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弧菌病发病机制及影响因子


  鲁义善,广东海洋大学教授,博士,硕士生导师,多年从事海水养殖弧菌病的研究,本文为其在2015中国海洋经济博览会南海现代渔业论坛的演讲,好评如潮,引发了强烈的头脑风暴,经湛江市水产学会整理为《弧菌是整个海洋环境当中最常见的菌群之一》、《细菌与我们的机体是相互依存的》、《病害——细菌和宿主相互斗争的结果》、《细菌通过种内信号和种间信号的相互作用感应其密度》、《弧菌之间毒力基因的交流非常频繁》、《弧菌病的发生主要取决于致病菌数和异养菌总数的比值》、《疾病的发生不单是因为致病菌群的增加,还因为池塘菌群总体的变化》等7个精彩段落,分与读者共飨。


  弧菌是整个海洋环境当中最常见的菌群之一


  在我们养殖环境中,它更是丰度非常高的弧菌群,而且由于我们现代的这种航运、洋流,还有水产品的国际贸易,导致弧菌的地域株之间的交换非常频繁。弧菌有一些特点:首先,它的宿主范围非常广,从鱼、虾、贝,甚至到人类都会感染,在美国FDA标定,有13种弧菌可以引起人类的肠胃炎、伤口感染和败血症等一系列的症状。弧菌的另外一个特点就是它的分布具有全球性。可以说,目前,随着全球变暖,弧菌病的分布向冷水区域开始发展。2012年,英国的一个研究小组在北部一些国家由于弧菌的感染导致了肠胃炎,还有伤口感染和败血症有所增加。而且他们研究发现,温度每上升1℃,弧菌的数量提高200倍。对于这样一个丰度非常高,在我们整个生态系统当中又非常常见,不管是鱼、虾、贝都会感染的一种菌群,作为病害防控者,我们一直在问这样一个问题:弧菌病的发病机制是什么?


  细菌与我们的机体是相互依存的


  在这里,我首先要讲出一个理念:从生物进化的角度来说,细菌并不是我们的敌人,而是我们的朋友,也是我们的祖先。那么,细菌和病毒的出现是在38-25亿年以前,叫前寒武纪的太古宙时代,而鱼类的出现是在奥陶纪中期,也就是大约5亿年以前,哺乳类的出现仅仅有6400万年的历史。也就是说,在鱼类还有哺乳类包括我们人类出现之前,细菌或者病毒已经在这地球上存活了几十亿年,而现在我们却要把它杀灭,把它清除。


  我们想一想,这可能吗?举一个例子,就拿细菌来说,我们自然界当中大约有1013个原核生物,它们与环境、与我们的宿主都是在共同进化的;再举个例子,就说我们人,人的消化管当中有1012个细胞,但是,却有1014个微生物。但是,我们必须认识到这样一个事实:虽然有这么多微生物,多数是因为它们是不致病的,这是一个事实,它们不致病是为什么呢?是因为它们与宿主是一个相互适应、相互依存、相互斗争的过程,我们平时说的病毒实际上仅仅关注了它们相互斗争的一面。我们经常说这样一句话:细菌与肝脏、肾脏等一样,是我们身体的一部分。


  另外,在微生物和机体相互作用的理论当中流传的一句话:肠道菌群是个体拥有细胞数量最多的、独特的“功能器官”。你们可能觉得这个有些太夸张,事实上,在微生物和机体相互作用的理论刚刚提出来时,一些科学家就预测到菌群也和我们的肝脏、肾脏一样有生物钟,遵循人体的生物规律,在24小时之内,它都有所变化。这个预测在去年2014由以色列的专家得到了论证,也就是说经常出差、做一些国际旅行的、经常倒时差的人,他的肠道菌群会失调,从而异致肥胖。从近十年以来,在《自然》、《科学》、《细胞》这种等高水平期刊上发表的有关肠道菌群与疾病和健康关系的论文已经达上百篇,其他的论文也有上千篇。


  现在,包括肥胖、糖尿病、癌症、自闭症等超过50多种疾病都证明其和菌群失调有关,所以说,细菌与我们的机体是相互依存的。我曾经看到这样一个报道:假设证明这个小的人是我们人的细胞,那么外围就是细菌的细胞;假设证明这个大的人是ATCG组成的DNA,那么外围这个大圈就是体内细菌的DNA。也就是说,我们看到的我们是一个活生生的人,实际上确切地说我们“十分之一的人”都不到。


  病害——细菌和宿主相互斗争的的结果


  然而,细菌总有和宿主相互斗争的一面,这就是病害,我们要关注。但是,我们要考虑这么一个微小的细菌,它是如何攻克宿主?相对于宿主来说,细菌是非常微小的,可以说像蚂蚁和大像的这种比例差不多,然而我们知道,蚂蚁也可以绊倒大象,这种就是靠群众的力量。在细菌的群体感应系统的发现者最初做的实验是用海洋中的发光弧菌——费氏弧菌。他们发现,单个培养或低浓度培养的费氏弧菌是不发光的,而高浓度培养的费氏弧菌就会突然集中地发生荧光。所以,可能存在一种触发机制,这种触发机制使得细菌在进入机体时暂时不攻击宿主。我们可以想一想,假设一个细菌或者少量细菌去攻击宿主时,它的下场只有被我们的免疫系统所清除,所以它所能做的就是繁殖,繁殖,再繁殖。当繁殖到一定数量之后,所有的细菌同时攻击宿主,这时就会产生疾病。


  细菌通过种内信号和种间信号的相互作用感应其密度


  那么,问题就来了!细菌是怎样感知这个“一定数量”的呢?现在,对于细菌的群体感应已经研究得相对比较透彻,发现费氏弧菌和哈氏弧菌有两种活性。简单地说,细菌会发出一种信号分子,这种信号分子就在细菌的周围。就像我们的荷尔蒙激素一样,当周围有它的邻菌时,它的邻菌也会释放这样的信息,因此,细菌就会感受到这个分子。


  相当于说,我们人与人之间的交流是通过语言、动作,而细菌之间的交流是通过这样一种化学信号,当它感知到周围有足够的邻菌,有足够的化学信号时,就会触发这个机制而发光。它的整个机制就是指,由一个细胞产生蛋白,从而产生小的化学分子,这个化学分子再和信号接受蛋白相结合来诱导触发疾病的发生。这样,问题又来了!我们的水环境是非常复杂的,而水环境中的菌群又是非常丰富的,不仅仅是同类的细菌,还有其它的细菌,而且细菌与细菌之间是相互作用的。


  也比如,我们学校食品学院孙进军教授曾经研究过,在食品中,有腐败菌希瓦氏菌存在时,会影响溶藻弧菌的毒性;还有一些益生菌的存在会抑制哈氏弧菌的毒性。也就是说,细菌之间是相互作用的,仅仅感知到有自己的同类是不够的,还必须感知到其他细菌的存在。


  细菌之间存在两个信号:一个是种内信号,另外一个是种间信号。通过种内信号和种间信号的相互作用,使细菌对其密度有所感应。美国一所大学把这个种内信号和种间信号都已经鉴定出来,发现不同细菌的种内感应分子有所差异,但差异比较小,而种间的感应分子几乎是一致的。那么现在他们正在研究什么呢?


  人类合成这样一类的种间和种内的感应分子,和这些细菌所发出的信息分子进行竞争,从而研发出新型的抗生素。这种新型的抗生药物可以阻断细菌之间的交流。他的原话就是说:我可以让这个细菌变溶、变痒,让它无法交流。这是国际上从微观的角度来研究细菌致病的机制。从宏观角度上,尤其从我们养殖方面可以知道弧菌病的发生是由哪些因素影响呢?这是我要讲的第二个问题。


  弧菌之间毒力基因的交流非常频繁


  我们曾经做过一系列的研究,对来自广东、广西、福建、海南的127种溶藻弧菌进行了多态性分析,发现来自不同地区的溶藻弧菌具有一定的同源性。它虽然可以在系统数当中具有很多不同的类别,但每一个类别中既有广东的,又有广西的,也有海南的,根本分不清。这说明了在我们南海海域,溶藻弧菌之间的交流是非常频繁的,它的生物多样性已经非常低。我们在哈氏弧菌当中也得到了同样的结果:用RAPD和BOX-PCR对来自广东、广西、海南的101株哈氏弧菌进行分析,发现它们之间也是几乎没有差异。另外,我们对弧菌常见的7种毒力基因的检测也表明,这种毒力基因的检测率只有量的差别,而没有质的差别。也就是说,在广东、广西、海南这些菌株当中要么全部检测到,要么全部检测不到,它们是完全一致的。这说明了在我们南海海域,弧菌之间的尤其是毒力基因之间的交流非常频繁。这是一个非常可怕的结果!


  因为我们研究的是它们的毒力基因,研究的是它的破坏性。我们会进一步想,耐药性呢?耐药性是不是也广泛传播?还有高致病基因的突变呢?我一直在怀疑,引起对虾的急性干性坏死的高致病性的溶藻和复出水活剂是怎么来的,是不是由于这些细菌之菌的毒力交换所产生的呢?大家想一想,如果在广东一个养殖库,它的养殖池塘里发病了,用了药产生了耐药菌,然后它的水没有经过处理就排入了江河湖泊,随着洋流、水产品的交易,可能整个世界产的抗药性都会得到传播。这不是耸人听闻,超级细菌就是这样产生的,尤其是对于弧菌这样一种占有全世界范围内几乎没有隔离的细菌,洋流非常普遍,航运的这种压舱水里面含有大量的细菌,我们养殖的水还有包括在一些自然的台风、蒸发等都会造成菌群的交换。


  弧菌病的发生主要取决于致病菌数和异养菌总数的比值


  我们先使通过连续五年的监测,对粤西主要是麻鞋、特呈、南山岛这几个养殖区域的一些环境因子和菌群的波动进行了长期的观测。我们都知道,做流行病疾是费力不讨好的事情,必须要长期跟踪,还不一定得出有规律性的东西。我们监测了水温、盐度、pH值、亚硝酸盐、氨氮、溶解氧、、无机磷、COD还有叶绿素α、异养菌总数、弧菌总数的变化,并进行了相关性分析,发现弧菌的数量和水温是呈正相关的。水温提升1℃,弧菌的数量可能提高200倍。另外,它和pH值也是呈正相关的,和COD、叶绿素α、氨氮、、亚硝酸盐都是呈正相关的。也就是说,养鱼池、养虾池里面的这些因素会影响弧菌的数量。但是,影响弧菌的数量会不会影响弧菌病的发生呢?


  这是另外一个问题。我们对这种经过五年观测的实测的弧菌病的发病率与环境因子之间的相关系数构造了预测模型。在这个公式y=0.67M+0.000027V+0.065C–0.231中,y是我们预测的发病率;M是弧菌总数与异养菌总数的比值;V是弧菌的数量;C是COD值,是指化学需氧量,也就是水体化学污染的一个标值;0.231是一个修正因子。通过这个公式,我们可以发现弧菌病的发生主要取决于致病菌数和异养菌总数的比值,这个在很多流行病学研究中都有同样的发现。由这个公式,我们也可以发现,弧菌病的发生可能有三个方面的原因。第一,致病菌的数量增加,即弧菌的数量增加;第二,异养菌总数的减少。也就是分母减少或分子增加,或者是分子增加的同时分母减小了;第三,就是水体污染加重。在这方面,我们也通过了一个大数据的分析来得到了验证:我们比较了一个发病池塘的水体和底泥与正常池塘的水体和底泥的菌群的变化。我们这些只有做些大数据的分析,是没办法去发表论文的,因为发表论文必须在严格的、可控的环境内做这种可控的实验。


  做这样一个患病池塘的水体,我们无法判定这个池塘里发生了几种病,正常池塘的水体到底有没有潜在的疾病也无法判断,所以我们只是做一个大数据的分析。我相信,我们测一口池塘说明不了什么问题,十口池塘说明不了问题,但是当我们测一百口池塘的时候,这种大数据的分析就会发现非常明显的结论。我们在这个大数据中分析发现发病池塘的致病菌异常升高,像这个标红色的气单胞菌,它的升高大约是10倍;像这个黄杆菌类,它的升高在水体种底泥分别升高了40倍到60倍;而假单胞菌在水体和底泥当中分别升高了100倍。但是,我想告诉大家,更明显的变化是正常菌群的降低,像德沃斯氏菌,它在发病池塘的水体和底泥当中降低了10000多倍,这种标绿色的就是正常菌群的降低。


  疾病的发生不单是因为致病菌群的增加,还因为池塘菌群总体的变化


  所以,我们得出这样一个结论:疾病的发生不单是因为致病菌群的增加,还因为池塘菌群总体的变化。由此,我们认为弧菌病的防治可以通过向水体添加活菌机剂来进行预防,即增加异养菌的总数?活性机剂不是一般的微生物机剂。现在国际上对于异养菌的定义太广泛,包括死菌,活菌、死菌的代谢物都属于异生菌,但是在养殖池塘里想要防病的话,必须用活菌机剂。可能会有人问,抗生素行不行?如果用抗生素的话,抗生素的杀灭多数是不具备选择性的,它可以同时对弧菌或异养菌进行杀灭作用,即它的防病作用是非常有限的,而且抗生素会引起一系列的环境问题。


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