度上仍局限于实验室研究，迄今为止没有具体的途径进入中试规模研究或商业部署。
4.3.3 分散式水安全
微生物修复系统易于分散，为无法获得集中式基础设施的社区和地点提供了具有成本效益、可再生、无毒的污水处理解决方案。然而，这些并非微生物修复的普遍属性。其中一些应用取决于场地条件、污染物负荷和系统设计。
4.4 生物多样性与生态系统稳定性
微生物是地球上最丰富、最多样化的生物。它们增强了植物和土壤在不利天气事件期间的韧性，在陆地生态系统中循环土壤养分，降解污染物，并在水生环境中循环养分。尽管微生物在生态系统稳定性、抵御环境干扰的韧性以及可再生性方面发挥着基本作用，但这些特性并未反映在全球多样性监测、保护政策和国际环境协定中。这里提出的统一研究框架将保护微生物生物多样性定位为一项生态必要性和科学优先事项。
4.5 健康、免疫与One Health要求
现代生物学最重要的研究前沿之一是微生物与人类、动物、植物和环境健康之间的关系。对这一关系的研究最深刻的成果之一是人体肠道微生物组的组成和规模及其在塑造免疫系统发育、调节代谢功能、保护人类免受肠道病原体侵害、调节情绪、记忆和认知以及预防炎症中的作用。同样，动物微生物组影响牲畜健康、野生动物免疫和人畜共患病的传播，而植物微生物组有助于作物对干旱的抵抗力、对土传病原体的易感性以及非生物胁迫。另一方面，土壤、水和空气中的环境微生物组影响着与其相互作用的人类、植物和动物。人类、动物和环境微生物组汇聚的一个领域是抗菌素耐药性，它源于人类医学、兽医实践和农业中的抗生素使用，并通过这些共享的环境储库传播，对这三个前沿构成系统性威胁。因此，行星韧性需要一种One Health方法来处理微生物组科学，将人类、动物、植物和环境微生物组视为一个单一互连系统的组成部分。
第五章：绿色微生物学的研究前沿
绿色微生物学是一个充满希望且具有变革性的研究领域，有能力推动行星修复、应对三大行星危机并维持整体行星健康。将其集体前沿从概念框架转化为富有成效的科学领域，需要对其识别和概念化。本展望性文章将绿色微生物学分解为八个前沿，代表该研究领域在未来10年内能够产生最大价值的领域。由于所有八个前沿都是相互关联的，单个领域的进展将促进其他领域的进一步发展。
5.1 前沿1：气候微生物学
微生物群落在气候调节中的作用目前仅在机制层面得到有限的理解。因此，微生物过程对气候变化减缓和气候适应的潜在贡献在很大程度上尚未被充分开发。为实现这一目标而推动知识和积累的关键研究领域包括：理解土壤微生物组在气温升高和降水模式变化的情况下稳定和去稳定土壤有机质的基本机制；表征甲烷氧化细菌及其抵消甲烷排放的能力；退化土壤中微生物碳矿化和封存的潜力；以及推进微生物电合成和碳捕获技术以将有机废弃物和释放的CO?转化为可再生能源的方法。诚然，微生物电合成仍处于技术成熟度的早期阶段，但实验室研究显示出较高的准备水平。除了碳捕获技术之外，气候微生物学还可以为生态系统恢复做出贡献。对红树林、泥炭地、湿地和退化土壤的本地微生物群落的研究可以通过识别这些生态系统恢复碳储存能力的微生物条件来支持恢复策略，这将有助于重新建立长期碳汇，同时支持生物多样性保护。
5.2 前沿2：微生物循环生物经济
循环经济的概念通过资源在其保持生产力的整个生命周期内持续使用，最大限度地减少废弃物并最大化资源效用或价值。在循环经济中，废弃物理想地通过使资源保持循环的生物营养循环来消除。这个概念建立在微生物代谢的基础上。微生物的自然过程可以被改造，将作物生物质、食物废弃物、有机废弃物、废水流出物和工业副产品转化为生物燃料、沼气、生物塑料、有机酸、氨基酸、酶、单细胞蛋白、生物肥料和可生物降解包装材料。这可以通过整合生物加工方法实现，该方法依赖于单一的微生物平台，可以同时将复杂碳水化合物分解为简单糖、发酵和解毒复杂的原料，在多阶段化学过程之上提供效率和可持续性优势。推进这一前沿并利用其应用的研究优先事项包括：改造能够转化多种废弃物流的稳健混合培养物；开发能够降解并允许合成塑料再利用的微生物平台；以及设计闭合循环生物过程，重复利用水和能源，并且要么减少对化学投入的需求，要么完全取消合成投入。
5.3 前沿3：食物系统韧性
微生物科学在食物供应链的各个环节为实现韧性食物系统提供了多种途径。在初级生产中，生物肥料、生物杀虫剂和其他微生物病害与生物制剂减少了对合成农用化学品的需求，在不损害土壤质量和肥力、食品安全和质量以及农业产量数量的情况下降低了农业的环境成本。同样，根际微生物组管理方法，如覆盖作物和定向接种，减少了对耕作的需求，改善了养分吸收，促进了作物韧性，改善了长期土壤肥力，建立了抵御极端天气事件的韧性，并通过减少机械干扰的需求保护土壤免受侵蚀。在食品生产之外，发酵增强了食品的营养价值，同时延长了其保质期，创造了复杂的风味并减少了抗营养物质。在动物养殖中，微生物被用于生产源自真菌菌丝体和微藻的替代蛋白质，大幅降低了畜牧业产生的温室气体排放。
5.4 前沿4：水安全与生物修复
据估计，由于淡水资源的限制，全球71%的人口每年有几个月面临水资源短缺。微生物科学在增加安全用水获取、促进废水处理和修复淡水水源污染物方面具有独特地位。该前沿的优先研究领域包括：开发新型生物营养物回收系统，从废水中提取磷和氮用于有机肥料；设计微生物燃料电池和电解池，在废水处理过程中产生电能或氢气；识别和培养能够降解新兴污染物（包括药物、个人护理产品和微塑料）的微生物群落；以及开发可在湿地、下水道系统、重度污染的水生生态系统和淡水获取受限地区构建的分散式生物系统。
5.5 前沿5：微生物组与One Health
One Health是一种综合方法，认识到人类、动物和环境健康的相互关联性。它需要一个强大的微生物组科学基础设施，由优先研究领域指导，例如宏基因组监测，以识别与抗菌素耐药性（AMR）相关的物种/菌株、基因和突变，以及共享生态背景下One Health三个领域间的可移动遗传元件；纵向环境微生物组多样性与人类和动物免疫系统发育和增强之间的关系；这对于评估非传染性疾病风险、开发基于微生物组的传染性和炎症性疾病疗法以及将环境微生物组监测纳入公共卫生监测系统（特别是早期预警系统）至关重要。
5.6 前沿6：微生物生物多样性保护
微生物多样性及其保护是绿色微生物学中研究最少的子领域之一。作为一个前沿，微生物生物多样性保护遭受着次级发展不足的问题，这是因为微生物的性质使得使用传统的宏观生态学方法几乎无法评估其多样性。因此，很难确定微生物多样性在多大程度上仍未被培养和表征。解决这一差距的研究优先事项包括：开发标准化的环境DNA采样和测序方案以监测全球微生物生物多样性；建立微生物遗传遗产的国际档案；根据《生物多样性公约》，将微生物多样性指标纳入国家生物多样性战略和行动计划；并委托研究退化生态系统中微生物生物多样性丧失的影响和后果。这将为支持微生物保护的政策论证提供实证基础。
5.7 前沿7：人工智能、组学与预测性微生物可持续性科学
宏基因组学和其他组学方法与机器学习的融合将改变我们在规模上理解、预测和管理微生物系统的能力。地球微生物组计划、全球海洋调查和国家土壤微生物组倡议等大规模宏基因组调查不断生成基础数据集，这些数据集可以与环境元数据和可持续性结果相关联，以支持对微生物对气候变化、土地利用和污染响应的预测建模。在多组学数据集上训练的深度学习模型可以预测未培养微生物的能力和应用，识别用于生物技术应用的新型酶，并预测生态系统将如何响应不同的管理情景。在基因组编辑数据上训练的合成生物学平台可以模拟DNA合成，并为设计针对特定可持续性应用的微生物菌株和群落提供信息。为此目的的研究优先事项包括：开发开放获取的微生物组数据平台；应用在此数据上训练的机器学习方法；以及基于其输出支持实验的政策。
5.8 前沿8：绿色实验室实践
微生物学和生物学研究对气候和废弃物危机有着无形的重大贡献。超低温冰箱、高压灭菌器、生物安全柜和恒温培养箱是能源密集型的，而移液器吸头、培养瓶、微量离心管和手套等一次性塑料每年产生大量未回收的实验室废弃物。为在保持变革性工作的同时减少这种不利影响，该前沿的研究优先事项包括：对标准微生物学程序的生命周期评估；识别替代品；开发符合生物安全要求的可重复使用实验室工具；设计节能实验室设备；以及将可持续采购原则纳入机构实验室管理。最后，绿色实验室原则应嵌入本科生和研究生微生物学教育中，以确保下一代研究人员以环境意识对待实验室实践。
第六章：风险、伦理、治理与正义
一个科学可信且对社会负责的绿色微生物学框架必须承认伴随微生物技术开发和部署的风险、伦理关切、治理挑战以及不公正和社会不平等的风险。
6.1 生物安全与生物安保
将微生物接种剂释放到环境中会带来并非总能预先预见的生态风险。引入的微生物可能破坏自然养分循环，引入胜过本地菌株的微生物，传播疾病，或损害农业生产力。微生物接种剂也可能被武器化，以破坏粮食安全和主权、健康以及生态系统。这要求建立稳健的风险评估框架，在环境部署微生物解决方案之前进行广泛的研究和测试，并对微生物系统工程进行严格监管。
6.2 正义、公平与获取
微生物创新及其效益并未得到公平分配，除非被刻意设计为公平的，否则绿色微生物学可能会陷入现有的不平等模式。高收入国家的研究机构和公司通常是微生物菌株信息、生物合成基因簇和组学数据集等知识产权的所有者，有时限制了全球南方研究人员和社区的获取。根据《名古屋议定书》规定的惠益分享义务，即使对于从主权国家领土收集的海洋和极端微生物，也可能无法充分保证边缘化社区研究人员的获取。因此，微生物科学的研究优先事项和资金流向压倒性地反映了富裕国家及其农业和制药行业的利益，边缘化了欠发达国家和地区。一个公正的绿色微生物学必须通过在全球南方进行能力建设、为低资源地区提供开放获取技术以及尊重与微生物资源相关的本土和传统知识来积极解决这些不平等问题。
6.3 绿色洗白与技术解决主义
尽管名为绿色，绿色微生物学并非本底绿色，且并非每种微生物产品或过程都真正可持续。源自粮食作物的生物燃料与粮食生产争夺土地用途，可能产生净碳排放。使用微生物生产的生物塑料可能不像所呈现的那样可有机降解，提供的环境效益甚微。关于土壤微生物组大规模碳封存的声明可能被夸大或被错误理想化，因为它们通常缺乏严格的长期实地证据。因此，绿色微生物学必须坚持生命周期评估和透明度。
6.4 公众参与与民主治理
最后，关于基因改造、向环境中释放接种剂和大规模生态系统干预的决定不应完全由科学家或监管机构做出。它们应要求公众、目标地区的社区和受影响人群的参与。应为每一个对微生物技术如何、何时、何地被设计、部署和治理拥有合法利益的群体建立参与式治理机制。
第七章：2026–2036研究议程
本展望性文章提出2026至2036十年间的10个优先领域，以推动绿色微生物学从框架转变为制度化科学、教育和政策领域。该议程刻意采用跨学科方式：不是将微生物研究视为通往行星韧性的独立路径，而是将微生物科学定位于跨越自然科学和地球科学、工程与技术、社会科学、人文科学、经济学、教育、法律、公共政策和社区知识的综合合作中。在这10个优先事项中，微生物学提供了对微生物系统的基本理解，而互补学科则贡献了应对复杂行星挑战所需的知识、方法、技术、治理机制和实施路径。这些优先事项被设计为可操作、可衡量和相互关联的，如下表2所示，并在下文详细阐述。
表2 绿色微生物学2026–2036：跨学科研究与政策议程
编号1：定义全球标准；跨学科整合：微生物学；可持续性科学；生态学；生命周期评估；经济学；伦理学；法律；政策；关键研究行动：制定评估环境影响的准则，建立科学学会、学习机构和政府间机构之间的合作；2036年里程碑：发布、认可和采纳用于微生物可持续性声明的评估框架。
编号2：微生物气候解决方案；跨学科整合：微生物学；生物地球化学；土壤科学；气候科学；生态学；农学；环境经济学；政策；关键研究行动：通过将微生物学与生物地球化学和土壤科学相结合，资助、支持和激励关于土壤碳封存和甲烷去除的专门研究；与农学家、生态学家、农民和环境经济学家合作，支持气候智能型农业和生态系统恢复计划；2036年里程碑：对气候微生物学研究的持续资助。
编号3：推进微生物驱动的循环生物经济；跨学科整合：微生物学；化学和生物化学工程；材料科学；工业生态学；经济学；生命周期评估；关键研究行动：与化学工程师和材料科学家建立伙伴关系，支持微生物将有机废弃物、废水、农业残留物、塑料和工业副产品从实验室转化到工业应用；2036年里程碑：微生物介导的有前景的废弃物价值化过程的中试验证和工业采用。
编号4：One Health；跨学科整合：微生物学；医学；兽医学；公共卫生；流行病学；生态学；环境健康；政策；关键研究行动：与兽医和公共卫生科学家及流行病学家合作，将环境微生物组纳入One Health框架；建立协调的全球AMR微生物组监测，整合公共卫生政策；2036年里程碑：将环境微生物组数据正式纳入抗菌素耐药性四方联合秘书处报告。
编号5：保护微生物生物多样性；跨学科整合：微生物学；保护生物学；生态学；环境法；政策科学；生物多样性治理；关键研究行动：与保护生物学家、国际环境律师和政策科学家合作，扩大国际环境治理以涵盖微生物多样性目标；将微生物多样性纳入保护框架和生物多样性监测；2036年里程碑：制定可追踪的微生物多样性指标。
编号6：为全球南方开发微生物技术；跨学科整合：微生物学；工程学；农业；公共卫生；经济学；发展研究；社区知识；关键研究行动：投资于负担得起、分散式水过滤和处理生物系统的研究；与农学家和农民合作，为低资源农业环境开发固氮接种剂；扩大微生物食品保存和家庭能源系统；2036年里程碑：在服务不足的社区提供低成本工具，如微生物水过滤器或固氮装置。
编号7：伦理微生物治理；跨学科整合：微生物学；伦理学；法律；政治学；政策；社会学；风险科学；公众参与；关键研究行动：为合成生物学建立参与式治理框架，为环境微生物释放建立生物安全治理框架，并为合成生物学应用建立伦理审查流程；制定微生物资源惠益分享协议；建立微生物遗传资源惠益分享框架；为有争议的技术决策建立公众参与机制；2036年里程碑：全球采纳微生物资源惠益分享框架。
编号8：绿色实验室转型；跨学科整合：微生物学；可持续性科学；工程学；教育学；行为科学；制度政策；关键研究行动：强制要求实验室操作进行生命周期评估；进行研究建筑能源审计并设定减排目标；实施可持续采购政策和废弃物减排任务；将实验室可持续性纳入学术课程和研究文化；2036年里程碑：将可持续性标准整合到全球微生物学和科学实验室。
编号9：微生物科学中的负责任人工智能；跨学科整合：微生物学；人工智能；数据科学；统计学；软件工程；伦理学；数据治理；关键研究行动：与数据科学家和软件工程师合作开发开放且可互操作的微生物组数据平台；为预测性微生物科学制定人工智能治理标准；微生物组数据生成和使用中的公平参与；2036年里程碑：微生物组平台采用现有的MIxS数据标准，以允许跨实验室和研究的结果可靠比较。
编号10：绿色微生物学制度化；跨学科整合：微生物学；教育学；可持续性科学；社会科学；政策；法律；科学传播；关键研究行动：建立专门的绿色微生物学科学学会、期刊和会议；与来自相互关联学科的教育工作者和科学家合作，为该领域开发教科书和联合课程；创建政策参与平台，将微生物科学与全球可持续性治理联系起来；2036年里程碑：建立专门的绿色微生物学科学学会、期刊和会议。
7.1 定义绿色微生物学的全球标准
目前，没有广泛接受的标准来确定微生物技术或研究项目是否有资格被认定为真正的绿色。科学学会、学习机构和政府间机构应合作制定一个绿色微生物学评估框架，该框架基于生命周期思维、生态安全、社会公平和长期可持续性。国际微生物学会联盟（IUMS）已经发布了关于微生物与行星健康的行动呼吁，提供了一个论坛，汇集了需要参与制定绿色微生物学标准框架的学会和研究人员。
7.2 建立微生物气候韧性解决方案
一项协调一致的国际气候微生物学研究计划势在必行。它应有专门的资金用于土壤碳、甲烷减缓、气候智能型农业、生态系统恢复和碳负生物技术方面的微生物研究。它应支持数据共享、开放获取出版物，并将全球南方参与作为一项有约束力的承诺。
7.3 推进微生物循环经济系统
将有机废弃物、废水、农业残留物、塑料和工业副产品通过微生物转化为能源、生物材料和营养物质的工作，应通过协调投资和开放获取的生物过程协议进行规模化。
7.4 将微生物组纳入One Health政策
环境微生物组应被公认为全球卫生基础设施的重要组成部分，微生物多样性指标应整合到One Health监测框架中，并应建立全球AMR微生物组监测。这可以建立在One Health四方机制（FAO、UNEP、WHO和WOAH）建立的现有基础设施之上。
7.5 保护微生物生物多样性
应扩大国际环境治理，纳入微生物多样性目标，并将其整合到保护框架、生物多样性监测和生态系统恢复规划中。这一前沿的基础工作已通过IUCN于2025年启动微生物保护专家组而开始，该专家组成为微生物生物多样性的第一个全球保障机制。
7.6 为全球南方开发微生物技术
受土壤退化、水资源不安全、粮食不安全和传染病爆发影响最严重的许多人口位于低和中等收入国家，这些国家获得先进微生物技术的机会有限。对负担得起、分散式微生物解决方案的投资，特别是水过滤器、固氮接种剂、基于发酵的食品保存微生物群落和用于家庭能源生产的沼气，可以以适度的成本带来显著的可持续性效益。
7.7 为微生物创新创建伦理治理
这包括环境微生物释放的生物安全治理、微生物遗传资源的惠益分享框架、合成生物学应用的伦理审查流程，以及针对有争议或重大决策的公众参与机制。
7.8 建立绿色微生物学实验室和教育
转变绿色实验室实践需要研究建筑的能源审计和减排目标、可持续采购政策、废弃物减排任务，以及将实验室可持续性纳入学术课程和研究文化。与其他优先事项相比，这一前沿的现有基础设施已显著成熟，My Green Lab（一个被联合国奔向零碳竞赛认可的全球非营利认证机构）已经通过根据可持续性标准提供认证帮助科学实验室减少其环境影响，而国际微生物素养倡议（IMiLI）在全球范围内免费提供微生物学教育资源。该优先事项的任务是利用这些资源来扩展专门针对绿色微生物学的内容、资源和可持续性标准。
7.9 在微生物可持续性科学中负责任地使用人工智能
人工智能在微生物可持续性科学中的负责任部署需要开发开放、透明、可复现的数据平台，以实现微生物组数据生成和使用的公平参与。
7.10 建设绿色微生物学机构
最后，专门的科学学会、期刊、会议、教科书、课程和政策参与平台对于将绿色微生物学转变为一个正常运作的领域是必要的。这些机构将建立必要的制度架构，以支持全球微生物可持续性科学实践社区。
结论
微生物是最小的生命形式之一，但对行星健康有着重大影响。它们构成了生物圈的无形基础设施，行星修复的基础就建立在此之上。绿色微生物学为重新组织微生物群落和过程的现有知识以推进行星韧性提供了一个新框架。其独特贡献不在于创建一套独立的微生物学方法，而在于将微生物科学与自然科学和地球科学、工程与技术、社会科学、人文科学、经济学、教育、法律和政策相结合，以应对复杂的行星挑战。这里提出的研究议程呼吁国际和跨学科合作、持续投资以推进知识，以及对正义和公平的真正承诺。它要求微生物学家相互合作，并与气候科学家、生态学家、社会科学家、工程师、政策制定者、农民、卫生工作者和社区接触，承认并利用微生物可持续性科学作为地球系统韧性赖以存在的科学当务之急。在这个意义上，绿色微生物学将跨学科整合定位为将微生物知识转化为可持续和公平成果的核心机制。未来十年对于行星修复至关重要。从现在到2036年间关于我们如何管理土壤、水、食物、废弃物和能源的决定将产生持续数个世纪的影响。绿色微生物学邀请科学界重新审视生命中无形的多数，认识到微生物不仅是疾病的媒介或工业的工具，而且是修复、韧性和更新变化地球的重要伙伴。
