朱永官院士：生态系统微生物组和人类健康

一、人类活动对地球微生物组的改变

微生物在地球上无处不在，居于几乎所有的生态系统。据估计，每克土壤中可能含有数以亿计的微生物细胞[1]；大陆和海底沉积物中的微生物占到整个生物圈约60%[2]；空气中甚至在对流层以外的高空中也有微生物存在[3]。微生物不仅驱动地球生物圈的元素循环、调节全球气候变化，在人类健康中也发挥着重要作用。例如，病原微生物可导致感染性疾病的发生与流行。

20世纪中叶以来，科技的进步促进了全球工业化、城市化进程加速。人口数量急剧增加，人与人的交往联系日益紧密。此外，人们对于自然衍生商品的需求增加，改变了原有土地利用类型，野生动物栖息地被扰动。同时，工业化过程产生大量化学污染物，对环境微生物施加额外的选择压力。这些人类活动引起微生物世界的巨大变化，深刻影响人类的生存健康与可持续发展。但是，人们目前对这些变化的了解却很少。

二、细菌抗生素耐药性

微生物的抗生素耐药性是一个威胁人类健康的全球性问题。自青霉素发现以来，抗生素在控制人类感染疾病和集约化动物养殖中被广泛滥用。近几十年的研究表明，抗生素耐药性在临床和自然环境中持续增加，细菌抗生素耐药基因(下文简称耐药基因)目前已经成为一种新型污染物[4]。通过分析1940~2008年收集的荷兰土壤样品，研究人员发现土壤中细菌耐药基因的丰度大大增加，其中一些细菌耐药基因增加了15倍以上[5]。城市化进程也促进细菌耐药基因的发生与传播，甚至在城市环境中形成微生物耐药的传播热区。例如，城市污水携带了大量微生物及基因，同时污水中含有抗生素、重金属及消毒剂等污染物[6]，这些化合物的选择压力，促进微生物通过基因突变和水平基因转移等方式，获得抗生素耐药基因[7]。对中国全国范围的32个污水处理厂进行调查，共检测出381种耐药基因，其中有128个耐药基因存在于超过80%的样品中[8]。更严重的是，经过污水处理厂处理的外排水中依旧有大量的耐药基因被检出。由于水资源的紧张和城市化进程的需求，利用污水处理后的再生水进行城市绿化灌溉已经十分普遍。然而研究表明，再生水灌溉的城市绿化用地中检出147种耐药基因[9]。其中多种耐药基因被富集，包括可移动遗传元件，其可以介导部分耐药基因转移至病原菌中，对城市居民产生健康威胁。此外，对中国长达4000km的重要河口湿地的研究显示，湿地土壤中含有超过200种耐药基因，这些耐药基因的丰度和组成受到人类活动(如人口数量、污水排放量和畜禽养殖强度)的直接影响[10]。人类活动甚至对高纬度北极偏远地区的微生物世界也产生了显著影响。2019年发表的一项研究在北极高纬地区土壤中发现了耐药基因，并且受到人类活动较强的地区积累更多[11]。这些案例均说明人类活动导致了耐药基因的传播，进而威胁到人类自身的健康和安全。

三、微生物的全球化传播

亿万年来，微生物及其所携带的基因主要借助空气和水流等物理外力进行迁徙，形成了微生物的生物地理格局。但最近一个世纪以来，人类活动(如污染物排放、国际旅行和全球货物运输)将大量的微生物细胞输运到新的地点，所造成的外部环境的选择压力对当地微生物群落造成扰动，极大地改变着微生物的生物地理格局[9]。人类通过大量物质的输运促进微生物细胞的扩散传播，例如商业航运的压舱水、塑料、土壤、砂石以及间接的侵蚀等[12,13]。目前每年12亿次国际游客的旅行也极大地提高了微生物的传播效率。许多新发传染病的病原菌经国际旅行迅速传播，形成世界范围的大流行。这些病原菌可以借助环境介质在全球尺度上循环，当前人类所面临的新冠肺炎的大流行就是一个鲜活的例子。

微生物可以获取外源DNA的能力使微生物的生物地理学进一步复杂化，因为基因在生态系统中的移动也可以独立于生物本身的移动而发生。从微生物体释放的 DNA可以通过紧密接触转移到无关物种；或者当DNA在环境中可以存活更长时间时，便能够进行更远距离的传输[14]。因此，将环境基因组学大数据整合到生态系统健康风险模型当中，有望加强对新发传染性疾病的预警。

四、加强系统性监控病原微生物的传播

自工业革命以来，人类利用和改造自然的能力不断提高，但过度开发也导致野生动物栖息地受到干扰，迫使野生动物迁徙，增加野生动物体内病原体的扩散传播的可能[15]。狩猎和野生动物交易也是人畜共患病病原体出现和传播的主要驱动因素。2000年以来，从严重急性呼吸综合征(SARS)到禽流感、中东呼吸综合征、埃博拉出血热，再到这次新冠肺炎疫情，全球新发传染病出现和传播的频率明显升高。历史数据和模型已经证实，森林采伐、粮食生产和气候变化推动着新发传染性疾病发病率的增加[15,16]。预计到2050年，全球人口将再增加20亿，其中全球人口的近70%将居住在城市。快速的城市化和密集的人口密度为新的病原体在人群中迅速传播提供了肥沃的土壤，可能会进一步加剧新发传染病的全球大流行。因此，在地球经历前所未有的人为活动干扰时，很有必要对生态系统微生物组的变化进行监控。

历次抗击重大传染病疫情的实践表明，必须加快形成生态系统微生物组的管控体系，努力把风险控制在萌芽状态。从源头预防疾病暴发需要根本性的方法创新。目前 DNA测序分析的成本正在迅速下降，快速的监测和预警系统已经可以做到。应有效地筛选野生动物种群，以便在动物病原体对人类构成威胁之前了解其组成、进化和动态。并且，应该加强疾控部门、医院、科研单位间的信息共享，尽快增强对各类已知和新发传染病的预警能力。

五、总结与展望

人类与微生物世界等组成地球生命共同体。为了保障人类健康，我们必须和看不见的微生物世界和平相处。因此，必须在全新的视角下研究生态系统微生物组。未来我们需要加强监测环境中微生物和基因的扩散和传播，特别是与人类和动物健康直接相关的微生物及其携带的功能基因；需要特别关注人类活动对微生物入侵、微生物灭绝和微生物扰动的相关研究，特别是人类对各种微生物和病毒的免疫系统变化与保护研究。为此，我们需要组建新的跨学科研究团队来产出和管理生态系统微生物组的巨量数据；然后，将这些数据集服务于对全球人类健康相关的模型和预测。

微生物通常在我们看不见的情况下行使其重要的生态系统服务功能，但如果忽视它们，人类就会有意想不到危险。地球的可持续性在很大程度上取决于微生物和所有高级营养水平生命之间的相互作用。如上所述，目前，人类活动在微生物世界正留下史无前例的印迹，这将对环境、全球生物和人类健康造成前所未有的扰动。因此，微生物过程同时作为人类活动干扰的起因和后果，将其纳入地球系统科学和全球变化生物学以及人类健康中，对于理解和管理星球健康至关重要。

参考文献

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题目：生态系统微生物组和人类健康

期刊：2020科学发展报告

页码：66-70

作者：朱永官(1,2,3），杨凯(1,3)，李弘哲(1,3)，Josep Penuelas(4,5)

作者单位：

 1、中国科学院城市环境研究所

 2、中国科学院生态环境研究中心

 3、中国科学院大学

 4、Global Ecology Unit CREAF-CSIC-UAB

 5、CREAF，Cerdanyola del Valles