【原】Science子刊 | 山東大學張正組-人類活動和氣候變化加劇病原菌在全球生態系統中擴散

氣候變化對人類健康產生了深遠的影響。環境介導的人類病原菌（Human pathogenic bacteria，HPB）感染被認為是全球健康損失的重要原因。然而，人類病原菌的生物地理學及其對氣候變化的反應在很大程度上仍然未知。本研究使用了全球1066584個樣本構建并分析了潛在人類病原菌的全球圖譜。人類病原菌廣泛存在于全球環境中，其分布遵循緯度多樣性梯度。氣候和人為因素被確定為人類病原菌全球分布的主要驅動因素。本研究預測表明，到本世紀末，人類病原菌的豐富度、豐度和入侵風險將在全球范圍內增加，并且隨著人類發展可持續性的下降，這種上升趨勢將變得更加明顯。因此，在人類活動加劇和全球氣候變暖的世界中，環境介導的人類病原菌感染對人類健康的威脅可能會更加嚴重。

氣候變化可能是二十一世紀最大的健康威脅，通過破壞健康的環境和社會決定因素，直接或間接影響人類。薈萃分析表明，由病原微生物引起的人類傳染病會因氣候變化而加劇。我們需要考慮的最關鍵問題之一是氣候變化如何改變和加劇致病細菌、寄生蟲、真菌和病毒的傳播。

氣候和土地利用的變化將導致物種以新的組合聚集，從而推動病毒的跨物種傳播。由于全球變暖，具有致病潛力的真菌的耐熱性增強，可能導致新的真菌疾病。與非細菌原因（例如真菌感染、瘧疾和艾滋病毒）相比，人類病原菌（Human pathogenic bacteria，HPB）感染是全球第二大死因，估計每年導致全球約770萬人死亡。然而，盡管最近許多單獨研究強調了土壤、廢水、地下水和海洋等環境中的人類病原菌污染和健康風險，但目前仍缺乏對于全球生態系統中人類病原菌的分布特征和驅動因素的系統分析，也尚未量化氣候變化對人類病原菌的潛在影響。

人類病原體全球目錄和大量已測序微生物群落數據的飛速積累，已使通過大數據解讀人類病原菌全球分布特征及其潛在健康風險成為可能。本研究利用來自全球生態系統的超過100萬個微生物群落，構建和分析了潛在人類病原菌的全球圖譜，并展示了其在不同生態環境和大洲微生物群落中的分布特征。

本研究在1066584個已測序的微生物群落中檢測了人類病原菌，這些群落來自全球范圍的動物、植物、土壤、水體等棲息地。結果在多達88%的自然群落中識別出了人類病原菌。這些病原菌來自9個門16個綱36個目69個科113個屬330個種，其中接近90%的種集中在Pseudomonadota、Bacillota、Actinomycetota和Bacteroidota（圖1A）。自然群落中的人類病原菌存在緯度多樣性梯度（LDG），其豐富度和相對豐度均與絕對緯度之間存在微弱但顯著的負相關關系（圖1B, C）。在大陸尺度上，非洲自然群落中的人類病原菌檢出率、豐富度、相對豐度均最高，其次是亞洲，而南極洲最低。就不同棲息地而言，動物宿主相關棲息地中人類病原菌的檢出率、豐富度、相對豐度均顯著高于植物宿主、土壤、水體棲息地（圖1D-F）。

根據人類病原菌潛在的致病性來看，各大洲的檢出率在28%至91%，各棲息地的檢出率在23%至97%（圖1G）。幾乎在所有棲息地類型中豐富度最高的都是靶向消化系統的病原菌，而最低的都是靶向皮膚/軟組織的病原菌。從病原菌的生物安全等級來看，BSL-1的檢出率在16%至88%，BSL-2的檢出率在46%至98%，BSL-3的檢出率在17%至52%（圖1H）。總之，在家養和野生動物、植物以及更廣的土壤、水體環境中廣泛存在人類病原菌，支持了人類健康與自然環境緊密相連的“同一健康”理念。

圖1 | 人類病原菌的組成和分布

病原菌與人類密切相關，本研究使用收集的指標評估了人類活動和環境中人類病原菌之間的關系。自然群落中人類病原菌的豐富度與國別預期壽命顯著負相關（圖2A）。中低收入國家自然群落中人類病原菌的豐富度顯著高于高收入國家（圖2B）。同樣的，高人類發展水平國家人類病原菌的豐富度顯著高于中低人類發展水平的國家（圖2C）。分國家來看，自然群落中人類病原菌的豐富度與人類發展指數、城市人口顯著負相關，而與全球多維貧困指數、病原體引起的每十萬人死亡率顯著正相關（圖2D-G）。因此，貧困、低城市化率等社會經濟因素可能加劇了人類病原菌在自然環境中的擴散。

人類病原菌大多在全球范圍是廣布的。高達94.2%的人類病原菌物種可以在棲息地之間共享，甚至31.6%的物種存在于所有被研究的26種棲息地中（圖2H）。病原菌物種的耐藥種類數與在各種棲息地中的平均檢出率和平均生態位寬度均顯著正相關（圖2I, J）。

圖2 | 人類病原菌豐富度與人類活動的關系

為了解密人類病原菌豐富度的全球空間分布特征，本研究從全球樣本中選擇了具有明確位置以及環境信息的微生物群落，并剔除了與海洋和人類相關的數據用于機器學習。利用隨機森林模型，本研究在全球尺度預測病原菌的豐富度，繪制了分布地圖（圖3A）。預測結果顯示，在一些人類活動頻繁的地區（東亞部分地區）、氣溫和輻射較高的地區（非洲和中東部分地區）或降水較多的地區（東南亞、中美洲），病原菌豐富度有著較高的水平。值得注意的是，印度次大陸的病原菌豐富度尤其高，該地區人類活動以及氣溫都處于比較高的水平。相反，人類活動較少且氣溫較低的地區，例如西伯利亞、加拿大以及青藏高原地區，病原菌豐富度較低。病原菌的豐度熱點分布和豐富度相比有所不同，但是緯度趨勢相似，均呈現從低緯度向高緯度降低的趨勢（圖3B）。

病原菌的全球分布地圖暗示著氣候因素和人類活動可能對病原菌的豐富度有著深刻的影響。本研究將用于構建模型的變量分為氣候因素、人為因素等幾大類，評估了變量對病原菌豐富度預測的重要性（圖3C, D）。結果強調了氣候和人類活動作為病原菌豐富度主要驅動因素的影響：氣候因素解包含了最大的模型重要性（44.2%），而人為因素占模型重要性的30%以上。這意味著氣候以及人為因素這兩大類變量，對于在空間尺度上塑造病原菌豐富度的貢獻度接近80%。本研究的結果強調了氣候因素對于人類病原菌豐富度的影響，同時也表明人為因素也是影響病原菌豐富度分布特征的主要因子，這可能是因為人類活動促進了病原菌在不同區域間的交流，進而增加了病原菌豐富度。

圖3 | 人類病原菌豐富度的全球格局

氣候變化對人類病原菌的影響仍然存在著重大的不確定性。因此，本研究模擬預測了在四種未來氣候情境下（SSP126：可持續發展；SSP245：中間路線；SSP370：區域不均衡發展；SSP585：化石燃料依賴型的發展路徑），到本世紀末（2081-2100）病原菌的豐富度（圖4A）。結果顯示，在任何一種情境下病原菌的豐富度均會升高，但是隨著人類發展可持續性的下降，病原菌豐富度上升的程度不斷增加，對應SSP126、SSP245、SSP370和SSP585四種情景，病原菌豐富度分別上升了11.7%、16.8%、21.5%以及26.6%（圖4B, C）。這表明，在不可持續發展的情況下，病原菌的豐富度可能會受到促進。進一步，本研究觀察不同收入水平地區病原菌豐富度的變化情況。結果顯示高收入和中高收入水平的地區病原菌豐富度上升的幅度大于中低收入和低收入水平的地區（圖4D）。暗示著氣候變化對病原菌豐富度的影響可能和發展水平等因素相關。

本研究還利用最大熵模型評估了人類病原菌在當前以及未來氣候環境下的全球入侵風險（圖4E）。在不同的氣候情境下，SSP370（4.0%）和SSP585（4.5%）入侵風險增加幅度更大，而更加可持續發展的SSP126和SSP245分別增加了2.6%以及3.2%。本研究的研究結果強調了人類需要可持續發展以限制未來病原菌入侵的必要性。

圖4 | 未來氣候變化情景下潛在人類病原菌的豐富度和入侵風險

本研究對來自全球生態系統的微生物群落進行了大規模的人類病原菌識別，確定了環境中潛在人類病原菌的分類學組成以及分布，發現其在自然環境中廣泛存在。同時，本研究觀察到病原菌在不同的棲息地和不同發展水平地區間存在著差異，人類活動能夠促進病原菌在環境間的傳播。本研究還通過建模的方法，繪制了人類病原細菌豐富度和豐度的全球分布地圖，評估了氣候變化對與病原菌分布的影響，發現不可持續性的發展會加劇病原菌的擴散。這些研究結果表明人類健康與生態環境間存在著密切的聯系，支持了“同一健康”理念。同時本研究也發現，人類活動和氣候變化能夠深刻影響病原菌在環境中的分布、豐富度和擴散，凸顯了減少溫室氣體排放，幫助中低收入國家改善醫療條件的必要性和急迫性。

山東大學微生物改造技術全國重點實驗室（研究院）博士研究生耿俞為本文第一作者，山東大學微生物改造技術全國重點實驗室（研究院）研究員張正和山東大學齊魯醫院（青島）助理研究員劉亞為共同通訊作者。