中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 微生物是地球生物圈的重要組成部分。作為肉眼看不見的大多數(shù)，微生物受生態(tài)環(huán)境和人類活動的影響，同時也反作用于生態(tài)環(huán)境和人類健康。多樣化的微生物參與生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)，維持人體、動物、植物的健康穩(wěn)態(tài)，并在農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。從山川湖海到空氣土壤，從宏觀世界到微觀世界，微生物無處不在。在地表和地球深部極端環(huán)境中，微生物是少數(shù)甚至唯一能夠存活的生命形式。其中，冰凍圈微生物是極端環(huán)境微生物研究中極具代表性的研究對象。

冰凍圈（cryosphere）是指地球表層連續(xù)分布且具有一定厚度的負(fù)溫圈層，主要分布在地球兩極和高山地區(qū)，組成要素包括冰川、冰山、積雪、河冰、湖冰、海冰和凍土等。冰凍圈環(huán)境寒冷、缺氧、黑暗，人類活動微弱，這種獨特而極端的環(huán)境蘊藏著豐富的微生物資源，部分微生物可以存活數(shù)百萬年。證據(jù)表明，冰凍圈事實上構(gòu)成了微生物的巨大存儲池，保存著古微生物多樣性和進化歷史的珍貴記錄。同時，冰凍圈與其下游生態(tài)環(huán)境、人類生產(chǎn)生活具有直接或間接的聯(lián)系。隨著生態(tài)環(huán)境的變遷和人類活動的拓展，冰凍圈微生物自身及其與人類世界的關(guān)系處于不斷演變中。

氣候變化對微生物的影響及微生物的反饋機制近年來逐漸受到關(guān)注。尤其值得注意的是，病原微生物對人類的不利影響可能在加?。好浇閭鞑魅静?、海洋生物感染、農(nóng)作物感染、抗生素耐受微生物的風(fēng)險增加均與氣候變化及人類活動存在相關(guān)性。全球變暖背景下，冰凍圈正在持續(xù)且加速融化、縮減，凍存其中的微生物被“解封”，一些微生物適應(yīng)新的環(huán)境條件從而復(fù)蘇存活，而它們對當(dāng)代生物圈的影響值得評估。本文主要從冰凍圈微生物多樣性和生物安全的角度，剖析氣候變化條件下休眠微生物釋放、復(fù)蘇對生態(tài)環(huán)境和人類健康的影響，并提出相應(yīng)的風(fēng)險防控建議。

冰凍圈微生物多樣性

根據(jù)以積雪、海冰、冰川、凍土等為對象的調(diào)查研究估計，冰凍圈中細(xì)胞密度范圍為10—10⁸ cells·mL^-1，細(xì)胞總數(shù)可達10²⁵—10²⁸個。隨著測序技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展及調(diào)查范圍的擴大，冰凍圈蘊藏的復(fù)雜微生物群落正在被更為系統(tǒng)、完整地記錄和揭示。

冰凍圈是受氣候變化影響顯著的地區(qū)，微生物作為生態(tài)環(huán)境中碳、氮和各種營養(yǎng)物質(zhì)降解與循環(huán)的參與者，對全球生物多樣性的動態(tài)變化至關(guān)重要。氣候變化引起冰川、凍土等的融化改變了冰凍圈生態(tài)環(huán)境，對當(dāng)?shù)貏?、植物等生物的組成、數(shù)量、分布、生理狀態(tài)等造成影響，直接或間接地改變著棲息其中的微生物群落的數(shù)量、組成和生態(tài)功能。同時，微生物群落的變化也會對生態(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生反饋機制，從而對生態(tài)環(huán)境的演化施加進一步影響。在此過程中，隨著冰川、凍土等融化而釋放的微生物離開原有棲息環(huán)境，其中復(fù)蘇微生物的增殖和代謝活動，可對周邊乃至下游生態(tài)環(huán)境的微生物多樣性及其生態(tài)功能造成深遠(yuǎn)影響。

細(xì)菌、真菌和古菌

針對北極和高山地區(qū)等典型冰凍圈環(huán)境的調(diào)查研究證實了冰凍圈中的微生物呈現(xiàn)多樣性。據(jù)估計，冰川環(huán)境中微生物的生物量約為10²—10⁴ cells·mL^-1 。例如，北極斯瓦爾巴（Svalbard）群島冰川底部冰和冰川融水中檢測到了豐富的細(xì)菌和真菌群落，細(xì)菌中放線菌門和變形菌門占主導(dǎo)，包括Flavobacterium、Cryobacterium、Hymenobacter等13個屬；真菌中擔(dān)子菌占比最高，分離得到分屬19個屬的30種絲狀真菌和10個屬的11種酵母，微生物組成依不同采樣位置而呈現(xiàn)顯著差異。喀喇昆侖山脈巴托拉（Batura）冰川冰中分離得到了Penicillium、Cladosporium、Geomyces等14個屬的真菌。對鉆取自青藏高原西北古里雅冰帽的50m冰芯進行分析，得到254個細(xì)菌屬，其中118種可歸入已知細(xì)菌分類，主要包括Janthinobacterium、Polaromonas、Flavobacterium等32種細(xì)菌。微生物組成依據(jù)冰層深度而呈現(xiàn)差異，指示了不同時期的環(huán)境變化和條件差異。

凍土也是微生物的重要棲息地，保存著不同年代的古微生物種群。凍土中的細(xì)胞密度可達10⁵—10⁸ cells·mL^-1。例如，瑞典北部斯托達林（Stordalen）沼澤的非連續(xù)多年凍土被認(rèn)為是一處模式北極泥炭地生態(tài)系統(tǒng)；利用宏基因組測序從該沼澤的大量凍土樣本中分析獲得了1529個基因組，其中細(xì)菌基因組1434個，古菌基因組95個，揭示了該凍土中存在跨越30個門的微生物類群。

病毒

研究者已在全世界多個冰凍圈環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了豐富的病毒資源。例如，南極林諾博拉爾（Limnopolar）湖中檢出大量DNA病毒和RNA病毒，大多具有不同于已知病毒的基因組特點。南極土壤中發(fā)現(xiàn)了大量噬菌體、藻類病毒和感染變形蟲的巨型病毒；病毒分布依采樣點呈現(xiàn)顯著不同，共涉及38個科，感染宿主涉及細(xì)菌、古菌、單細(xì)胞真核生物、昆蟲、脊椎動物和植物。瑞典北部斯托達林沼澤凍土中發(fā)現(xiàn)了大量DNA病毒，分析獲得1907個病毒基因組，有1106個在宏轉(zhuǎn)錄組中檢出，提示許多病毒處于活躍狀態(tài)，且其中僅有17%的病毒可在現(xiàn)有分類學(xué)中歸類。在美國阿拉斯加烏特恰維克鎮(zhèn)（Alaska Utqiagvik）采集的凍土樣本中病毒密度為10⁸ mL^-1，附近海冰樣本中病毒密度為10⁵mL^-1，分析得到476個病毒種群，其中僅有12%可歸入已知病毒種類。高海拔地區(qū)冰凍圈環(huán)境同樣發(fā)現(xiàn)了豐富的病毒種類。我國青藏高原古里雅冰芯不同深度的冰芯樣本（約520—15000年冰齡）中發(fā)現(xiàn)了33種病毒，其中4種可歸入已知病毒種類，其余29種為新病毒種類。大量新病毒類型的發(fā)現(xiàn)表明了冰凍圈在生態(tài)資源多樣性方面的獨特價值。

病毒通過“病毒-宿主”感染關(guān)系參與微生物群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控和元素的生物化學(xué)循環(huán)。一些病毒具有非同尋常的策略和基因來控制其復(fù)制及維持與宿主的長期關(guān)系。例如，有溶原性噬菌體的基因以衛(wèi)星噬菌體質(zhì)粒的形式存在于細(xì)菌當(dāng)中；有噬菌體編碼一種CRISPR/Cas自適應(yīng)細(xì)菌免疫系統(tǒng)，在提升自身競爭力的同時賦予其宿主免于其他噬菌體感染的免疫力。冰凍圈極端的環(huán)境條件維持著簡單的食物鏈，豐富多樣的病毒通過裂解宿主細(xì)胞、介導(dǎo)基因傳遞、參與宿主細(xì)胞代謝等方式調(diào)控微生物群落的數(shù)量規(guī)模，驅(qū)動微生物進化，并且影響著生態(tài)系統(tǒng)中碳和營養(yǎng)物質(zhì)的釋放和再循環(huán)。

冰凍圈微生物的生物安全風(fēng)險

在冰凍條件下，微生物處于休眠狀態(tài)或低代謝水平，該生理狀態(tài)抑制基因變異而有利于基因修復(fù)，支持著微生物的穩(wěn)定保存。同時，古微生物凋亡所分解釋放的生物分子（如基因殘余物），也因降解酶活性受到抑制而得以保存。冰凍圈內(nèi)冰川、凍土的融化或人類在冰凍圈活動的拓展，導(dǎo)致其中封存的微生物或基因殘余物離開原有棲息環(huán)境，直接或間接地與周圍乃至下游自然環(huán)境產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。有研究估計每年約有10¹⁷—10²¹個微生物細(xì)胞從冰凍環(huán)境中釋放，且證實休眠的微生物在百萬年后仍可復(fù)蘇。當(dāng)復(fù)蘇的古微生物進入當(dāng)今地球生物圈，其中的病原體和抗生素抗性基因?qū)θ祟惤】禈?gòu)成潛在威脅。

致病菌

研究者已在世界多處冰凍圈環(huán)境中分離得到病原微生物。例如，可感染免疫缺陷人群的條件致病菌Cryptococcus，具有多種極端環(huán)境適應(yīng)性的條件致病菌黑酵母菌（Aureobasidium pullulans），以及植物病原菌Pleosporales、Helotiales等。研究者還從冰芯、凍土等環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了距今百年甚至上萬年的病原微生物，包括短梗霉菌、隱球菌、白念珠菌等，這些古老的真菌以其特有的規(guī)避機制在極端寒冷和營養(yǎng)缺乏的環(huán)境下保存生命力。

病原微生物可通過復(fù)蘇感染、基因傳播等方式導(dǎo)致生物安全風(fēng)險，對人類、動物、植物造成影響。2016年俄羅斯出現(xiàn)炭疽疫情，調(diào)查者推斷病原體很可能源于埋藏于凍土中70余年的受感染馴鹿尸體——凍土融化導(dǎo)致炭疽桿菌釋放，通過馴鹿、牛等牲畜感染繼而傳播至人類。埋藏于冰凍環(huán)境的致病菌可隨冰雪融化而擴散，經(jīng)由水、動物等媒介傳播至人類，從而對人類健康構(gòu)成致病風(fēng)險。古老病原體中的致病基因還可通過水平基因轉(zhuǎn)移進入當(dāng)代微生物圈。

病毒

冰凍圈儲存著年代久遠(yuǎn)的病毒，冰凍條件使大多數(shù)古病毒都保持了完整性和多樣性，對人類具有極大的生物安全風(fēng)險。研究者從西伯利亞凍土、亞北極地區(qū)流冰、格陵蘭島冰等冰凍圈環(huán)境中提取到了距今幾百年乃至上萬年的DNA和RNA病毒（表2）。一些古病毒的基因組結(jié)構(gòu)和復(fù)制循環(huán)與可感染人類和動物的病毒具有相似性。古病毒的發(fā)現(xiàn)及復(fù)蘇病毒所展示出的感染宿主的能力預(yù)示著冰凍圈縮減所導(dǎo)致的極大生物安全風(fēng)險。全球冰凍圈的加速消融縮減和人類在極寒地帶不斷增強的工業(yè)開采等活動可“解封”凍存的微生物資源，從而開啟“潘多拉之盒”，“激活”過去全球傳染病的病原體。由于現(xiàn)代生物的免疫系統(tǒng)對古病毒并不熟悉，古病原體可能對現(xiàn)代生物構(gòu)成更大的威脅，從而引發(fā)廣泛的傳染病流行。

冰凍圈環(huán)境中病毒的演化及其與流行病發(fā)生的關(guān)系尚待深入研究，然而研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些潛在相關(guān)的病毒感染機制。在西伯利亞湖冰中檢測到了流感病毒，表明這種鳥類傳播的RNA病毒可以在高緯度冰或水環(huán)境中儲存。冰雪凍融儲存/釋放病毒和鳥類遷徙引入/感染病毒共同促進了冰凍圈病毒基因的動態(tài)變化和流動傳播。在亞北極地區(qū)流冰區(qū)凍存的馴鹿糞便中檢測到2種病毒，病毒通過馴鹿攝食植物或昆蟲傳播進入胃腸道，病毒殼體保護其在腸道中完成復(fù)制，直至通過糞便排出，病毒仍具有傳染性。冰凍條件下，病毒殼體保護病毒在數(shù)百年間不被降解。這些研究揭示了古病毒長期保存的穩(wěn)定性，以及病毒通過動物腸道等媒介保存、擴散的傳播機制。深入解析冰凍圈病毒跨越原有時空環(huán)境進入當(dāng)代生物圈后的演化機理，及其與宿主的互作關(guān)系，將有助于進一步評價古病毒的生物安全風(fēng)險。

抗生素抗性基因

抗生素抗性基因是冰凍圈生物安全風(fēng)險的重大威脅之一?？股乜剐砸呀?jīng)構(gòu)成當(dāng)今世界公共衛(wèi)生事業(yè)的一大威脅，特別是多種抗生素耐受細(xì)菌嚴(yán)重挑戰(zhàn)公共健康?？股乜剐赃^去普遍歸因于抗生素濫用。然而，研究者已在冰凍圈環(huán)境中發(fā)現(xiàn)了大量攜帶抗生素抗性基因的細(xì)菌和抗性基因組，這些抗性基因共涉及50余種抗生素，地理分布跨越地球多數(shù)冰凍圈環(huán)境。許多抗性基因與當(dāng)代致病細(xì)菌中的相關(guān)基因具有可比性，這表明抗生素抗性具有古老且世界性的起源，早于人類使用抗生素。

冰凍圈中的抗性基因可能隨著雪冰的融化而釋放，繼而隨細(xì)菌增殖擴散，通過水平基因轉(zhuǎn)移被冰凍圈以外的微生物所獲得。有研究表明歷史上的冰凍圈融化很可能曾經(jīng)導(dǎo)致顯著的水平基因轉(zhuǎn)移，已經(jīng)對微生物進化造成了影響。冰凍圈微生物構(gòu)成了一個抗生素抗性基因的存儲池，可通過基因轉(zhuǎn)移影響抗生素耐藥菌的進化過程。例如，復(fù)蘇的攜帶抗生素抗性基因的非致病菌，可能從環(huán)境中獲得致病基因，或?qū)⒖股乜剐曰騻鬟f給其他微生物。當(dāng)冰凍圈微生物不適應(yīng)新環(huán)境而分解，其所釋放的基因殘余物中的抗生素抗性基因，也可能傳遞給周圍環(huán)境中的微生物。遷徙鳥類等動物、空氣傳播細(xì)菌均可在抗性基因的擴散傳播中充當(dāng)媒介。

對策建議

建立冰凍圈微生物戰(zhàn)略資源庫

冰凍圈微生物的多樣性使其構(gòu)成了一個微生物資源的存儲池，其中保存著大量新穎的原核、真核微生物和病毒類型。一些微生物具有特殊的生物功能，如極端條件適應(yīng)性、抑菌性、生物催化或合成能力等，這些基因資源未來可用于生物技術(shù)研發(fā)及生物化工、生物制藥等領(lǐng)域。建議在充分調(diào)查和掌握冰凍圈微生物多樣性的基礎(chǔ)上，開展冰凍圈微生物資源建庫工作。同時，鑒于冰凍圈古微生物存在潛在的病原菌和抗生素耐受菌，這與生物安全防控息息相關(guān)，是研究傳染病傳播、抗生素抗性基因及其進化機制的珍貴材料，建議建立專門的微生物樣本實體庫和基因組數(shù)據(jù)庫，并將其納入國家生物安全戰(zhàn)略資源。

開展冰凍圈病毒學(xué)普查，建立監(jiān)測和預(yù)警機制

冰川凍土等冰凍圈要素保存了不同時期的病毒樣本，通過宏基因組學(xué)和病毒分離鑒定等手段，可以分析冰凍圈病毒組成和多樣性的時空變化，反映極端環(huán)境中和受氣候變化影響下病毒圈的演變，揭示歷史不同時期病毒的特點及其與傳染病流行的時空關(guān)聯(lián)。

中國作為全球中低緯度地區(qū)冰凍圈最發(fā)育的國家，冰川、凍土和積雪分布廣、數(shù)量大。其中，青藏高原以其深居內(nèi)陸、低緯度、高海拔的獨特地理特點而被稱為“第三極”，具有十分重要的生態(tài)學(xué)價值。有必要聚焦青藏高原等代表性冰凍圈中的微生物多樣性，開展病毒學(xué)普查工作。針對特殊生境，包括冰川和凍土及其中埋藏的動植物干尸，以及其他可能保存古老病毒的環(huán)境，進行廣泛的病毒學(xué)普查、病毒多樣性和形態(tài)學(xué)分析，提前了解可能會釋放到環(huán)境里的病毒種類，回溯分析古病毒與傳染病流行的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，建立冰凍圈消融釋放病毒種類、通量及對生態(tài)環(huán)境影響的長期監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，綜合長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和模型模擬，設(shè)置預(yù)警機制。

多學(xué)科視角開展冰凍圈病原微生物研究

冰凍圈微生物中含有的致病菌、病毒和抗生素抗性基因提示了潛在的生物安全風(fēng)險，這些風(fēng)險因素與生態(tài)環(huán)境、人類健康的關(guān)系有待深入解析。為充分評估冰凍圈微生物的生物安全風(fēng)險，需結(jié)合基因組分析、病原菌致病機理研究、病毒致病機理研究、病毒與宿主的互作分析等一系列手段，對特殊生境里的古老微生物進行前瞻性研究。同時，人類健康和疾病防控是一項涉及多學(xué)科、跨時空尺度的研究課題，需要將古微生物致病機理研究、病原體及其傳播機制等研究納入多學(xué)科研究框架，充分吸納病原學(xué)、流行病學(xué)、生態(tài)學(xué)、社會學(xué)、人類學(xué)等學(xué)科知識和大數(shù)據(jù)分析方法，從更為全面的視角探討病原菌、病毒等微生物的致病機理、擴散傳播機制，以及潛在的生物安全風(fēng)險。

（作者：徐靜陽，中國科學(xué)院微生物研究所；張強弓，中國科學(xué)院青藏高原研究所；施一，中國科學(xué)院微生物研究所。《中國科學(xué)院院刊》供稿）