“超级细菌”危险浮现 中国科学家提破题之道

2017/9/15 23:55:52 新华社客户端

新华社北京9月15日电(记者屈婷)挖土机举起成吨的泥土,倾倒在卡车拖斗内。对于藏身土壤中的数以百亿计微生物而言,车轮飞转间,一场环球“迁徙”才刚刚开始。中国环境科学家的一项最新分析表明:人类活动正以前所未有的速度和规模改变着微生物全球“迁徙”的脚步,这场看不见的“巨变”已突破一个危险的“平衡点”。

中国科学院城市环境研究所所长朱永官带领一个国际科学研究团队,在总结已有研究成果的基础上提出微生物的全球迁徙,并系统阐述了这种迁徙给环境和生态带来的影响。这些成果发表在9月15日出版的国际学术期刊《科学》上。

该论文的共同作者,澳大利亚科学家吉林斯教授说,过去对于微生物的研究大多在一个过程或区域内,进行微观尺度的考察。这一论文首次系统性提出微生物全球迁徙的场景,其全球尺度、多学科的研究视野展示了“环境科学的新增长点”。

2017年1月,朱永官(右一)在实验室向《Science》记者讲述该研究成果。中科院城市环境研究所供图。

“超级细菌”超级危险

靠着空气和水的驱动,微生物的自然迁移已持续数十亿年。它们和看得见的生物,包括人、动物和植物等,一直维持着微妙的动态平衡。但朱永官警告说,过去100年间,这种平衡已逐渐被打破。如今,微生物正以一种“不可预估的方式”改变着全球生态系统,“超级细菌”正变得越来越危险。

在微生物世界,最为人熟知的“成员”是细菌。作为单细胞的生物,它们只要彼此相遇,就可能发生DNA交流,科学家称之为“基因横向转移”。它们也非常善变,特别是在化学污染物的“压力”下,会显著增加基因突变和横向转移的概率。

朱永官说,细菌比我们想象的“聪明得多”。在新的环境下,它们能够通过基因横向转移和突变,快速获得适应性优势,从而“活下去”,并可能“进化”出药石罔效的“超级细菌”。

朱永官所在的科学团队在过去10多年先后在全球范围内采集了土壤、粪便、污水、植物等数千个样本,研究微生物多样性和地球化学循环的关系,以及与地下生态系统的关联。他们的系列研究揭示的图景令人不安:一种名为“抗生素抗性基因”(ARGs)正加入致病菌之间的基因交流,使其耐药性变得“难以控制”。其中一个代表性的遗传元件就是临床一类整合子。

“这(指临床一类整合子)是一种单一来源的外来基因。”朱永官认为,它源于人类对抗生素的滥用。

示意图显示:抗生素的不合理使用加速耐药基因在环境中的突变、增殖和扩散。中科院城市环境研究所供图。

“始作俑者”:人类活动

人类活动是这一切的“始作俑者”。朱永官说,研究结果以“百年”为时间尺度,正是因为人类历史上从没有哪个时代发生过如此空前的生物和物质的流动。依靠着飞机、轮船和火车,人和动物,尤其是农业牲畜得以把肠道排泄物扩散出地理纬度上的“洲际”。毫无疑问,全球贸易、国际旅游也加剧了肠道微生物的扩散。

物质流动则更为隐蔽和危险。每克土壤含有高达10亿个微生物,而超级工程一次所能调动的土、沙、石就可能超过数万年自然过程所带来的总和。地上、地下的水流携带着农业、工业排放的化学污染物,包括金属、抗生素和消毒剂,促使细菌不断“交流”和“进化”,催生出令人生畏的致命病原菌。

2013年,朱永官曾带领另一个团队调查了三个大型养猪场。在肥料和附近的河流中,他们首次发现了大量“抗生素抗性基因”,其数量高于对照样本数百甚至数千倍。2015年,《科学》杂志报道了这一发现,并指出“研究者在重新审视新兴养殖业对公共健康的威胁”。

文章指出,人类对自然界的破坏已到了新的转折点,微生物世界的活动“很可能已经不是平衡态”。“这个过程是非线性的,可能达到某种程度会突然迸发出来,这也是我们最担心的。”朱永官说。

2015年3月,朱永官在世界卫生组织发言。中科院城市环境研究所供图。

破题之“道”在哪里

在一场化学反应中,平衡点就如同“潘多拉的魔盒”,引发一系列裂变和重组。当地球上所有的化学反应叠加在一起,如何精准地预测出引爆未来生物圈变化的那个“点”?在发现问题之外,朱永官和他的国际团队还要找到破题之“道”。

文章指出,生物基因组学和地球化学的大数据融合,将是探究微生物时空分布和全球环境变化之间复杂关系的“第一步”。朱永官解释说,人类活动极大改变了微生物的分布区域和生物多样性,光靠某一个学科的“单打独斗”已经无法模拟、推算出地球生态系统的全貌。

朱永官说,经过数十年的积累,特别是基因组学技术的发展,中国环境科学家和国际领先研究者正站在“同一个起跑线上”。“微生物和抗性基因在环境中的传递和扩散是无国界的,国际合作至关重要。”他认为,中国学者应将国家环保的需求和科学前沿有机结合,这样研究成果既能服务国家需求,又能造福世界。

2013年9月,朱永官带领的科研团队在成都郊区某养鸡场拍摄到的饲料添加剂。中科院城市环境研究所供图。

全球每年有70万人死于“超级细菌”感染。2016年,中国政府发布《遏制细菌耐药国家行动计划(2016-2020年)》,成为少数具备与抗生素和耐药性作斗争的全面计划的国家之一。

朱永官指出,当前应加强对环境微生物的监控,并提升对源头微生物的处置水平。“未来需要特别重视监督和提高废水和动物粪便的处理。如果忽略微生物的重要作用,将会给人类带来灾难。”