益生菌能拯救珊瑚还是伤害它们？

M在里约热内卢机库大小的AquaRio水族馆，蝠鲼和白鳍礁鲨从保持社交距离的游客身边滑过。在楼上主展厅上方的实验室里，一项新的实验正在进行中，海洋科学家希望这项实验能够提高世界珊瑚礁的生存前景。

二十个矩形水族箱，每个宽约 20 厘米，以网格状排列在四楼。每个水族箱都容纳着各种色彩缤纷的珊瑚碎片。研究人员将用益生菌混合物处理一些水族箱，这是一种旨在促进珊瑚在恶劣条件下恢复力的细菌混合物。

研究员若昂·罗萨多将浑浊的液体吸入移液管，然后站在第一个水箱上方，小心地按下柱塞，将混合物喷入海水中。“你能看到那个，像烟雾一样吗？”罗萨多的同事，来自里约热内卢联邦大学的佩德罗·卡多佐隔着口罩说。“那些是细菌。” 卡多佐正在通过团队设置的实时视频向我讲话，以便我可以远程见证整个过程。灰色的细菌云像裹尸布一样环绕着珊瑚，沉降在珊瑚上。稍后，罗萨多将用充满益生菌的轮虫处理其他水箱——轮虫是微小的海洋动物，珊瑚用它们的小嘴吃掉轮虫。第三组水箱中的珊瑚将同时接受两种处理，第四组水箱中的珊瑚将不接受任何处理。调查人员将在未来几周内探测各种珊瑚，以查看任何治疗方案是否能改善珊瑚的健康状况。

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使用轮虫是一种让“好细菌”进入受困珊瑚的新尝试。2020 年 12 月的实验结果将有助于为生物学家在野外珊瑚礁上应用益生菌的意图提供信息，以期提高它们在高温度和疾病爆发中幸存下来的机会，这些高温度和疾病爆发正在淹没它们。罗萨多和卡多佐的试验——由海洋生物学家古斯塔沃·杜阿尔特领导——建立在他们导师拉奎尔·佩肖托的工作基础上，佩肖托在 2015 年发表了第一个益生菌实验。她是大胆且有争议的救援计划的领导者，该计划旨在在海洋中施用益生菌，这可能会改变生态系统。佩肖托将于今年晚些时候在红海应用益生菌，保护组织正在积极探索这一概念。尽管佩肖托和她的同代人进行了许多实验室实验，并将仔细限制首次公海测试，但她说珊瑚受到的威胁如此之大，以至于“我们现在应该承担一些风险了”。

珊瑚礁覆盖了全球近 285,000 平方公里的海底。它们主要集中在十几个主要链条中，但它们对海洋和人类生活产生全球性影响。几乎四分之一的海洋物种一生中至少有一部分时间在那里度过。珊瑚礁可以减弱可能撕裂海岸线的风暴潮和海浪。它们养活了数百万人，每年在全球旅游业中创造近 200 亿美元的收入。

然而，世界珊瑚正处于可能最终衰退的状态。科学家最早在 1983 年观察到大规模的珊瑚白化——饥饿的迹象——到 1990 年代，他们开始将白化与海温变化联系起来。1987 年至 2019 年间，海洋变暖的程度比 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的白化事件。大堡礁在过去五年中遭受了 三次此类事件。联合国环境规划署的一份报告估计，主要由于海洋变暖，地球上大多数珊瑚礁将在 2034 年遭受年度严重白化，如果不加以干预，到 2100 年 将完全消失。即使各国开始控制碳排放，全球珊瑚礁死亡也很可能继续下去。“我们有一个非常狭窄的时间窗口——基本上是十年，”沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST) 的海洋生态学家卡洛斯·M·杜阿尔特说。“窗口正在迅速关闭。”

开发益生菌的科学家们认为，这些治疗方法不仅仅是推迟珊瑚礁死亡的权宜之计。他们认为益生菌真的有机会逆转一些已经造成的损害，使曾经受到威胁的珊瑚能够茁壮成长，并加强移植到受损珊瑚礁上的新人工繁殖珊瑚。“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丽贝卡·维加·瑟伯说。但是，她补充说，“通过适当的实验设计和应用，它可能会有所帮助。”

仍然需要回答一些重大问题。当在海上应用时，益生菌会被冲走吗？当在数百公里长的珊瑚礁上尝试时，劳动密集型技术会花费巨额资金吗？即使是最热心的支持者也承认他们正在承担的风险。在某些方面，珊瑚礁治疗听起来有点像地球工程——将铁撒入海中以鼓励藻类生长，从而吸收二氧化碳，或将气溶胶喷入空气中以将太阳光反射回太空，从而减轻全球变暖。用细菌播种珊瑚礁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爆发，最近的一次实验室测试中就出现了这种可能性。没有人确切知道这些治疗将如何影响食物链更上层的海洋生物，例如以珊瑚虫为食的鱼类和螃蟹。

然而，与气候变化一样，全球珊瑚礁的前景已经变得如此糟糕，以至于许多环保主义者认为需要采取极端的补救措施。“科学家们不应该处于[这种]境地，”佩肖托说，她现在是KAUST的海洋微生物学家。但她说，决定是明确的。“我们必须采取行动。否则，就为时已晚了。”

珊瑚礁修复

自 1970 年代以来，研究人员一直在尝试修复受损的珊瑚礁。2000 年，以色列国家海洋研究所的巴鲁克·林凯维奇开始建立最早的苗圃之一，以培育幼珊瑚并将它们移植到因捕鱼、潜水或风暴而遭受破坏的珊瑚礁上。

此后几年，科学家开始研究针对白化的具体修复方法。2010 年，佛罗里达州莫特海洋实验室的研究人员 表明，通过从实验室水箱中健康的珊瑚上切下碎片，他们可以触发 大力生长反应，从而迅速将这些碎片变成成熟的幼珊瑚。（珊瑚可以通过将卵子和精子释放到海洋中进行有性繁殖，也可以通过出芽——本质上是克隆——进行无性繁殖。）2018 年和 2019 年，墨西哥和以色列的研究人员使用了莫特团队的策略来 生成珊瑚碎片，并将它们移植到墨西哥太平洋海岸附近的珊瑚礁上。尽管受到飓风威尔玛的破坏性影响，但从这些珊瑚碎片中生长出来的新珊瑚表现出令人印象深刻的约 60% 的存活率。在佛罗里达州的珊瑚礁上，莫特团队从碎片中培育出来的珊瑚合并成更大的珊瑚群，并在 2020 年 开始在野外成功产卵。

育种是另一种策略。自 2015 年以来，澳大利亚海洋科学研究所 (AIMS) 和其他地方的研究人员一直在实验室中尝试选择性育种所谓的 超级珊瑚，这些珊瑚携带帮助动物承受压力的基因。该研究所和夏威夷大学盖茨珊瑚实验室的团队正在使用“辅助进化”来创造这些超强适应力的珊瑚，其中包括选择具有理想遗传特征的野生珊瑚，例如在高温海洋中生存的能力，然后将它们杂交繁殖，以产生具有大量这些特征的后代。在 AIMS 2020 年的一项实验室研究中，以这种方式创造的耐高温珊瑚被证明比其他珊瑚 更有可能存活 极端高温，可能性高达 26 倍。

帮助珊瑚的另一种方法是增强繁殖。2017 年，加州科学院、自然保护协会和国际珊瑚礁生态修复组织 SECORE International 的一个团队开始捕捉健康的产卵珊瑚在罕见但可预测的夜晚在野外释放的卵子和精子。研究人员在实验室中完成受精，然后将幼虫移植到有需要的珊瑚礁上。

这些技术都有一个令人望而却步的缺点：修复人员必须在实验室中操作珊瑚，并改进将它们移植到挣扎求生的珊瑚礁上的方法，这是一个缓慢且成本高昂的过程。如果可以直接对野外患病珊瑚施用治疗剂，则可能会更快、更经济。这种前景有助于引导像佩肖托这样的研究人员转向益生菌。而且，理论上至少，经过选择性育种的实验室珊瑚或切下的碎片也可以在移植到海中之前用益生菌处理，以使其更耐热和抗病。

珊瑚结构是由数千只称为珊瑚虫的动物组成的星群，每只珊瑚虫通常比小指指甲还小。每个珊瑚虫都寄生着各种细菌、藻类、真菌和其他微生物，统称为其微生物组。就像人类肠道中的微生物一样，这些微小的居民执行着维持整个系统运转的任务。近年来，宏基因组分析——对珊瑚虫上的微生物基因进行测序——更清晰地描绘了微生物正在执行哪些任务。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，从而防止附近的藻类大量繁殖，而藻类会使珊瑚缺乏营养。其他微生物 降解活性氧——损害珊瑚细胞的分子——或 帮助珊瑚捕获碳 以获取能量。正如人类肠道中的微生物帮助分解食物，从而促进我们的营养和健康一样，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并防止珊瑚虫疾病和组织损失，使宿主更能抵抗环境压力。

然而，随着海洋温度升高，珊瑚内部的微生物关系开始瓦解。俄勒冈州立大学的科学家发现，受压珊瑚上的细菌群落经常变得不稳定，这可能会给致病微生物提供传播的机会。海洋变暖，以及二氧化碳水平升高引起的海洋酸化，也 扰乱了微生物辅助的钙化过程，该过程赋予珊瑚结构，使其更难修复损伤。与此同时，受压的珊瑚虫会排出它们的 Symbiodinium 藻类，这些藻类将阳光转化为珊瑚虫的食物，使它们失去食物来源。这使珊瑚呈现出特征性的白化外观，生物学家将其视为厄运的征兆，因为白化的珊瑚虫也更容易患病。佩肖托亲眼目睹了这种令人震惊的转变。

一个正在瓦解的宇宙

小时候度假时，佩肖托在巴伊亚附近的巴西珊瑚礁浮潜，被水下生机勃勃的宇宙所吸引。成年后潜水时，她看到这个宇宙正在瓦解。珊瑚正在变成没有生命的骨骼；那些坚持下来的珊瑚看起来苍白而病态。“每一年都在变得更糟，”她说。“你潜水时会看到 90% 的物种死亡。” 佩肖托决心做一些变革性的事情，一些可以复兴野生珊瑚的事情。“我们想要保护珊瑚礁中已经存在的生物多样性，”她说，“以确保珊瑚群能够生存下去。”

她心中有一个新颖的起点。在 2010 年旨在开发一种替代巴西红树林中用于清理石油泄漏的有害化学物质的实验中，她的团队证明，吸油细菌可以分解石油并促进植物健康和生长。如果她可以召唤集中的细菌增援来保护珊瑚礁呢？没有人尝试过益生菌，但她预感它们可能会奏效。

作为第一步，佩肖托从当地珊瑚的表面采集了组织和海水。然后，她对该混合物中的细菌基因进行了测序，以找到执行促进生存功能的物种。她在培养基中培养了本地微生物，并为每种珊瑚礁环境混合了定制的混合物。她的工作在 2018 年末得到了回报，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 帮助珊瑚在 炎热的水族箱温度下存活并抵抗疾病。

佩肖托最新的实验之一正在接受期刊的审查，该实验更深入，似乎显示了益生菌可能用来增强珊瑚健康的独特机制。她在巴西的团队将四个手指长的珊瑚片段放入 20 个小水箱中的每一个，并组装了一种由六种细菌菌株组成的混合物，这些菌株来自健康的 Mussismilia hispida，一种常见的南大西洋珊瑚。每隔几天，他们取出几个片段，在它们的表面滴一滴益生菌，然后将它们放回水箱中。接下来，他们将一半水箱中的水温升高。

几周后的结果是惊人的：超过三分之一的对照珊瑚已经死亡，但几乎所有经过处理的珊瑚都还活着。详细的分析揭示了益生菌似乎促进健康的多种方式。经过处理的珊瑚表达的与炎症相关的基因较弱。它们也显示出与细胞死亡相关的基因活性较低。这意味着珊瑚“甚至会白化，但不会达到失去组织的程度，”佩肖托说。“益生菌为它们提供了这种缓冲。” 这种缓冲可以为其他修复措施——例如超级珊瑚育种或从碎片中产生成年幼珊瑚——提供更好的工作机会。在移植前在实验室中应用正确的益生菌可能会提高珊瑚的存活几率。

首次实地试验

在 2020 年 1 月一个清爽的日子里，佛罗里达州史密森尼海洋站的科学家在海洋中的珊瑚上应用了益生菌，这是首次尝试。他们已经开发了三年的益生菌，不是像佩肖托那样的广谱混合物。它是为了对抗一种特定的威胁而设计的，这种威胁是对佛罗里达州珊瑚礁最严重的威胁之一：石珊瑚组织损失病。研究员凯利·皮茨在诺瓦东南大学从事抗生素治疗工作后于 2019 年加入该团队，她希望测试益生菌作为珊瑚健康的更天然的辅助手段。她戴上氧气瓶和脚蹼，从一艘小船上降落到佛罗里达州东海岸劳德代尔堡附近的一处珊瑚礁上。正如皮茨讲述的那样，在大约九米深的地方，一个大约半米宽的透明塑料袋映入眼帘，它被钉在海底，像一个圆顶一样包裹着一片珊瑚结构。

里面的目标是一棵十多年前的大星珊瑚（珊瑚群可以存活数十年甚至数百年）。一些珊瑚虫仍然是鲜艳的橙色，但另一些已经褪成卡其色，这表明它们可能受到了石珊瑚组织损失病的蹂躏。皮茨将一根柔性管子伸到圆顶边缘下方，然后将装满细菌的注射器连接到管子的另一端。当她按下柱塞时，浑浊的白色液体在圆顶中绽放，浓稠到足以遮蔽珊瑚。

皮茨既兴奋又焦虑。她的团队已经在水箱中测试益生菌好几个月了，但在珊瑚礁上进行测试完全不同。如果混合物从袋子里泄漏出来怎么办？几个月后，当她将益生菌凝胶（像牙膏一样从管子里挤出来）挤到海底一块完全暴露在水中的珊瑚上时，她也感到同样的担忧，没有袋子来包裹它。当糊状物尽管周围有水流，但仍牢牢地粘在珊瑚上时，她的紧张感变成了兴高采烈，她高兴地笑了，在水下拍着手。

自 2014 年以来，石珊瑚组织损失病像酸一样侵蚀珊瑚虫，已经摧毁了佛罗里达州和加勒比地区超过 96,000 英亩的珊瑚礁。这种疾病——被怀疑是细菌性的——正在不受控制地蔓延，在几周或几个月内杀死大型珊瑚结构。到 2017 年，控制疫情已迅速成为佛罗里达州环保主义者的首要任务。通过快速基因测序，史密森尼海洋站的研究人员鉴定出一种 假交替单胞菌 细菌，这种细菌少量存在于当地珊瑚上，可以产生海洋抗生素 korormicin。* 在水族箱测试中，浓剂量的益生菌细菌可以控制住这种疾病。

在实验室测试期间，研究人员将细菌应用于更广泛珊瑚礁中的一系列珊瑚，以确保它不会伤害任何健康物种。为了尽快控制住这种疾病，佛罗里达州的研究人员自 2018 年以来一直在给珊瑚服用抗生素，如阿莫西林——这是一种极端的措施，也会杀死大量有益细菌。皮茨希望益生菌能够避免这种不分青红皂白的伤害。

2019 年末，史密森尼团队获得了进行海洋试验所需的州政府许可。研究人员很谨慎，并意识到需要从小规模开始，但这种疾病蔓延得如此之快，以至于当地环保主义者都赞成拟议的试运行。

在 2020 年 1 月的实地试验和 2020 年 9 月的另一次试验中，皮茨和她的同事使用圆顶方法处理了 14 个珊瑚结构，另外 7 个珊瑚结构使用了糊状物。当团队在 1 月份的试验两周后对珊瑚礁进行初步调查时，大约 80% 的处理过的珊瑚中疾病的进展已经停止。它们的一些斑驳的病变也开始愈合。然而，日益严重的 COVID-19 大流行导致科学家暂停试验一段时间。

意想不到的后果

所有微生物学都是情境性的。改变一种“有益”类型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。“也许这种功能暂时是好的，”维加·瑟伯说。“但它很容易转变为具有负面影响的东西。”

夏威夷海洋生物学研究所的分子生态学家泰·罗奇也做过自己的益生菌实验室测试，他担心会不可逆转地改变珊瑚微生物组或整个海洋生态系统。“我越摆弄它，我就越担心，”他说。在他一项未发表的研究中，涉及大约 130 根手指长的 Porites 珊瑚，放在十几个三加仑的水箱中，一些珊瑚在他团队用它们自己的本地细菌（不是像佩肖托制作的那种定制混合物）接种后死于疾病。罗奇注意到的第一个问题是，某些珊瑚的表面形成了厚厚的粘液层，好像它们受到了刺激。然后，小块珊瑚虫组织开始死亡，就像蔓延的溃疡一样。罗奇感到震惊，但并不惊讶。珊瑚的天然细菌混合物包括来自 葡萄球菌 属的微生物，已知该属的微生物会导致人类疾病。

罗奇补充说，几乎没有经过同行评审的研究描述益生菌可能保护珊瑚宿主的精确生物学机制。“我们已经能够使一些珊瑚承受稍高的温度，”罗奇说。“这是如何运作的非常不清楚。” 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，”他说，包括鱼类、藻类和甲壳类动物。德比大学水生生物学家迈克尔·斯威特是佩肖托多年的同事和朋友，他支持益生菌方法，如果它们能够被证明是安全的。但他也回应了罗奇的担忧：“我不希望成为那个将超级细菌释放到环境中，使其成为下一种珊瑚疾病的人。”

益生菌治疗应多久应用一次也是未知的。用于消化系统疾病的人用益生菌通常需要每天服用，甚至每天两次。研究人员只能猜测，例如，每周或每月应用一次是否足以建立有弹性的微生物平衡。

风险只是一个实际的考虑因素。在这个阶段，在整个珊瑚礁上应用混合物的成本很难计算。佩肖托说，她创造的混合物只需要少量即可发挥作用，但假设经过培训的潜水员应用益生菌（并假设他们有自己的潜水船），治疗一平方公里珊瑚礁可能需要花费高达 600 至 700 美元。一次应用可能保护珊瑚免受热损伤长达一个月。她说，在大规模应用中，为应用化合物而制造的机器人将比人类潜水员便宜。

斯威特 最近报告 说，通过辅助进化培育实验室生长的珊瑚——将它们移植到珊瑚礁上并监测它们——每个珊瑚群落将花费 49 至 227 美元。珊瑚礁通常每平方公里有 数万个 珊瑚群落。斯威特说，如果在移植前将益生菌细菌添加到实验室生长的珊瑚中，则增加的成本“将很低”。但是，“如果我们需要定期重新部署益生菌，它可能会成为一种昂贵的方法。”

然而，罗奇和斯威特也知道，珊瑚礁正处于危险之中，环保资助者很可能会在野外大力推进益生菌。“如果我们学到了一件事，”罗奇在夏威夷的同事，海洋生物学家克劳福德·德鲁里说，那就是“如果我们开始失去珊瑚礁，那么做一些极端事情的意愿就会迅速飙升。”

事实上，大型组织正在接受这个想法。巴西世界自然基金会正在资助佩肖托的一些研究，对这项技术的前景持乐观态度。巴西世界自然基金会保护分析师维尼修斯·诺拉说，在巴西，2019 年大规模的珊瑚礁白化事件“开启了”探索更新的保护方案（例如益生菌）的“钥匙”。澳大利亚大堡礁基金会已承诺投入数十万美元用于益生菌研究，它也认为佩肖托的治疗方法是一种很有希望的方式，可以加强用于移植的实验室生长的珊瑚。如果进一步的小规模测试进展顺利，该基金会官员正在与佩肖托和澳大利亚科学家合作，将益生菌纳入未来的修复项目。“这是我们不得不做的追赶，”基金会生物学家奥维·赫格-古尔德伯格说。“你必须立即投入行动，测试一些想法。”

激进的决心

佩肖托理解她的批评者的担忧。为了帮助缓解一些疑虑，包括她自己的疑虑，她计划今年在亚利桑那大学生物圈 2 号的 700 平方米的人工海洋中进行封闭实验。这些测试将更清晰地了解益生菌治疗可能如何影响其他海洋生物。尽管如此，她并没有花太多时间反思自己的路线。她承认，她对那些呼吁过度谨慎的人感到不耐烦。她感到有道义上的义务使用一切手段来拯救珊瑚礁。对于佩肖托来说，这意味着很快在海洋中部署珊瑚益生菌。“如果我们什么都不做，”她说，“它们就会死亡。”

她的下一个行动将在 KAUST 进行，KAUST 位于沙特阿拉伯海岸的一条狭长地带上，这条狭长地带像龙虾爪一样卷入红海。从码头，佩肖托可以登上她的潜水船，驶向 10 分钟路程外的浅水珊瑚礁，在那里，成群的金蝴蝶鱼在海底数十年历史的珊瑚巨石上巡游。

由于红海珊瑚礁多年来在高温水中茁壮成长，因此限制此处热损伤的细菌可以帮助科学家了解如何将耐热性赋予其他地方患病的珊瑚。佩肖托说，珊瑚礁“就像我的金库。我去那里获取黄金。” 然而，即使是坚固的红海珊瑚也开始显示出压力迹象。2020 年的一次白化事件摧毁了部分珊瑚礁，专家担心更糟糕的情况还在后头。佩肖托正在微调一种细菌混合物，她希望今年将其应用于珊瑚礁，同时仍在加大生物圈 2 号的实验力度。这次试验将是她和她的团队首次在海洋中测试益生菌。

一些红海珊瑚礁结构被长长的空旷海底隔开。这将使佩肖托更容易将益生菌应用于一个珊瑚结构，同时让下一个最近的珊瑚结构保持原样。“这些将是非常小且控制良好的实验，”她说。

即便如此，这次测试也将与史密森尼团队在佛罗里达州使用的方法有所不同。史密森尼的治疗方法是一种单一微生物，用于治疗特定的珊瑚疾病。佩肖托将用一种多菌株混合物给珊瑚施药，这种混合物具有更广泛的目标——增强珊瑚抵抗白化和随之而来的健康不佳的能力。与过去一样，佩肖托将从当地珊瑚中分离出有益微生物，并将它们混合成定制的浆液。她将排除任何已知会导致疾病的细菌群，并将首先在大学的水箱中进行详细的风险评估，以确保这种混合物在小型环境中不会引起任何不利的珊瑚健康影响。

如果该测试进展顺利，她最终会将她的混合物应用于几个珊瑚礁结构，每个结构大约两平方米。微生物将通过时效释放的防水粘合剂条带输送，这些条带粘附在珊瑚或附近的沉积物上。几周后，佩肖托将评估处理过的珊瑚的健康状况与对照组的健康状况相比如何。定期检查将持续一年，在整个过程中，她将监测附近的鱼类和其他大型生物（如海绵），以了解是否会产生意想不到的细菌影响。

佩索托意识到这一后续行动的重要性，但她在潜水时看到的不断扩大的珊瑚礁“鬼城”景象，更加坚定了她采取激进干预措施的决心。她是一个乐观主义者，对生物修复的力量抱有创新者的信念。她知道有些人可能会说她草率。然而，佩索托和其他人认为，现在迫切需要大胆的干预。“如果我们开发出所有技术，我们仍然可以拥有美丽的珊瑚礁，”她说，“修复后的珊瑚礁可以蓬勃发展。” 如果没有这种有针对性的帮助，她预见未来将是一个漫长的海底黑暗时代。

*编者注（2021年4月27日）：此句在发布后进行了修订，以更正所鉴定细菌的名称。