生态地理景观要素土壤与鼠疫的关系

李 瑞，尹家祥

鼠疫自然疫源地是由鼠疫耶尔森氏菌(Yersiniapestis，鼠疫菌)、宿主动物、媒介节肢动物及生态地理景观在特定空间结构范围内，历经长期进化形成的特殊生态系统，是鼠疫流行的基本单位[1]。其中特定的生态地理景观环境是形成鼠疫疫源地最基本的条件，由土壤、水文、地形地貌、小气候和生物种群等要素共同组成，影响生态群落演变，决定鼠疫宿主动物及其寄生蚤的生长繁殖、分布和疾病的传播方式[2]。据中国疾病预防控制中心报告，2019年11月12日，北京确诊2例由内蒙古输入的肺鼠疫病例，并认为本次疫情是丈夫在自家农场挖土时吸入带有鼠疫菌的气溶胶而感染，妻子则因与丈夫接触而感染鼠疫菌[3]。该疫情是自我国有鼠疫报道以来，首次经过流行病学调查后推测人间鼠疫疫情是因直接吸入翻动土壤形成的气溶胶而暴发，说明土壤这一生态地理景观要素在鼠疫发生与流行过程中起到了很重要的作用。本文对鼠疫菌在土壤中的保存以及土壤特性对鼠疫流行的影响进行了综述，探讨生态地理景观要素土壤与鼠疫流行的关系。

1 土壤—鼠疫菌的“潜在宿主”

土壤是鼠疫菌潜在宿主的说法一直存在争议。自鼠疫菌发现至今，国内外对土壤与鼠疫菌关系的研究一直持续着，认同这一说法的研究者认为，当外界环境条件适宜时，鼠疫菌能够以某种寄生或非寄生状态存在于土壤中，人类可通过伤口直接接触或吸入受污染的土壤而成为新的传染源，从而开始新的鼠疫循环。认识土壤是否可以保存鼠疫菌、保存时间及保存形式，对明确鼠疫的暴发、流行和静息具有至关重要的作用[4]。

1.1土壤保菌说 在第3次世界鼠疫大流行初期，Alexandre Yersin[5]首次提出了鼠疫菌可能存在于土壤，出现了一场关于土壤具有隐藏鼠疫菌及传播鼠疫能力的广泛辩论，甚至出现土壤迁移等一系列应对措施，以净化受污染的土壤。Baltazard[6]在1964年提出“土壤保菌说”，证明感染鼠疫死亡的沙鼠(Merionesvinogradovi)尸体会污染鼠洞内土壤，且鼠疫菌可在鼠洞土壤中存活11个月，因此提出鼠疫除了“鼠→蚤→鼠”传播之外，还存在“鼠→土→鼠”的传播方式，鼠疫可依靠这2种方式在自然界长存。随后Karimi[7]从感染的啮齿动物洞穴中分离出鼠疫菌，甚至在鼠洞关闭10个月和11个月后均能检测出鼠疫菌；Eisen RJ等[8]在一只死于鼠疫的美洲狮死后3周，从地表土壤分离出一株鼠疫菌；通过对啮齿动物洞穴底物和土壤的血清学分析，在厄尔布鲁斯山发现了1个先前未知的鼠疫自然疫源地[9]。结合众多研究结果，表明土壤这一环境介质可以保存鼠疫菌。为探讨鼠疫菌在土壤中的生存时长，国内外学者开展多项研究，印度鼠疫委员会的实验发现豚鼠可在被鼠疫菌污染24 h内的土壤上自由奔跑后受到感染，鼠疫菌东方型(Orientalis)在土壤中40周后仍保持活力并具有毒性[7]；Breneva NV等[10]实验发现3株鼠疫菌在4～8 ℃的土壤中至少存活10个月，室温中至少存活3.5个月。因此，鼠疫菌能够在土壤中持续数月至1年以上，在没有宿主间传播的情况下，土壤中鼠疫菌的储存可能在鼠疫流行持久性中发挥着作用。

1.2土壤原生生物与鼠疫菌 鼠疫菌在土壤中的保存形式成为鼠疫静息期鼠疫菌保存机制的研究热点，其中土壤中阿米巴等原生生物中可寄生鼠疫菌的发现得到广泛认可。原生动物在土壤中无处不在，因其具有能够藏匿对生态群落有重大影响的病原体的能力而受到关注，研究证实鼠疫菌也可寄生在土壤原生动物中[11]。鼠疫菌对变形虫具有抗性或暂时抗性，在感染盘基网柄菌阿米巴(Dictyosteliumdiscoideumamebae)后的48 h内存活并在细胞内复制[11]；鼠疫菌古典型(Antiqua)、中世纪型(Medievalis)、东方型可被自由生活阿米巴(Free-livingamoeba，FLA)吞噬并能够在其中存活至少5 d[12]；棘阿米巴原虫(Acanthamoeba)在俄罗斯里海鼠疫自然疫源地的土壤生物群落中占主导地位，丰富度很高，每克土壤中的阿米巴细胞可达到30万个，促进了它们与鼠疫菌的永久相互作用，并使其长期保存在原生细胞内[12-13]。在冬季或干旱等不利环境条件下，原生生物吞噬土壤中的鼠疫菌，其营养形态和包囊能较长时间地包藏鼠疫菌，以“休眠”状态贮藏，保护内化的细菌不受外界环境侵害[11, 14]。当季节、温度或湿度等有利环境条件恢复后，啮齿动物和媒介蚤的数量随之增加，在打洞或觅食时增加与原生生物的接触机会而再次感染鼠疫。那么鼠疫菌是否还以其他尚不清楚的形式保存在土壤中？进一步明确鼠疫菌在土壤介质中的存在形式，可能会成为解释鼠疫静息和复燃传播机制的重要论证。

2 土壤特性与鼠疫关系

土壤特性包括土壤矿物类型、土壤pH、土壤温度、土壤有机质含量、土壤溶液中的共存离子以及土地利用方式等，代表土壤养分和质量，为土壤微生物和地表动物的生存和繁殖提供有利条件。土壤许多特性可以改变鼠疫菌等有机体的存活率，决定鼠疫宿主动物和媒介蚤的分布、丰富度和多样性，加快鼠疫菌在动物间的传播，当土壤条件适宜、物种丰富度达到阈值上限，则会有鼠疫暴发的风险。

2.1土壤类型 鼠疫自然疫源地的土壤类型以红壤、赤红壤及黑钙土、栗钙土和高山草原、草甸土为主[15]，对媒介蚤、啮齿动物的传播和数量有显著影响。不同蚤种对土壤类型的喜好不同，拉姆客蚤(Xenopsyllaramesis)更喜欢粘土含量高的黄土土地类型，同型客蚤(Xenopsyllaconformis)更喜欢沙土[16]。土壤类型是喜马拉雅早獭(Marmotahimalayana)分布的重要影响因素，在沼泽土和深色毡质土中的洞穴数量高于高寒草甸土壤、冻土等其他土壤类型[17]。大鼠种群在粘质土壤的丰度最低，多乳鼠(Mastomysnatalensis)在砂壤土中的种群数量显著高于粘质黑土[18-19]。不同土壤类型中鼹鼠种群和鼠洞系统存在差异，红土和玄武岩土的盲鼹鼠种群密度是石灰土的5倍，有较小的洞穴系统，相对生产力较高，食物供应量较高，而石灰土具有更大、更长、更线性的洞穴系统，反映了较低的食物供应量[20]。因此土壤类型在某种程度上决定啮齿动物的打洞与否以及该区域的食物生产能力，从而影响区域范围的生物种群数量。

2.2土壤含水量 土壤含水量对媒介蚤和啮齿动物的丰富度和生境选择有重要影响。蚤类在高湿度(≥90%)环境中生存时间最久[21]，当巢穴湿度增加并产生潮湿的小气候，跳蚤的存活率随之增加[22]。不同啮齿动物对土壤含水量的选择存在差异，土壤含水量通过改变土壤的密度、黏合性和剪切强度而影响啮齿动物打洞进程[21]；在内蒙古草原5种小型哺乳动物中，黑线仓鼠(Cricetulusbarabensis)、莫氏田鼠(Microtusmaximowiczii)和达乌尔鼠兔(Ochotonadaurica)的相对丰度与土壤含水量呈负相关，而狭颅田鼠(Microtusgregalis)和达乌尔黄鼠(Spermophilusdauricus)的相对丰度与之呈正相关[23]。土壤含水量受土壤类型、气候和植被等景观环境因素的控制，进一步影响啮齿动物及媒介蚤的种群丰富度。

2.3土壤含盐量 鼠疫菌具有一定程度的耐盐性，中等盐碱地有利于区域鼠疫疫源地的长期存在[24]。土壤含盐量是北非和欧亚大陆维持鼠疫疫源地的因素之一，研究者在北非鼠疫疫源地疫区含盐40 g/L的土壤样品中分离出一株东方型鼠疫菌株，经实验证实鼠疫菌亦可在含150 g/L盐的高渗肉汤中存活[25]。对鼠疫疫源地盐源周围进行动物种群的鼠疫疫情监测，完善鼠疫流行与土壤含盐量关系的研究，借以优化疫区的鼠疫预防和控制。

2.4土壤金属元素 鼠疫自然疫源地分布与某些金属元素之间存在关联，中国科学院地理科学与资源研究所专家发现鼠疫发源地好分布在富钙、富铁地区[26]。俄罗斯科研人员对鼠疫疫源地长期考察发现，沙鼠和黄鼠鼠疫疫源地土壤中，不明原因情况下铁、钛、钴离子含量迅速增至正常水平的3倍时就会暴发鼠间鼠疫；当铜、钒、镍离子的含量不明原因突然降至正常水平的1/12，而其他金属离子含量处于正常水平时也会暴发鼠疫[27]。这些野外观测得到了实验研究支持，Mezentsev VM等[28]发现锰、铁、钴、镍、铜和锌对3种沙土鼠(Rhombomysopimus、Merionesmeridianus、Merionestamariscinus)感染鼠疫具有影响，论证了土壤等环境中的金属元素可参与调节自然界中动物感染鼠疫的过程。环境中金属离子含量及状态可能增强鼠疫菌毒力和活性，鼠疫菌中Ybt、Yfe、Znu和MntH等蛋白转运系统[29-31]参与铁、锌、锰等离子在鼠疫菌体内和体外的吸收，特定毒力因子的合成取决于这些特定金属离子的水平，因此土壤金属元素的含量在鼠疫疫源地鼠疫菌的维持中起作用。对疫源地土壤金属元素进行动态监测成为鼠疫防控的新方向，研究金属元素含量变化与鼠疫发生与流行之间的关系，通过方向性调控疫源地土壤金属离子的变化，使离子平衡趋向不利于宿主或鼠疫菌生存的状态而达到控制鼠疫的目的。

2.5土地利用方式 鼠疫自然疫源地不同土地利用方式捕获的啮齿动物种群数量和寄生蚤指数存在显著差异，休耕地的啮齿动物和跳蚤种群数量高于玉米田和稻田等农耕地及人工林[19, 32]。当森林采伐区的土地利用发生变化，种植或畜牧产业代替未被利用的林区，导致生境巨大改变可能为人类提供交换和传播病原的机会。例如，当一个大型水库的建设并投入使用，因为改变周边土地利用方式或因蓄水，宿主动物的生存空间受到挤压而导致动物密度的升高，增加鼠疫暴发的可能[33-34]。因此，当一个地区因经济发展需要改变土地利用方式，尤其是在鼠疫自然疫源地以及周边地区进行土地综合开发时，对该地进行充分的卫生学评价论证以及对鼠疫宿主动物及其寄生蚤密度的监测是预防鼠疫等自然疫源性疾病发生的重要手段，可以将其作为鼠疫暴发风险程度的评价指标。

3 结论与展望

土壤与鼠疫菌的自然保存密切相关，影响传播媒介和宿主动物的食物能量供给和种群繁衍。土壤是疫源地生态地理景观中最具地域特征的要素之一，影响着其它景观要素的构成和稳定，因此，在现代医学发展中土壤应成为鼠疫等自然疫源性疾病研究机制中一个重要的流行病学研究对象。当人们在鼠疫自然疫源地旅游、生活生产过程中，可能通过皮肤直接接触染疫动物的分泌物或尸体，或土壤中的残存鼠疫菌以气溶胶等形式进入人体呼吸道而感染鼠疫，传染源通过现代发达的交通工具造成远距离传播，引起鼠疫的暴发和流行，成为鼠疫防控的一大隐患。然而鼠疫疫源地鼠疫菌在土壤中的保存机制至今尚未得到充分证明，鼠疫菌在土壤中的保存时间上限是多少？土壤的各种物理化学性质如何影响鼠疫菌活性变化？鼠疫菌以哪些方式保存在土壤中？鼠疫突然暴发流行是否与静息期土壤对鼠疫菌的长期保存相关？鼠疫宿主动物和传播媒介种群对土壤介质的选择是否具有适应性规律？这些问题仍困扰着我们。今后，鼠疫研究学者应加强宿主动物、传播媒介和鼠洞土壤及残留物的鼠疫菌监测，并及时发现染疫动物和动物死尸，防止鼠疫菌污染土壤而造成二次传播；同时利用现代地理信息技术，如地理信息系统(GIS)、遥感(RS)及全球定位系统(GPS)在内的“3S”技术专业化动态监测鼠疫疫源地土壤稳定性，与生态统计学、流行病学等多学科融合，完善各鼠疫疫源地土壤分类系统，发现鼠疫流行各环节与土壤要素的关系；加强专业鼠疫实验室对鼠疫菌与土壤特性关系的研究，通过环境模拟实验与野外环境监测相适应，明确鼠疫菌在土壤中的保存机制。随着国家“一带一路”战略实施，中国与沿线国家交流互通增加，带动了中西部欠发达地区旅游等产业发展，而这些地区几乎每年均发生动物鼠疫，人间鼠疫也时有发生。因此，进一步加强鼠疫菌在土壤中保存机制研究，同时明确土壤特性与鼠疫流行各环节的关系，科研攻关与鼠疫防控并进，保障公众健康和社会稳定发展。

利益冲突：无