微生物的多样性与人类生物安全

【中图分类号】Q93 【文献标识码】A

微生物无处不在，与人类长期共存。随着时代的进步和科学技术的发展，人们逐渐认识到，微生物所带来的风险并未减少，时至今日，我国面临的微生物安全风险较以往任何时候都更为复杂和多样，微生物安全问题已经成为无法回避的安全议题。面对微生物安全的新形势、新任务和新挑战，习近平总书记在中央全面深化改革委员会第十二次会议上强调：“把生物安全纳入国家安全体系，系统规划国家生物安全风险防控和治理体系建设，全面提高国家生物安全治理能力。”新颁布的《中华人民共和国生物安全法》详细规定了生物安全的多方面内容，其中绝大部分内容与微生物有关。由此可见，微生物安全问题正在国家层面产生持续的影响并逐渐转化为国家生物安全风险防控和治理的重要内容。从一定意义上来说，只有正确认识人类与微生物的关系，特别是多样化的微生物与人类生物安全的多重关系，才能准确推进微生物安全风险防控和治理工作。

人类与微生物的关系

与其他生物相比，微生物的种类极其丰富，普遍存在于地球生态圈与人类社会中。无论是我们生活的外部环境还是人体内部，都存有数目庞大的微生物。它们不仅千姿百态，而且繁殖迅速，给人类的生产和生活带来了极为深远且重要的影响。表面上看，微生物与我们人类生活相距甚远，但事实上，它与人类生活密不可分。这些微生物不仅关乎我们每一个人的生命安全、身体健康，更广泛存在于食品、医疗保健、工农业生产、环境保护等诸多领域，在给人类带来有益作用的同时，也会滋生风险。

微生物与人类健康的关系。相关研究显示，存活于人体内外的细菌个体数量约为1亿个左右，而一个普通成年人的人体细胞仅为1000万个。这不仅仅表明人体的细菌数量是人体细胞数量的10倍，更意味着微生物与人类健康有着紧密联系。存活于人体口腔、肠道或皮肤的微生物群中，有数百万的种群不但不会对人类产生任何伤害，反而有助于保护人类免受有害微生物的感染。但仍有相当的有害微生物，例如一些占比不到总量1%的细菌、病毒、真菌和原生动物等可以侵入宿主（人类）并致病，例如感冒、水痘、腺鼠疫、结核病、疟疾和皮肤癣等。引起疾病的微生物被称为病原体。此外，国际微生物学会联合会（International Union of Microbiological Societies）以及微生物学界的研究者们也广泛认为，有强有力的证据表明，微生物可能会导致某些非传染性慢性疾病，例如某种形式的癌症或冠心病。

尽管微生物能够传播并导致大量广为人知的疾病，然而随着生物技术的发展，通过人为给药的方式，使得已经死亡或灭活的微生物进入人体，可以刺激免疫系统产生相关微生物抗原的抗体。如疫苗接种就是这种技术的应用。时至今日，疫苗仍然是预防社区性和突发性传染病最有效的技术手段之一，而近年来疫苗技术的迅猛发展，则意味着微生物技术的发展再一次取得了能够深度影响人类福祉与进一步保障社会平稳运行的重大突破。

微生物与农业生产的关系。微生物与人类生活关系密切，并无时无刻不在影响着人类的生存环境。微生物在农业生产中扮演着无可比拟的重要角色。在农业生产中，微生物学与相关技术被广泛地应用于农业实践当中。利用农业有机废料，通过微生物发酵工程制取的单细胞蛋白、菌体蛋白或微生物发酵饲料等被广泛地应用于畜牧业与种植业的生产中。而利用微生物活动代谢作用制成的微生物肥料，不仅为各类基础农作物与经济作物提供了充沛的氮、磷、钾肥料，更降低了化学肥料的用量与其制造过程中产生的资源消耗与环境污染。不仅如此，随着基因组学和生物防治技术的发展与革新，微生物农药制剂可以利用其成分中分泌的有效代谢物质杀灭有害昆虫或农作物致病细菌。微生物农药的广泛应用将有利于降低化学农药的使用份额，从而在防止农作物病虫害的同时降低对大气、动植物与土壤的负面作用。此外，各类在市场中受到消费者追捧的食用菌（蘑菇）也是微生物为农业生产作出的重大贡献之一。

在农业和畜牧业生产中，只有少数类型的微生物能够将自然界中的氮气通过固氮酶还原为氮素这一构成生命物质与养分供给的关键元素。由微生物参与主导的氮循环在作物和牧草的栽培中扮演着重要角色。当环境中的生物所生产的蛋白质被特定的土壤细菌和真菌分解氨化后，硝化细菌和反硝化细菌能够将氨或铵离子氧化为硝酸盐并还原为氮气。在接下来的步骤中，为了向农业和畜牧业生产过程中提供足够的氮元素，除了生态圈本身存在的自然固氮系统外，工业固氮法与生物固氮技术发挥着重要作用。尤其是近年来微生物学的发展使得可持续循环且对环境几乎无负面影响的生物固氮技术在改良经济作物栽培技术中获得了相当的成就。近年来，通过研究并筛选不同栽培条件与作物搭配，中国南方大面积的基于红壤栽培的农作物产量与质量相较以往获得了显著的增长。此外，中国农业科学院与全国土壤微生物学界的最新研究表明，基于基因组学的研究使得对已经在中国北方农业产区逐步推广的联合固氮菌的进化模型、分子机理与根际间的竞争机制也被进一步地发现与完善。此类微生物学的研究成果都将有力地巩固、提升中国农业的国际竞争力与国家粮食安全水平。

微生物与工业生产的关系。微生物在工业生产中也发挥着举足轻重的作用。在生化制药、化学工业、食品生产领域，微生物学均是相关方向的主要分支学科。微生物药学和生物化学通过利用分子生物学技术，研究基于微生物资源药物及化学品的开发、生产与应用。大量的常用药品和制剂都是以微生物为主体与成分研发的，例如双歧杆菌乳杆菌三联活菌片、口服脊灰减毒活疫苗、复方氨基酸注射液等。在食品生产领域，单细胞蛋白类产品广为人知，例如用作生产啤酒、面包的酵母以及生产各种风味的酸奶所需要的发酵剂（乳酸菌）。尽管微生物在工业生产中起到了众多的正向影响，但是若在生产流程、工艺或保存流程中发生错误或逾过产品保质期，相关的药品、食品与化学品将对人体和环境产生毒副作用。

近来微生物学界从中国及全球各大盐场发现了盐古菌。由于盐古菌具备在高盐浓度下生存并维持活性的独特特性，使得盐古菌中的卤酶可以作为天然的生物催化剂，使得盐古菌具备了大量潜在的工业应用可能性，例如可以在石油开采中提高采收率、在高盐度纺织中抑制不需要的卤代菌生长、在餐具生产中作为生物降解塑料原料等。不仅如此，一些已知的藻类通过分离其中的脂质后，藻类中包含的碳水化合物也可被加工为生物乙醇，这被认为是一项对人类社会与经济发展具有重要影响的技术革新。因为在现阶段绝大部分乙醇是使用了植物材料的可食用部分所制成的，例如甘蔗、甜菜、玉米等作物，因为其成分易被分解为葡萄糖，可以被微生物发酵（分解）为乙醇。因此藻类制作乙醇的技术可以大幅度地增加粮食市场的作物供给，而非分流至工业生产。该项技术创新使得农业生产能在全球疫情或未来类似状况所导致的农业减产大环境下提高供给民生市场的粮食总量，从而进一步保障市场运行与社会稳定。

微生物与环境保护的关系。微生物不仅参与了与人类生产生活息息相关的氮循环与碳循环，更是温室气体（例如二氧化碳和甲烷）产生与消耗过程中的关键要素。在生态环境与全球气候中，微生物对温度和湿度间存在着各种可能的正反馈和负反馈效应。丰富的微生物在多样化的群落中，以复杂的方式与人类和环境相互作用。尽管当前预测微生物对于气候变化与环境变迁的影响仍存在巨大的挑战，但广泛的学术研究已经证实人类活动催化了微生物所生产的温室气体的质量。在自然界中，微生物被称为分解者，它们可以将死去的动植物及一些废物分解为营养物质，包括二氧化碳、水、钠和钾，并使其在生态系统中循环，从而形成完整的生态链与食物链。有研究指出，所有的必要元素，例如碳和氮都通过生化途径进行循环。因此，保持人类生存环境中微生物的多样性与种群平衡是人类长期生存发展的关键问题。

近年来，作为保护环境的重要手段，虽然电动汽车与氢燃料汽车技术已经逐步成熟并在市场中持续推广，但来自欧洲的科学家们仍未放弃可能的生物燃料以致力于进一步降低由人类活动所产生的温室气体。在最近的研究中，藻类被认为是最有可能成为化石燃料替代品的微生物。有研究指出，藻类通过光合作用将二氧化碳转化为糖后再代谢为脂质。而藻类脂质已经被证明可以被加工为生物柴油。此外，藻类可在水中培养的特质使得藻类的培育方式更加环保，不必像其他生物燃料的扩充栽培可能对森林或湿地造成破坏。同时，值得注意的是，生物固氮、工业固氮技术不仅能够在正常情况下为产粮区作物提供足够的生长元素，更能够在有机污水处理厂、高氨氮废水污染水系、日常餐厨排放废水中，利用特定的微生物处理技术，分离水体中的氮元素，不但能以环保节能的方式获得额外丰富的作物肥料，更可以降低化学治污所产生的经济成本与环境成本，从而利于从微生物学的角度为城市与生态污染治理提供额外助力。

微生物的多样性与人类生物安全风险

微生物的多样性。微生物种类繁多，无论是细菌、病毒、真菌，还是一些小型的原生生物、显微藻类等都是微生物的类型。其中，有些微生物是无法用肉眼观察的，它存在于空气中、水体中、各种动植物和人体表面，但有些却是可以看见的，如一些真菌：蘑菇、灵芝、香菇等。国内外微生物学界普遍认为，微生物的多样性主要可以概括为五类：一是微生物的物种多样性，整个生物圈中微生物种类的总数约为50万至600万左右。二是生理代谢类型的多样性，不同种类的微生物种有着不同的生理代谢方式，如紫膜光合磷酸化、化能自养或生物固氮方式等。三是代谢产物的多样性，是指不同的微生物通过自身代谢能够生产出相应的代谢物，其中包括初级代谢产物和次级代谢产物两类。其中，初级代谢产物有氨基酸、多糖、脂类等，这些代谢物是微生物自身生长或繁殖所必要的物质。相对应的，次级代谢产物对于微生物并无明显的生理功能或并非是其生长繁殖所必需的物质，且该类代谢产物是在一些微生物生长到一定的阶段后产生的具有复杂的化学结构的代谢物，如抗生素、激素、色素或毒素等。四是微生物遗传基因的多样性，可以被认为是微生物的基因型（genotype）、表型（phenotype）、变异（mutation）、饰变（modification）、生物学特性，以及微生物遗传规律多样性的概括性描述。五是生态类型的多样性，不仅是指微生物被发现广阔分布于生态圈的各个角落，还代表着其种群与群落结构的多样性，更代表着微生物与其他生物或物理环境关系的多样性。

生物安全风险。微生物的多样性不仅为人类的生产生活刻下了不可磨灭的印记，也会在某种程度或形式上对社会的发展与进步带来相应的负面效应。由于微生物具有体积小、易变异、生长繁殖速度较快等主要特征，如一般细菌大约需要20—30分钟即可繁衍一代。因而，一旦人体或动植物体遭受到这种微生物的入侵，便可造成人体患病或动植物病害，威胁人类身体健康和农牧业生产。正因如此，这些种类繁多、数目庞大的微生物在发挥有益作用的同时，也会带来空气、水体等自然环境的污染，人类、动植物等生物的疾病等一系列潜在的生物安全风险。自席卷全球的新型冠状病毒大流行开始，我国乃至全世界的目光再一次重点聚焦在了自20世纪起提出的生物安全风险问题上。最初对于生物安全风险的聚焦基本仅局限于转基因生物（Genetically Modified Organism）技术领域，随着技术的发展以及对国家安全认知的深化，生物安全风险的领域进一步拓展，已经包含但不局限于任何生物对于全球环境、人类社会与个体、动物或植物的生命与健康等任何对于人类福祉可能造成的潜在威胁与危害。目前我国在生物安全风险防范的领域已从传统的转基因生物安全扩展至包括自然形成的生物灾害以及生物技术误用所造成的安全问题方面。其中，由微生物特别是致病性微生物带来的突发传染病的流行、动植物病害、生物恐怖等生物安全风险给我国社会的各个方面乃至国家安全都带来了严重危害和巨大威胁。

微生物的多样性与人类生物安全风险。多样性的微生物不仅会带来动植物病害，造成食品、布匹、皮革等发霉腐烂，更会给人类的生态系统带来巨大风险。如病毒、细菌等微生物可以引起人类患病，威胁人类的生命健康。在人类疾病中大约一半以上都是由病原微生物引起的，它对人类最重要的影响之一就是导致传染病的流行。据世界卫生组织公开资料显示，传染病的发病率和死亡率在所有疾病中居于首位，如非典、艾滋病、甲型H1N1流感病毒、天花、埃博拉病毒等不仅会引起人类疾病，而且也会带来更多的潜在风险和难以估量的损害。由于微生物的多样性必然会导致疾病的多样性和复杂性，这给人类识别、诊断和治疗带来困难，尤其是新型或变异的病毒等微生物，有的在人们还没有彻底认识和消灭这些致病微生物之前，人类就可能会被感染致病。

人类生活在这个无时无刻不与微生物打交道的世界中，起初由于生产力低下和认识的局限性，与其他生物类群相比，人类对微生物多样性的了解相对较为匮乏，尤其是对致病微生物如病毒、细菌等的了解更是知之甚少，因此人类并不能够对微生物所带来的生物安全风险进行有效识别和科学应对。随着生产力的提高和生物技术的发展，人们逐渐开始重视并试图通过各种方式采取有效行动加以应对。但许多新发和突发的生物安全风险也在日益增多，一些病毒性疾病难以找到有效的治疗药物，致病机制尚未完全弄清，这些都会直接威胁人类的身体健康、生命安全和可持续发展。当前，我国正处于重要的发展时期，而在这样一个特殊的时期，我国在非传统安全——生物安全领域仍然面临着生物安全风险来源多样、生物威胁形式多样和生物事件后果的灾难性等重大风险和挑战。从这次疫情来看，由微生物引发的生物安全风险逐步升级，给人类造成难以估量的生命、财产损失，并开始超越传统安全成为人类生存和发展面临的重大安全风险之一。

通常情况下，人类与微生物处于相对平衡的状态，微生物并不会对人类的身体健康和生命安全造成危害，但由于受到多种因素的影响，这种平衡状态可能会被打破，出现微生态失调的现象，一些微生物，如病原微生物的产生就会给人类的生存和发展带来巨大风险。这些病原微生物一般是病毒或细菌，人类一旦接触就很容易被感染，若人体免疫力较强或病原微生物毒性不大，则人体不容易患病，反之就会引起人体发生病害，极大地危害人类的身体健康。近年来，SARS、禽流感、手足口病以及新冠肺炎疫情等重大公共卫生事件的暴发，都与病原微生物有关。此外，一些病原微生物，如在动物体表或体外寄居的寄生虫，会使本应健康的动物患上疾病，这些疾病若未被察觉并被人类所食用，就会给人类带来生物安全风险。病原微生物的产生能够直接损害人体健康，而一些微生物虽然不能直接导致人体患病，但却可以通过使食物发霉、变质或腐烂，产生一些霉菌、毒素等有害物质间接给人体造成伤害。因此，微生物导致人类患病的历史，就是人类与之不断抗争的历史。

总之，作为人类生存和发展必不可少的微生物，它不仅在环境污染治理、自然发酵、生产生化药物，以及提供食用菌等方面起着积极的作用，而且多样性的微生物也会导致重大传染病的产生和扩散、动植物病害等各种生物安全风险。我们应该尽量减少和消除微生物带来的重大风险，尽可能地发挥它在人类生产和生活方面起到的积极作用，合理运用微生物去有效规避生物安全风险，进而实现为人类造福的目的。

加强微生物安全风险治理

当前，由微生物引发的各类生物安全风险以其复杂性、多样性，开始超越传统安全成为人类发展面临的新型安全威胁。日渐频发的微生物安全风险，使得我国微生物安全风险治理变得更为紧迫，亟需站在国家总体安全的战略高度来充分认识微生物安全的重要性，构建新型的微生物安全风险防控和治理体系，这是有效防范微生物安全风险，抵御新型微生物威胁的重要途径。加强微生物安全风险治理必须理念先行，强化制度保障和技术创新的重要作用。

在全社会提升微生物安全意识。理念是行动的先导，目前社会各界对微生物与人类的关系，以及微生物安全风险及其应对方案的理解并未形成一种成熟的认知体系。由于微生物与人类关系的复杂性以及微生物知识的专业性较强，大多数人仍然对微生物安全知识知之不多，甚至存在认知片面、错误等误区。因此，加强微生物专业知识的教育、宣传和培训尤为重要。通过普及微生物安全科学常识和风险应对策略，提高社会各界对微生物安全风险的认知水平和参与应对能力，形成微生物安全治理的良好局面。

完善微生物安全法律制度体系建设。要有效应对微生物可能带来的生物安全风险，必须进一步探索和完善有关微生物安全风险治理的一系列制度设计。当务之急是在《中华人民共和国生物安全法》的基本框架下，进一步统筹和整合现有涉及微生物安全的法律法规，根据微生物安全治理的形势变化，及时跟进和制定有效防控微生物安全风险的新的法律法规，进而以微生物安全法律法规为基础，进一步建立和完善微生物安全风险监测预警与评估制度、风险联防联控制度等各项具体制度设计，从制度体系上筑牢微生物安全的“坚实防线”。

加强微生物安全技术研发与应用。面对复杂多变的微生物安全风险，必须发挥微生物安全技术的关键作用。一方面要以国家重大方针政策为牵引，加强微生物安全科技领域的总体部署和统一规划，加快整合各方面的优势力量，建设微生物安全技术协同创新平台，加强微生物危害模拟仿真与风险评估关键技术等重大微生物安全技术攻关；另一方面，深化微生物科技研发体系改革，加速微生物科技成果产业化和推广应用，充分发挥科学技术在微生物安全风险预警、预防、控制和治理中的支撑作用。

总之，微生物与人类相伴而生，无论是我们的周围环境还是机体内部都有大量微生物，多样性的微生物会带来风险的多样性和复杂性。微生物所带来的风险不仅影响我们每一个人的生命安全和身体健康，更是影响到国家安全的重大战略问题。我们应该准确认识微生物带来的收益与风险，既要积极开发和利用微生物为人类造福，又要对微生物带来的风险进行有效应对。只要我们能够正确认识和处理人类与微生物的关系，人类和微生物就能够共处于相互依存、互惠共生的微平衡状态之中。

（作者为西北大学公共管理学院/应急管理学院教授、博导；西北大学公共管理学院/应急管理学院博士研究生宋兆祥、硕士研究生裴索亚对本文亦有贡献）

【参考文献】

①[美]约翰·波斯特盖特著，周启玲、周育、毕群译：《微生物与人》（第2版），北京：中国青年出版社，2021年。

②司林波、裴索亚：《国家生物安全风险防控和治理的影响因素与政策启示——基于扎根理论的政策文本研究》，《中共天津市委党校学报》，2021年第3期。

③Aylward F O. The coevolutionary history of the microbial planet,Environmental Microbiology Reports,2021(1).

④Belk R, Humayun M, Gopaldas A. Artificial Life,Journal of Macromarketing, 2020(2).

⑤D'Abramo F, Neumeyer S. A historical and political epistemology of microbes, Centaurus, 2020(2).

⑥Amoozegar M. A, Siroosi M, Atashgahi S, et al. Systematics of haloarchaea and biotechnological potential of their hydrolytic enzymes, Microbiology, 2017(5).