全球珊瑚死亡过半，益生菌或可扭转危机
这是《肠道产业》第 835 篇文章
编者按
珊瑚死亡已经成为了一个全球性生态问题。联合国称，地球有 70%的珊瑚礁受到威胁，20%的珊瑚礁已遭到破坏。2020 年，英国 BBC 发布报道称，全球过半的珊瑚已经白化死亡，大部分珊瑚会在 2050 年灭绝。然而，有什么方法可以拯救珊瑚呢？
今天我们共同关注益生菌与珊瑚。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
益生菌能拯救珊瑚吗？
在里约热内卢飞机库大小的 AquaRio 水族馆内，蝠鲼和白顶礁鲨正从游客身边掠过。而在楼上的实验室中，一项新实验正在进行中，海洋科学家希望这项实验能够改变珊瑚礁的生存前景。
在四楼，20 个宽约 20 厘米的长方形水族箱中，装着色彩斑斓、多种多样的的珊瑚碎片。研究人员将在其中的一些水箱中使用益生菌“鸡尾酒”（益生菌混合物）。
研究员 João Rosado 将浑浊的液体吸入吸管，然后站在第一个水箱上方，小心地压下柱内活塞，将混合物喷入海水中。“你能看到像烟雾一样的东西吗？”Rosado 的同事、来自里约热内卢联邦大学的 Pedro Cardoso，透过他的口罩说道，“那些是细菌。”
这些细菌像裹尸布一样围绕着珊瑚，然后停留在上面。随后，Rosado 将用充满益生菌的轮虫（珊瑚能用迷你嘴巴吃的微型海洋动物）处理第 2 组水箱。而第 3 组水族箱同时采用上述两种处理，第 4 组水箱则不做任何处理。
研究人员将在接下来的几周内对这些珊瑚进行观察检测，看看是否有任何方案可以改善珊瑚的健康状况。
轮虫的使用是一种新尝试，旨在为处于困境中的珊瑚提供“有益细菌”。该实验于 2020 年 12 月进行，它的结果将帮助生物学家了解到益生菌是否可以应用于野生珊瑚礁，以提高它们在高温和疾病爆发中的生存几率，这些恶劣环境正在压垮他们。
Rosado 和 Cardoso 的实验（由海洋生物学家 Gustavo duarte 领导），建立在他们导师 Raquel Peixoto 的工作基础之上。Peixoto 在 2015 年发表了第一个益生菌实验，她是“将益生菌施用于海洋”救援计划的领导者，这一计划大胆饱受争议，但是有可能会改变海洋生态系统。
Peixoto 将于今年晚些时候在红海施用益生菌，环保组织正在积极探索这一理念。尽管 Peixoto 和她同时代的人已经进行了多次实验室内试验，但依然会谨慎地进行首次公海实验，她说，珊瑚受到的威胁太大，“我们不得不冒险了”。
关于珊瑚的一场冒险
珊瑚礁覆盖了全球近 28.5 万平方公里的海底世界。虽然它们主要集中在十几个主要区域内，但它们对海洋和人类生活产生了全球性影响。几乎四分之一的海洋物种曾在那里生活过。珊瑚礁抑制了能够撕裂海岸线的风暴潮和海浪。它们养活了数百万人，每年为全球旅游业贡献了近 200 亿美元。
然而，世界上的珊瑚处于濒临灭绝的状态。科学家于 1983 年首次观察到珊瑚大规模白化——这是饥饿的迹象，到 20 世纪 90 年代，他们开始将白化与海水温度变化联系起来。1987 年至 2019 年间，海洋升高温度比 1955 年至 1986 年间高出 450%。
自 1980 年以来，94%的珊瑚礁至少经历过一次严重白化。大堡礁在过去五年中发生了3起此类事件。
联合国环境规划署的一份报告估计，由于海洋变暖，到 2034 年，地球上的大部分珊瑚礁每年都会遭受严重的白化，如果不加以干预，到 2100 年，它们将完全消失。即使各国开始控制碳排放，全球珊瑚礁的死亡也很可能会继续下去。要扭转这一趋势，“我们的时间窗口非常狭窄——基本上只有十年，”沙特阿拉伯的阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）海洋生态学家 Carlos M. Duarte 表示，“窗口正在迅速关闭。”
开发益生菌的科学家认为，这些治疗并不只是推迟珊瑚礁死亡的权宜之计。他们认为益生菌有机会真正扭转一些已经造成的损害，可以使受到威胁的珊瑚重新茁壮成长，还能让新的人工培育的珊瑚得以移植到患病的珊瑚礁上。
“这听起来太激进了。”俄勒冈州立大学的海洋微生物生态学家 Rebecca Vega Thurber 说。但是，她补充到，“通过适当的实验设计和应用，它可能会有所帮助。”
不过还是有一些重大问题亟待回答。在海上使用时，益生菌会被冲走吗？在数百公里长的珊瑚礁上尝试这种需要大量人工的技术时，是否会花费巨额资金？即使是最狂热的支持者也承认他们面临着风险。
在某些方面，珊瑚礁的处理听起来有点像地球工程（geoengineering）——向海里撒铁以促进吸收二氧化碳的藻类生长，或者向空气中喷洒气溶胶以将太阳光线反射回太空，从而缓解全球变暖。在珊瑚礁上播种细菌可能会从根本上改变海洋生态系统。
一些专家担心某些细菌可能会意外地引发新的珊瑚疾病，这种可能性在最近的一项实验室试验中出现。而且也没有人确切知道这些治疗方法将如何影响食物链更上游的海洋生物，例如以珊瑚虫为食的鱼和螃蟹。
然而，与气候变化一样，珊瑚礁的全球前景变得如此可怕，以至于许多环保主义者认为需要采取极端措施。“对科学家来说，这不是一件好事。”现任 KAUST 海洋微生物学家的 Peixoto 说。但她说这个决定是明确的。“我们必须采取行动。否则就晚了。”
珊瑚礁修复
自 20 世纪 70 年代以来，研究人员一直在努力修复受损的珊瑚礁，从培育幼年珊瑚、修复白花1-2、育种超级珊瑚3，到辅助进化4、增强繁殖。
虽然这些技术都获得了一定的效果，但是它们都有一个致命缺点：工作人员必须在实验室中改造珊瑚，并改进将它们移植到患病珊瑚礁上的方法，这是一个缓慢而昂贵的过程。如果可以直接在野外对患病珊瑚进行治疗，可能速度更快、性价比更高。这一前景将 Peixoto 等研究人员引向了益生菌。
珊瑚群是由数千种称为珊瑚虫的动物组成的集群，每一种珊瑚虫通常比小指指甲还小，其中寄居着各种细菌、藻类、真菌和其他微生物，统称为珊瑚微生物组。就像人类肠道中的微生物一样，这些小小的“居民”执行保持整个系统运转的任务。
近年来，宏基因组分析——对珊瑚虫上微生物的基因进行测序——已经绘制出图谱更清晰地告诉我们微生物正在做什么。麻省理工学院、伍兹霍尔海洋研究所和其他地方的科学家已经分离出消耗过量氮的细菌5，它们可以防止附近的藻类大量繁殖使珊瑚缺乏营养；还有其他降解活性氧6（破坏珊瑚细胞分子），或是帮助珊瑚捕获碳以获取能量7的微生物。
就像人类肠道中的微生物有助于分解食物，为我们自身营养和健康做出贡献一样，研究人员推测，有益的珊瑚微生物通过支持宿主的整体健康、防止珊瑚虫生病和组织损伤，使宿主对环境压力更具“弹性”。
然而，随着海洋温度的升高，珊瑚内的微生物关系开始瓦解。俄勒冈州立大学的科学家发现，在压力环境下，珊瑚的细菌群落变得不稳定，这可能会给致病微生物提供传播的机会。
海洋变暖，加上二氧化碳水平升高引起的海洋酸化，也会破坏需要微生物参与的钙化过程8，使珊瑚结构损伤后更难修复。与此同时，受压力的珊瑚虫会排出它们的共生藻，后者能够将阳光转化为前者食物，这会使它们失去食物来源。这使珊瑚呈现出一种典型的白化外观，生物学家将其视为厄运的迹象，因为白化的珊瑚虫也更容易生病。
珊瑚能够重焕新生吗？
Peixoto 决心做一些变革性的事情，一些足以让野生珊瑚重焕新生的事情。“我们希望保护珊瑚礁中已有的多样性，”她说，“以确保上面的生物能够生存。”
她心中有一个新奇的想法。如果她能召唤大量的细菌来保护珊瑚礁呢？没有人尝试过益生菌，但她预感它们可能会起作用。
作为第一步，Peixoto 从当地珊瑚表面采集组织和海水。然后她对这种混合物中的细菌基因进行测序，以寻找具有促进生存功能的物种。她在培养皿中培养本地微生物，并为每个珊瑚环境混合定制微生物“鸡尾酒”。
她的工作在 2018 年底获得了回报，当时她和她的同事发表了一项研究，表明他们定制的益生菌混合物有助于珊瑚在高温的水族箱温度下存活，并能够抵御疾病9。
Peixoto 的最新实验之一（已投稿送审）更加深入，似乎揭示了益生菌可能用来增强珊瑚健康的不同机制。她在巴西的团队在 20 个小水箱中放置了四个手指长度的珊瑚片段，并从健康的 Mussismilia hispida（一种常见的南大西洋珊瑚）中提取组装了 6 种细菌菌株的混合物。每隔几天，他们就会取出一些片段，在它们的表面滴一点益生菌，然后将它们放回水箱中。接下来，他们提高了一半水箱的水温。
几周后的结果是戏剧性的：超过三分之一的对照组珊瑚已经死亡，但几乎所有经过益生菌处理的珊瑚都还活着。
详细分析揭示了益生菌促进健康的多种方式。处理过的珊瑚中与炎症相关基因的表达水平较低；与细胞死亡相关的基因活性较低。这意味着珊瑚“甚至可以白化，但不会失去组织，”Peixoto 说，“益生菌为他们提供了缓冲。”这种缓冲可以为其他恢复措施——例如超级珊瑚的繁殖或用珊瑚碎片产卵——提供更多“成功的机会”。在移植前在实验室中施用正确的益生菌可能会增加珊瑚的存活几率。
第一次现场试验
在 2020 年 1 月，天气晴朗的一天，佛罗里达州史密森尼海洋站的科学家将一种益生菌撒向海洋中的珊瑚，这是第一次尝试。他们开发了 3 年的益生菌，不是 Peixoto 那样的广谱混合物。它旨在应对一种特定的威胁，即佛罗里达珊瑚礁最严重的威胁之一：石质珊瑚组织丧失症。
研究员 Kelly Pitts 在诺瓦东南大学从事抗生素治疗研究后，于 2019 年加入该团队，她希望测试益生菌能否作为一种更自然的珊瑚健康辅助手段。她戴上氧气罐和脚蹼，从一艘小船上下降到佛罗里达州劳德代尔堡东部海岸线附近的礁石上。正如 Pitts 所说，在大约 9 米深的地方，一个大约半米宽并固定在海底的透明塑料袋出现在视野中，像圆顶一样包裹着珊瑚群。
里面的目标是一个巨大的星珊瑚，它已经有十多年的历史了。一些珊瑚虫仍然是鲜艳的橙色，但其他的已经褪色为卡其色，这表明它们可能受到了石质珊瑚组织丧失疾病的蹂躏。Pitts 在圆顶边缘下弯曲了一根软管，然后将一个充满细菌的注射器连接到管子末端。当她放下柱塞时，浑浊的白色液体在圆顶中绽放，浓稠到可以遮住珊瑚。
Pitts 很兴奋，但也很焦虑。她的团队几个月来一直是在水箱中测试这一益生菌，但用于珊瑚礁上却完全不同。如果混合物从袋子里漏出来怎么办？
在几个月后的另一项测试中，她也有同样的担忧，当时她将益生菌凝胶（如管中的牙膏）挤到海底的珊瑚上，珊瑚完全暴露在水里，没有袋子来封口。尽管周围有水流，但当糊状物牢牢地粘在珊瑚上时，她终于不用再紧张了，一边笑一边在水下拍手。
自 2014 年以来，石质珊瑚组织丧失病会像酸性物质一样吞噬珊瑚虫，糟蹋了佛罗里达和加勒比海超过 96,000 英亩的珊瑚礁。这种疾病——被怀疑是细菌——肆无忌惮地蔓延，在数周内或数月内摧毁了大型珊瑚丛。
到 2017 年，平息“大破坏”已成为佛罗里达环保主义者优先考虑的事项。史密森尼海洋站的研究人员利用快速基因测序，确定了一种假交替单胞菌属的细菌，该细菌少量存在于当地珊瑚中，可产生海洋抗生素 korormicin。在水族馆测试中，浓缩剂量的益生菌使这一疾病得以控制。
因为急于控制这种疾病，自 2018 年以来，佛罗里达州的研究人员一直在给珊瑚注射阿莫西林等抗生素——这是一项极端措施，同时也杀死了大量的有益细菌。Pitts 希望益生菌可以避免这种不分青红皂白的“杀戮”。
2019 年底，史密森尼团队取得了进行海洋试验所需的州许可证。研究人员很谨慎，并注意到需要从小处着手，但这种疾病传播得如此之快，当地环保人士强烈支持这一提议直接试运行。
在 2020 年 1 月的实地试验和 2020 年 9 月的另一次实地试验期间，Pitts 和她的同事使用圆顶法处理了 14 个珊瑚丛，并用糊剂处理了另外 7 个珊瑚礁丛。当该团队在 1 月份试验两周后对珊瑚礁进行初步调查时，发现大约 80%的处理组珊瑚的疾病进程已经终止了。他们的一些斑片状病变也开始愈合。
然而，日益严重的 COVID-19 大流行导致科学家暂停了一段时间的试验。
意想不到的后果
所有微生物都是相关的。改变一种“有益的”珊瑚细菌的浓度可能会以难以预测的方式影响微生物组中的其他关键细菌。对珊瑚益生菌的怀疑论者来说，这种复杂性和不可预测性是不安的根源。“也许暂时我们得到了还不错的结果，”Vega Thurber 说，“但它很容易转变成具有负面影响的东西。”
夏威夷海洋生物研究所（Hawaii Institute of Marine Biology）的分子生态学家 Ty Roach 自己做了益生菌实验室测试，他担心珊瑚微生物组或整个海洋生态系统会发生不可逆转的变化。他说：“我对它修补得越多，我就越担心。”
在一项未发表的研究中，他将 130 只手指长的 Porites 珊瑚放在 12 个 3 加仑大小水箱中，给它们接种了一剂它们自己的原生细菌（而不是像 Peixoto 那样的定制益生菌混合物）后，一些珊瑚死于疾病。
Roach 注意到的第一个问题是，某些珊瑚的表面形成了厚厚的黏液层，好像它们受到了刺激。然后一小块珊瑚虫组织开始死亡，就像口腔溃疡一样蔓延。Roach 心中一惊，但并不意外。这种珊瑚的天然细菌混合物包括葡萄球菌属的微生物，这种细菌已被证实会导致人类疾病。
Roach 补充说，很少有研究描述益生菌保护珊瑚宿主的确切生物学机制。“我们已经能够让一些珊瑚承受更高的温度，” Roach 说，“但这是如何运作的还不清楚。”他想知道这些治疗是否会影响其他海洋生物。“许多其他生物与珊瑚礁上的这些珊瑚直接相互作用”，包括鱼类、藻类和甲壳类动物，他说道。
德比大学水生生物学家 Michael Sweet 表示，如果能证明益生菌方法是安全的，他会支持这些方法。但他也回应了 Roach 的担忧：“我不想成为将超级细菌释放到环境中造成下一种珊瑚病的那个人。”
益生菌治疗的应用频率也是未知的。用于人类消化系统疾病的益生菌通常需要每天服用，甚至一天两次。研究人员只能猜测每周一次或每月一次的施用能否创造一个有弹性的微生物平衡状态。
风险只是一方面的担忧。在这个阶段，很难计算在整个珊瑚礁上使用益生菌“鸡尾酒”疗法的成本。Peixoto 说她创造的一些混合物有很长的路要走，但训练有素的潜水员使用益生菌（并假设他们有自己的潜水船），处理一平方公里的珊瑚礁可能就需要 600 到 700 美元。一次“治疗”可以保护珊瑚免受热损伤长达一个月。她说，从广义上讲，为应用这些化合物而制造的机器人将比人类潜水员便宜。
Sweet 最近报告说，通过辅助进化手段在实验室培育的珊瑚——将它们移植到珊瑚礁上并对其进行监测——每个珊瑚群的成本在 49 到 227 美元之间。通常每平方公里珊瑚礁有数万个群落。Sweet 说，如果在移植前将益生菌添加到实验室培育的珊瑚中，那么额外成本“会很低”，但是“如果我们需要定期重新配置益生菌，它可能会变得昂贵。”
然而，Roach 和 Sweet 也知道珊瑚礁处于如此危险的境地，保护基金赞助者可能会在野外推进益生菌。“如果我们学到了什么，”Raoch 在夏威夷的同事、海洋生物学家 Crawford Drury 说，那就是“如果我们开始失去珊瑚礁了，那么做极端事情的意愿就会猛增。”
事实上，大型组织正在接受这个想法。巴西世界野生动物基金会（WWF）正在资助 Peixoto 的部分研究，并对该技术的前景持乐观态度。世界野生动物基金会巴西保护分析师 Vinicius Nora 表示，在巴西，2019 年的大规模珊瑚礁白化事件“成为探索益生菌等新型保护方案的关键”。
澳大利亚的大堡礁基金会已投入数十万美元用于益生菌研究，他们也认为 Peixoto 的治疗方法是对实验室培育出的用于移植的珊瑚进行强化的一种有前景的方法。基金会官员正在与 Peixoto 和澳大利亚科学家合作，如果进一步的小规模试验进展顺利，将会把益生菌纳入未来的修复项目。“这是我们不得不做的追赶，”基础生物学家 Ove Hoegh-Guldberg 说，“你必须大胆去做并对一些想法进行测试。”
随着 Peixoto 在潜水时看到的“珊瑚鬼域”不断扩大，她在激进干预方面犯错的决心不断加强。Peixoto 是一个乐观主义者，对生物修复的力量有着作为先驱者的信心。她知道有些人可能会说她草率。然而，Peixoto 和其他人认为，现在需要大胆的干预。
1.Page, Christopher. (2015). Reskinning a Reef: Mote Marine Lab scientists explore a new approach to reef restoration. 10.13140/RG.2.1.4281.0967.
2.A, Christopher A. Page, E. M. M. B, and D. E. V. C. "Microfragmenting for the successful restoration of slow growing massive corals." Ecological Engineering 123(2018):86-94.
3.Chan, W.Y., Peplow, L.M. & van Oppen, M.J.H. Interspecific gamete compatibility and hybrid larval fitness in reef-building corals: Implications for coral reef restoration. Sci Rep 9, 4757 (2019). https://doi.org/10.1038/s41598-019-41190-5
4.Quigley, K. M., et al. "Assessing the role of historical temperature regime and algal symbionts on the heat tolerance of coral juveniles." Biology Open 9.1(2020).
5.Babbin, A.R., Tamasi, T., Dumit, D. et al. Discovery and quantification of anaerobic nitrogen metabolisms among oxygenated tropical Cuban stony corals. ISME J 15, 1222–1235 (2021). https://doi.org/10.1038/s41396-020-00845-2
6.Dungan, A. M., et al. "Development of a free radical scavenging probiotic to mitigate coral bleaching." (2020).
7.Vanwonterghem, I., and N. S. Webster. "Coral Reef Microorganisms in a Changing Climate." iScience 23.4(2020).
8.Dove, S.G., Brown, K.T., Van Den Heuvel, A. et al. Ocean warming and acidification uncouple calcification from calcifier biomass which accelerates coral reef decline. Commun Earth Environ 1, 55 (2020). https://doi.org/10.1038/s43247-020-00054-x
9.Rosado, P.M., Leite, D.C.A., Duarte, G.A.S. et al. Marine probiotics: increasing coral resistance to bleaching through microbiome manipulation. ISME J 13, 921–936 (2019). https://doi.org/10.1038/s41396-018-0323-6
原文链接：
https://www.scientificamerican.com/article/will-probiotics-save-corals-or-harm-them/
作者｜Elizabeth Svoboda
翻译｜Dayu
审校｜617
编辑｜咲