James M. Tiedje院士：微生物与气候变化——未来研究的新篇章

题目：Microbes and Climate Change: a Research Prospectus for the Future

作者：James M.Tiedje, Mary Ann Bruns, Arturo Casadevall, Craig S. Criddle, Emiley Eloe-Fadrosh,David M. Karl, Nguyen K. Nguyen, Jizhong Zhou

期刊：mBio

时间：2022年4月19

摘要

气候变化是人类面临的最严峻挑战。微生物产生和消耗三种主要的温室气体（二氧化碳、甲烷和一氧化二氮）。部分微生物会引起人类、动物和植物的疾病，而这些疾病可能会因气候变化而加剧。因此，需要微生物研究来帮助改善由高温、干旱和严重风暴造成的变暖影响和连锁效应。作者简要总结了三个主要生态系统（陆地、海洋和城市）中微生物对气候变化的反应。并对减少微生物温室气体和减轻微生物致病影响的新研究方向提出建议，包括对气候对微生物过程的影响、系统的相互依赖性和对人类干预的反应，利用微生物及其碳和氮转化来生产有用的稳定产品，改进气候模型的微生物过程数据，以及采用One Health方法研究微生物和气候变化。

主要内容

不同生态系统中气候变化和微生物的相互依赖

陆地环境

尽管土壤微生物通过控制土壤有机物 (SOM)（陆地生物圈中最大的有机碳库）的周转量在调节地球气候方面发挥着至关重要的作用，但对气候变化如何影响土壤微生物以及它们如何调节地球气候的理解依然非常有限。从理论和经验的角度来看，预计气候变化对土壤微生物的影响在不同的生态系统中会有很大差异，这主要是由于陆地生态系统在气候、植物多样性和组成、土壤物理、化学、微生物群落的组成和结构以及进化史等方面存在巨大的空间异质性。假设气候变化对土壤微生物的影响不会在较长的生态时间内显示出线性增加或减少，因为自然环境下的生态系统是复杂的，它们的响应是非线性的，并且它们的动态是时间依赖性的。

为了寻找微生物对气候变化的反馈反应的一般模式，迫切需要在不同大陆的各种生态系统中，在现实的野外环境下进行以微生物为中心的多因素气候变化实验。这是因为受控实验是将气候变化因素的影响与混杂的环境变化区分开来的最有效方法，并能够量化陆地生态系统对人为扰动的响应和反馈。开展微生物为中心的实验将能够检查表土和底土中的不同土壤微生物（例如，细菌、古细菌、真菌、原生生物和病毒）和小型动物对多种气候变化因素（例如，变暖、升高的二氧化碳、干旱、降水增加、养分添加及其相互作用）。这样能够收集系统的时间序列土壤样本（起始、每周、每月、季节性和每年等）和相关的生态系统过程数据（植物生产力、土壤呼吸、土壤碳动态和营养状况等）。这些数据对于应用高级数学工具预测它们的非线性动力学和解释潜在的群落组装机制，特别是不同微生物、生物之间的生物相互作用（例如，植物、土壤动物和微生物）及其对生态系统功能的重要性具有重要价值。通过来自全球代表性生态系统和环境的微生物动力学和相关生态系统功能过程的可靠长期系统数据，可以获得关于微生物对气候变化的反馈响应的共识和一般规律，以将对知识的理解从单个研究站点扩展到区域、大陆和全球。

海洋环境

海洋在全球气候动态中发挥着关键作用。全球海洋覆盖地球约 70% 的面积，平均深度为 4,000 米。海洋在物理和化学上是多样化的（热带到两极、表层到深渊等)，形成不少于50个生物群落（biome）。每个生物群落都支持一个独特的微生物生态系统。海洋微生物已经适应了不断变化的星球，并发展出生理可塑性，可以为人类引起的气候变化提供一些保护。然而，目前由温室气体引起的气候变化比地球历史上任何时候都高，对海洋微生物构成了巨大威胁。快速的栖息地变化，如海洋热浪造成的变化，可能会威胁全球生物多样性，并迫使海洋栖息地进入替代的、不太理想的生态系统状态，对未来变化的整体可塑性降低。

由于海洋变暖和酸化的生态影响在几个世纪的时间尺度上基本上是不可逆转的。因此对微生物和气候变化有一个科学全面的了解迫在眉睫。大部分海洋相对难以接近，因此目前气候变化对海洋微生物过程影响的直接测量仅限于少数长期海洋观测站。新的生物地球化学模型将需要考虑不同微生物群落的可塑性以及多种驱动因素的相互作用，以准确预测气候变化的影响。在这方面，使用天然微生物群落的观察和扰动实验是必不可少。对海洋热浪微生物生态学的详细研究将是未来微生物与气候变化研究的很好组成部分。

城市环境

(i) 管理垃圾填埋场的甲烷排放。

作为城市固体废物的终点，垃圾填埋场须进行严密监控，以防止甲烷逸出。需要监测和更新模型以确保产甲烷速率不超过甲烷氧化速率。甲烷氧化生物反应器可以将回收的甲烷转化为有价值的产品，例如单细胞蛋白质或生物塑料等。这种生物反应器的设计和操作面临的挑战是由于甲烷和氧气的低溶解度导致的传质限制、甲烷/氧气混合物的安全管理以及热管理的规定。

(ii) 通过甲烷封存碳。

人类和家畜会产生大量粪便，预计到 2030 年，全球每年会产生 4.6 gigatons的干废物。其他城市碳流包括食物垃圾（约 0.5 GtC/年）和纸张/纸板垃圾（0.2GtC/年）。假设收集这些物流并将其转化为甲烷（废物有机成分：50% 碳、80% 可生物降解、90% 转化为甲烷），可产生 2.2 GtC 的甲烷每年。废水厌氧二级处理的最新进展表明，在温带气候下可实现净能源运行。该技术的核心是活性炭颗粒上的乙酸发酵型产甲烷菌。高速产甲烷和甲烷热解的结合可以使碳作为石墨烯回收，用于城市环境中的各种应用。

(iii) 缓解氧化亚氮。

氧化亚氮（一氧化二氮）是一种强效温室气体，也是平流层中最重要的臭氧消耗剂。在有氧条件下，它是氨氧化古菌和细菌介导的氨氧化的副产物。在反硝化（缺氧）条件下，氧化亚氮是通过将 NO 还原与电子供体（如 Fe(II)、硫化物和硫）以及有机物的氧化耦合产生的。需研究以确定和量化关键环境（河口、土壤、填埋场和废水生物反应器）内氧化亚氮的产生和消耗机制。

(iv) 废水与气候变化和人类健康。

气候变化及其相关的高温、洪水、水质下降和疾病媒介会增加疾病传播，尤其是在人口稠密的环境中。正如新冠大流行所揭示的那样，监测生活废水中的病原体被证明是监测疾病传播的宝贵工具。这种监测可能及早发现细菌或病毒疾病的爆发，从而做出更明智和更及时的决策。还可以测量抗生素抗性基因 (ARG)。气候变化是推动病原体和 ARGs 扩散的“威胁倍增器”。需要进行研究以确定病原体监测在管理疾病暴发方面的有效性和广泛性，包括由气候变化驱动的疾病暴发。

气候变化和公共卫生中的微生物

尽管绝大多数细菌、病毒和真菌不会引起疾病，但气候变化导致前所未有的生物地理变化，导致宿主、载体和微生物之间发生前所未有的相互作用。气温升高、干旱和极端天气导致了新病原体的出现。以前被认为是非致病性的真菌现在越来越多地与抗生素抗性和高度侵袭性的真菌疾病的发生有关。温度升高会影响空气中微生物的密度，并会加速它们的长距离运输。更高的温度和环境压力也会改变人类和动物的生理机能以及对病原体的防御。皮肤和肠道微生物组的保护性可能会降低。接触来自野生动物的人畜共患病原体（称为“溢出”）会带来额外的“溢出”风险，即病原体从人类重新引入动物并经历突变以构成新的疾病威胁。微生物与宿主之间的相互作用弱化可能会导致抗生素耐药性或生态位扩张。不同的病原微生物通过可移动遗传元件增加传染性并促进新生态位的定殖。加强监测病原体对气候变化的反应及其对宿主-病原体相互作用影响的研究对于减轻气候变化对公共卫生的影响至关重要。基于更全面的“同一个健康”思维方式的教育和研究可以帮助人们认识微生物威胁，并将这些知识应用于公共卫生监测和保护。

模型中的微生物角色：通过创新弥合差距

宏基因组学和其他组学技术具有广泛的潜力，为全球变暖情景下的气候模型和病原体监测工作提供重要信息。通过大规模测序直接从给定环境中获得微生物基因组提供了对微生物多样性和功能潜力的全面了解。然而，这种潜力如何在气候科学和应对气候变化中应用？为了促进这种转化，需要采取大胆和创新的行动来扩展研究原位微生物功能和代谢率的高通量测量工具包，开发和推进考虑微生物规模的数学模型，并从根本上改变数据基础设施和数据共享实践，以全面支持微生物组数据的快速传播、使用和知识提取。微生物群落的代谢动力学和表型特性知之甚少。开发新的数学技术将使微生物代谢动力学转化为生态系统和全球模型。数据驱动的方法和强大的共享数据基础设施将推动微生物与气候模型的整合，提供改进的气候预测和潜在的新减缓策略，进而造福于人类社会。

结论

压倒性的证据表明微生物会导致气候变化。微生物是各个层面大气变化的主要参与者，包括陆地、海洋和城市地区。从温暖的牛瘤胃到永久冻土区融化的土壤、海洋中的共生珊瑚系统以及我们城市的碳废物，微生物新陈代谢正在产生和吸收会影响气候变化的气体。因此，在气候变化模型中须考虑微生物对大气碳输出和固定贡献。微生物、气候变化和人类福祉之间的三重关系需要跨学科进行更多的研究和合作，以解决复杂的问题。随着微生物适应变暖的世界，它们可以通过改变宿主-微生物相互作用的模式、改变微生物生物地理学以及改变陆地、水生和城市微生物学对人类福祉产生直接影响。该领域需要有统计依据、假设驱动的机制研究，以促进对微生物在气候变化中的作用及其对环境驱动因素反应的理解，无论它们是自然的还是人为干预的。 

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