土壤中的细菌可以让你的汉堡包变“健康”
土壤中的细菌可以让你的汉堡包变“健康”
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土壤中的细菌可以让你的汉堡包变“健康”
大肠杆菌，攻击！
1993年，美国爆发了大肠杆菌疫情，全国超过700人因此患上重症。这 场疫情的罪魁祸首是那些未煮熟的牛肉饼。十三年后，另一起大肠杆菌 疫情致使大批预包装的菠菜被大规模召回，这一次，源头是一个种植菠 菜的农场附近的养牛场。此后，造成大肠杆菌感染事件爆发的原因还包 括食用了奶酪、洋葱、大豆和罗马莴苣等多种食品。这些疫情往往是由 同一种细菌引起的，即大肠杆菌O157:H7菌株。那么这个细菌到底是何 方妖孽？为什么它一再造成疾病的爆发？且看下文分解！
大肠杆菌的历史和性状
我们今天所知道的大多数细菌都是在近十年时间内被发现的。然而，大 肠杆菌是个例外。这种细菌是早在1885年由德国奥地利儿科医生特奥多 尔·埃舍里希（Theodor Escherich）在健康人的结肠中发现的，此后大肠 杆菌的学名便以以他的名字而命名。 “Coli”指的就是这种细菌生存的 地方，即结肠（colon）。因为大肠杆菌在实验室条件下活得很好，所以 微生物学家一直以大肠杆菌作为研究对象，以了解细菌是如何生长，并 如何对其周围环境做出响应的。 大肠杆菌的许多特征使其成为一个令人着迷的生物学研究对象，并在众 多研究对象中脱颖而出。首先，在合适的食物来源下，它会生长得很好， 而且不怎么挑食，一旦拥有足够的食物，就可以以惊人的速度繁殖：仅 需7个小时，一个大肠杆菌就能增殖分裂出一百万个后代！其次，细菌具 有改变它们自身基因的能力，而大肠杆菌更是擅长此技。基因是细胞的 “说明书”。 与其他更大的生物体（如动物）不同的是，细菌之间即可 以互相交换自身基因，也可以接受病毒的基因，还可以从环境中获取基 因。当一个细菌的基因发生变化时，其行为和能力也会随之发生变化。 而这些细菌的后代，也继承了同样的基因，成为特定菌株的成员——这 就好比你是家庭中的一员，你与你家人之间有许多共同的特征。菌株不 是以家族姓氏命名，而是由字母和数字组成的代码来被我们所标识的， 形如O157:H7。
超级菌株O157:H7
健康人的肠道之中生活着成千上万来自不同菌株的大肠杆菌，它们保护 人类免受沙门氏菌等其他病原体（或致病菌）的侵害。然而O157:H7菌 株并非如此。O157:H7于1983年首次被发现，现在仅在美国每年就有约 7.3万人被感染。O157:H7的独特之处在于它获得了一组基因，使得该菌 株具有产生志贺毒素（Shiga toxin，一种能使感染者生重病的有毒物质） 的能力。仅仅产生的这些毒素还并不足以威胁到我们的健康，O157:H7 还有一种使自己变为病原体 的“操作”：它会积极地尝试把自己传播出 去，尽管并非所有菌株都会如此。这种传播行为的产生，也是由于从环 境中获取基因的结果（图1）。 自1993年以来，几乎每年都会爆发由O157:H7引起的疾病。为什么这种 疾病会一再发生呢？答案很简单：大肠杆菌可以接触到食物的途径实在 太多了。如果用来制作汉堡的牛肉是来源于一头受感染的牛，那么我们 的汉堡包很可能遭到了O157:H7的污染，但这都不是什么问题，因为我 们从来不会生吃汉堡包。待汉堡包熟了之后，里面的大肠杆菌会被高温 杀死，所以肉是可以被安全食用的。但是像生菜这样的蔬菜，我们经常 会选择生吃，如此一来，在吃的时候那些细菌可能还活着。 正常情况下，大肠杆菌会在牛的肠道中生活数周乃至数月，但并不会使 牛致病。这些动物的粪便中含有许多大肠杆菌，一克受感染的牛的粪便 中可能含有超过5000万个大肠杆菌，这些大肠杆菌一旦随着粪便离开牛 的体内，就极难被清除。这些细菌可在粪便中存留时间超过21个月，在 此期间会有充足的机会进入土壤。如果粪便进入水体，里面的细菌可能 会存活8个月以上，在此期间，当这些水被用作农作物灌溉，它们也会有 可能进入土壤。大肠杆菌一旦进入土壤，就可能会接触到农作物，从而 导致水果蔬菜受到污染。
土壤细菌，一种解决方案
既然这些细菌能存活如此之久，又如此容易传播，那么为什么大肠杆菌 却相对比较罕见呢？答案是：为“玷污”我们的蔬菜，大肠杆菌必须在 土壤中生存，但是它们在土壤中生存的能力是十分有限的。大肠杆菌在 土壤中只能生存3个月。科学家们认为，土壤细菌的多样性，或者说是自 然生活在土壤里的不同种类的细菌的数量，使得一切变得不同。没有哪 个环境比土壤更多样化的了。手中的一把土壤就包含了多达一万种不同 的细菌，而且很多时候，大部分是非传染性的大肠杆菌菌株。科学家们 已在一些实验中发现，土壤生物多样性越高，危险细菌就越难以成功入 侵。究其原因，似乎与入侵细菌所需资源的可用性有关。细菌对资源的 消耗就好比动物对食材的偏好，不同菌株所消耗的资源是不同的。当土 壤中原生细菌的多样性很高时，细菌群落会消耗大量的资源，直至资源 所剩下无几。一旦大肠杆菌进入到这种环境之中时，就会因无法进食和 生长而死亡。而当土壤细菌群落的多样性较低时，由于那里的资源无法 被全部消耗掉，余留下的“残羹冷炙”就会被大肠杆菌用于其繁衍及传 播。
抗生素是如何成为大肠杆菌的帮凶的？
综上，现在我们已经知道了土壤中细菌多样性是如此重要，多亏了它们， 才能确保留给那些致病细菌的资源变得少之又少。不幸的是，土壤细菌 不断地受到抗生素的威胁。人类使用抗生素来防治动物和自身的疾病， 但让我们始料未及的是，土壤却也因此遭遇到了抗生素。不妨回想一下 土壤被致病性大肠杆菌菌株污染的原因——牛的粪便。为了防止疾病爆 发，奶牛通常会被注射大量的抗生素。这些抗生素并没有被牛的身体所 完全利用，部分抗生素便可以通过牛的尿液和粪便排放到环境中。但这 仅仅只是个开始。同样地，在人类排出的污水之中，在养鱼场的污水之 中，也都富含抗生素。这些水进而注入河流，之后又被用于灌溉土壤、 发展农业。抗生素一旦接触土壤，就会杀死土壤中的大多数有益细菌， 并留下那些有助于致病细菌生长繁殖的资源，从而可能导致疾病传播。 世界上越来越多的国家已经制定了相关法律，限制在牛等牲畜身上使用 抗生素，以此减少抗生素在环境中的扩散蔓延，保障本国公民和野生动 物的健康。
细菌：敢问路在何方
早在19世纪以来，人类就已经知道细菌可以致病了，但如今我们依然在 探索细菌帮助我们预防疾病的方法。事实上，仅仅只在过去的二十年里， 我们才开始了解洞悉细菌多样性的内涵外延。我们曾以为，干净的环境 就是一个无菌的环境。随着我们对细菌世界有了越来越多的了解，我们 对“干净”的定义也随之发生改变：从强调无菌，到强调要有“好”的 细菌。正是这些“好”的细菌在防止致病细菌成功入侵中发挥作用。我 们现在知道细菌无处不在，且没有细菌，万物将无法生存。我们的研究 也正在从试图让这个世界维持无菌，转向如何挑选出“好”的细菌，即 那些有助于我们改善环境和维持健康的细菌。截止目前仍有许多疑问尚 未得到解答，就比如：哪些是“好”的细菌？又是什么让它们如此脱颖 而出、鹤立鸡群？
Figures
Figure 1: 与其他大部分生物体不 同的是，细菌可以改变 自己的基因 (A) 大肠杆菌O157:H7 菌株带有病毒感染后留 下的基因。 (B) O157:H7也从环境 中获取了基因。细菌还 可以从别的细菌中获取 基因。 病毒 种可导致疾病发生的生 物体
Figure 2: 通往汉堡包的多种路径 来自受感染的牛的肉最 终会进入生的汉堡包的 肉饼之中，而大肠杆菌 则随粪便从牛的肠道抵 达土壤，并与土壤中的 原生细菌产生竞争。如 果大肠杆菌能在土中持 续存活、不断繁殖，就 可能会导致对生菜、菠 菜、洋葱等农作物的污 染。 多样性 个群落中不同物种数目 的多少