微生物在氮循环中的作用(人类与微生物的和谐共生之道)

Posted 2023-05-26

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微生物在氮循环中的作用(人类与微生物的和谐共生之道)

作者：高德胜（哈尔滨工业大学马克思主义学院教授、博导）；季岩（吉林大学东北亚研究院）

自新冠肺炎疫情暴发以来，我国对生物资源管控与生态环境规制已经上升到国家安全的高度。立足于新发展阶段，我们需要对生物领域进行更多向度的挖掘与探索。在生物学的定义中，微生物是除动物、植物以外的微小生物的总称。①在人类文明发展史中，微生物始终对社会生产发展与人类健康生活发挥着重要作用。故而，微生物资源既是生物资源的重要组成部分，也是国家重要的战略性资源。后疫情时代下，微生物之于人类未来社会发展所具有的重要意义日益凸显。如何把握微生物与生物安全、生态治理以及人类文明发展之间的关系势必会成为重要的时代议题。

全面防控微生物威胁是维护生物安全的必要保证

在国家最新颁布的《中华人民共和国生物安全法》中，将生物安全界定为：国家有效防范和应对危险生物因子及相关因素威胁，生物技术能够稳定健康发展，人民生命健康和生态系统相对处于没有危险和不受威胁的状态。在现实中，引发生物安全危机的因素往往是多元的。在引发生物安全危机的内在因素中，极具代表性的是各种病原微生物的滋生、繁殖与扩散。病原微生物，是指能够攻击人体、动物引发病患的微生物，包含细菌、病毒、真菌、寄生虫等。相对于其他引发生物安全危机的因素，微生物具有隐蔽性强、扩散速度快、破坏效果大等特点，极易对人类身体健康与生态系统环境造成持续的破坏。

事实上，不论是历史还是当下，由病原微生物原因导致的生物安全危机从未曾远离过我们，国家主体与非国家行为体之间通过微生物病毒来赢得战争和掠夺资源的例子屡见不鲜。从15世纪末，欧洲人将带有天花病毒的毯子送给印第安人，致使瘟疫在印第安人中肆虐；到21世纪初美国五角大楼遭遇恐怖袭击后的一年时间，美国民众长时间处于面临炭疽病毒袭击的威胁和恐慌中。②微生物由于其自身具备的隐蔽性特征，极易被应用于生物武器的制造。微生物制造的生物武器由于其研制技术难度相对较低、取材简易且攻击范围广泛，经常为国际恐怖组织所利用，对国家的生物安全和公共安全会造成巨大威胁。在国际恐怖主义扩散加剧、传染性疾病肆虐、生物技术滥用误用等现实背景下，由病原微生物引发的生物威胁亟需进行重新认识与深入评估。

与此同时，微生物耐药性问题是与病原性微生物传播相对应的微生物安全威胁。微生物耐药，是指微生物对抗微生物药物产生抗体，致使抗微生物药物不能实现对疾病的有效控制。在微生物引发的病害中，耐药性病原微生物是威胁人类生命健康的最主要威胁之一，曾对人类的生命财产造成重大损失。目前，临床治疗中常用的抗生素药物由于其攻击靶点的殊异可分为3类：(1)干扰细菌DNA的复制和损伤修复；(2)影响细菌关键蛋白的合成；(3)破坏细菌细胞膜的生物合成。③当下抗生素药物被大量应用于流行性疾病的治疗，致使微生物针对抗生素的攻击靶点形成了相对应的多种耐药性机制。病原微生物耐药性的提高一方面增加了治愈疾病的难度，另一方面由于耐药性的增强而不得不增加药量，使药品积累的副作用对人体的伤害更大。病原微生物的耐药性一旦在日积月累中提高到一定程度，将对人体的病毒免疫力造成极大破坏，最终导致普通的抗生素药物无法对人体的一般性疾病形成治愈。试想人体一旦在微生物耐药性的长期作用下，对流行性病毒丧失应有的抵抗力，那么人类的卫生医疗健康必将面临严重的安全威胁。

新时代形势下，微生物安全问题与公共卫生、生态安全等领域相互交织，已成为我们亟需关注的生物安全新兴领域。近年来，随着国际形势的不断变化，微生物安全以及相关的微生物科技、微生物经济利益作为新科技革命的一部分，已成为大国之间竞争博弈的重要筹码与战略新边疆。④基于微生物的特定属性而言，微生物安全威胁具有突发性、隐蔽性、辐射性、多样性等特征。微生物安全事件的影响范围极易由危害民众健康演变为危及国家安全和战略利益。在当前的历史时期，一般性的微生物安全威胁尚处于可控范围。但随着人类对于资源环境的污染破坏，新型传染性疾病的不断爆发，由微生物引发的安全风险亦会升级叠加。故而，全面管控微生物威胁对于维护国家生物安全意义深远、至关重要。

合理发展微生物技术是人与自然和谐共生理念的重要践行

人是自然界的一部分，人与自然和谐共生是人类社会文明发展的客观要求。人类任性贪婪地掠夺大自然必然遭到报复，这是恩格斯在《自然辩证法》中得出的重要结论。深刻践行人与自然和谐共生理念的首要，便是把握人与自然的内在关系。人与自然和谐共生的理念包含着人与生态系统、自然环境以及其他非人类生命和谐相处的意蕴。⑤人与自然拥有平衡稳定的关系是维持人与自然和谐共生的基础性条件，一旦人与自然的关系遭到威胁与破坏，必将造成原本稳态的失衡，进而引发难以想象的灾难。随着人类社会的发展，人们对人与自然关系的把握与探究，亦不应囿于人类活动对基础自然环境的影响。⑥作为非人类生命群体之一，微生物对人与自然的稳态关系的维持具有举足轻重的作用。

人与自然和谐共生的重要前提是人类要做到尊重自然，敬畏自然。在自然界中，微生物与其他生物以及生态环境间存在多重复杂的相互关系。在生物圈中，微生物遍布一切生物群落，并在生物群落中作为分解者承担疏导物质循环的关键性作用。一旦生物群落中缺乏微生物对物质的分解处理，将致使有机质相互叠加堆积，进而直接抑制生物群落自身的生存发展。微生物具有强大的分解能力，一旦为之提供相对合适的环境条件和营养条件，即可降解一切有机物，表现出极强的去污能力。因此，人类持续探索通过培植相应的微生物，用以净化海洋、淡水以及土壤生态系统。可见，微生物在保护环境与净化被污染的生态系统方面起到了不可替代的作用。微生物技术在应用于生态治理时，具有成本低、效率高且无再生性污染的特点。合理发展微生物技术，使微生物资源得以妥善利用，将对实现人与自然和谐共生的发展目标提供助力。

微生物对于人类社会生产与自然环境改善产生裨益的同时，亦会带来一定程度的副效用。对于生态系统来说，许多微生物的繁殖与活动会对生态环境带来不同程度的污染，并对区域生态平衡造成危害。例如，在我国淡水生态体系中最具代表性的问题是水体富养化。水体富营养化的原因是氮、磷等物质在水体中导致藻类等生物大量繁殖。在藻类生物死亡后，水中的需氧微生物会将其逐渐分解，大量消耗水中的氧气。当水中氧气消耗殆尽后，厌氧微生物会继续对水生物进行分解，最终产生硫化氢等有毒气体，导致水体恶化，对水体生态平衡造成破坏。可见，微生物对于自然环境与生态系统具有双刃剑的作用。欲使微生物资源朝向有益于社会的方向发挥作用，需要合理引导微生物技术的发展。如此，既可以避免微生物技术的滥用与误用，又可以使微生物资源充分发挥绿色效能，进而为建设环境友好型社会提供保障。

新发展阶段下，我国经济社会发展全面趋向于绿色转型，如何统筹生态与经济的全面发展，实现人与自然和谐共生是我们面临的重大历史任务。在此情况下，唯有合理引导微生物技术的发展，将微生物技术发展与我国的生态治理有机结合，实现二者相辅相成、相互促进。如此既能让微生物资源的有益功能得以充分发挥，又能全面抑制其带来的负面效应，使微生物成为真正意义上的人与自然和谐共生的促进性因素。

强化保护微生物种群为维护生物多样性奠定坚实基础

长久以来，生物多样性与人类社会的发展密切相关。现今，生物多样性已发展成为一个具有深刻内涵和广泛外延的概念。生物多样性包括所有动物、植物、微生物在内的物种和它们所携带的遗传基因、所存在的生态系统的多样性。生物多样性为人类社会的发展提供基本的物质基础。随着时代的发展，人类通过各种社会经济活动对生态环境产生了巨大影响。大量生物的生存空间遭到挤压和破坏，有很多物种因此而濒临灭绝。微生物作为地球上出现最早、种类最多、分布范围最广的生物种群，与生态环境关系密切，为自然界一切生物的生存提供基本保障，是实现生物保护的重要物质基础。

微生物的多样性可以维持自然生态系统的平衡，为人类、动植物的生存发展提供良好的微观生态环境。微生物多样性是生物多样性不可或缺的组成部分，微生物对食物链与生态系统起到积极的维护作用。生态系统中的微生物种类越多，其创造性越强，对生物的影响范围亦愈加广泛。微生物在自然界中既能发挥生产营养物质，储存能量的效用，又能承担食物链中的分解者的任务。正因为微生物具有如此特性，微生物种群才能为自然界中生物的生存提供保障。在自然界的物质循环中，部分自养型微生物是食物链中的生产者，为消费者提供能源与营养。绝大多数的微生物作为分解者，虽然不直接参与有机物的食物循环，但却能将食物循环中的有机物转化成无机物，对食物链的稳态起到维护作用，使各类生物得以生存发展。在自然界中，微生物为维护生物多样性提供物质循环基础，一旦没有微生物起到的生产者与分解者的作用，自然生态环境势必陷入混乱，各类生物的生存亦将受到严重影响。

维护生物多样性的核心目的是为了保护生物及生态系统。微生物种群在自然界中分布广泛的原因主要在于其环境适应能力强，功能性特征多样。微生物由于其自身的功能，可以适应高寒高压、极端酸碱度环境的考验。同时，以发酵微生物为代表的许多微生物种群具有降解与清洁的作用，可以对自然界中绝大多数生物的生存环境起到调节作用。微生物物种资源是亟待深度开发的资源宝库，既是研究生物与生态之间作用关系的理想媒介，亦是修复生态、改造自然的有力武器。微生物通过对生态系统的积极改造，为维护生物多样性奠定了重要的生态环境基础。为了实现对生物多样性的有效维护，必须加强对微生物种群的保护与合理利用，使微生物在未来的生物保护与生态治理等相关方面发挥出更大的效用。保护微生物种群是维护生物多样性的基础。在把握自然规律的条件下，处理好微生物种群、生物保护以及生态治理间的关系始终是维护生物多样性应该遵循的原则。

妥善利用微生物资源为推动人类文明可持续发展提供动能

综观历史，可持续发展是人类对于长期以来走工业化发展道路的理性选择，是针对以往粗放式发展所造成的系列弊病的警惕与反思。可持续发展包括三重内涵，一为经济可持续发展，二为生态可持续发展，三为社会可持续发展。在可持续发展的要求下，人类的生产生活方式、能源的开采与使用皆需迎来新的转型。在此背景下，微生物资源在人类生产生活与文明的发展延续中开始发挥越来越重要的作用。

长期以来，微生物资源与人类文明发展始终拥有密不可分的关系。在农业生产中，微生物资源发挥着不可或缺的作用。由于微生物资源中包含病原体，其内在作用机理可以用于杀灭部分有害生物，故而微生物资源成为制造农业药剂的重要原料。相对于传统农业药剂，微生物药剂具有多种特殊效用。微生物药剂是未经化学合成、可消灭病原微生物的药剂，被广泛地应用于果蔬以及粮食作物的除病害。微生物药剂由于是非化学合成，即使大面积施用也不会对环境造成过度污染。微生物药剂的作用机理是运用病原微生物的靶向攻击原理，故而其针对性较强，不会对靶向目标以外的人畜造成危害，安全性极强。同时，微生物在进行生命活动时会产生一些代谢产物。这些代谢产物可以对土壤以及农作物产生营养元素，既能提高土壤品质，又能调控农作物的生长。在此情况下，微生物资源成为制造农业肥料的优质资源。传统农业肥料的施用会对生态环境造成破坏和污染，同时会对土壤产生负担，造成土壤板结、理化性差的状况。微生物肥料自身无毒无害，且生产成本低、消耗能源少，对于现代生产能源的节约与生态文明的可持续发展皆具有积极意义。

20世纪以来，微生物资源为生物制药产业的发展贡献了巨大的医疗价值与社会效益。众所周知，疫苗是人类应对传染性疾病的最终武器，人们依靠接种疫苗来形成对传染性疾病的有效防御。经科学验证，在疫苗的生产中，需要多种微生物作为生产原料，通过高度工程化的微生物技术来完成微生物反应过程，达到抵御病毒攻击的目的。当前为杜绝新冠肺炎疫情的传播，我国已研制出新冠疫苗，其第一批已投入使用。同时，青霉素、链霉素等抗生素药物亦需依靠微生物资源进行生产。微生物资源对于人类医疗事业的发展贡献至大，对人类生命健康的维护居功至伟。据统计，在20世纪的诺贝尔生理学和医学奖获得者中，有超过三分之一的科学家是从事微生物领域研究的，可见微生物资源的有效利用为人类文明延续与进步做出了卓越的贡献。

随着人类社会的不断发展，能源枯竭问题已成为21世纪面临的重大挑战。在新发展形势下，开发生态绿色的清洁性能源已成为推动人类文明可持续发展进程中的关键性任务。在以往的发展中，人类过度依赖石油、煤炭等化石能源。这些能源不仅难以再生，而且会对环境造成污染。在此背景下，微生物在生产清洁能源的过程中开始逐渐发挥作用。在净化传统能源过程中，以嗜热菌、嗜酸菌为代表的微生物资源可以对煤炭等化石燃料燃烧后产生的有毒物质进行脱硫处理，极大地减轻有害物质对生态环境的破坏。在清洁能源的生产方面，部分微生物混合菌群可以利用秸秆、木渣等有机废料通过发酵生产乙醇等清洁能源。微生物脂肪酶作为催化剂，利用动植物油以及工业废油通过酯化反应生产出生物柴油来实现能源供给。与此同时，微生物资源在生产氢能、燃料电池等可再生清洁能源的过程中皆发挥重要作用。在现代生产中，微生物与生态环境之间形成了健康有序的物质交换与能量转化的关系。实质上，微生物对于人类文明的发展与演进起到了不可替代的作用。随着人类对能源需求的不断增长以及对环境保护的客观需要，对微生物资源进行深度的开发与利用是推动人类文明可持续发展的理性选择与可靠路径。

后疫情时代下，国民对于生物安全与生态文明的需求愈加迫切。微生物与生物安全、生物保护、生态安全等领域相互交织、相互影响。微生物资源的开发与利用将不断完善，既对人类文明的可持续发展形成积极影响，亦会为促进人与自然和谐相处提供助力。立足于新发展阶段，将微生物技术的发展置于突出的战略位置，是推进国家生物安全治理体系和生态安全治理能力现代化的基本要求与必然选择。

【注：本文系国家社科基金重点项目“总体安全观视域下的生物资源管控与生物安全研究”（项目编号：20AZD113）阶段性成果】

【注释】

①《国家自然科学基金委员会生命科学部2016年度面上项目》，《生命科学》,2016年第12期。

②高德胜、周笑宇：《<美国国家生物安全防御战略>文本解读及其对我国生物安全建设的启示》，《求是学刊》，2020年第2期。

③Walsh C，“Molecular mechanisms that confer antibacterial drug resistance”，Nature, 2000, 775–781.

④王小理：《生物安全时代：新生物科技变革与国家安全治理》，《国际安全研究》,2020年第4期。

⑤余泽娜：《论“人与自然和谐共生”蕴涵的三层关系》，《云南社会科学》,2021年第1期。

⑥房小捷：《马克思“人与自然对象性关系”概念对环境史研究的意义》，《史学理论研究》,2016年第4期。

来源：人民论坛