在切萨皮克湾的岸边，一艘小型的研究船轻轻摇晃着，我将一个无菌的塑料瓶沉入水中，以收集水样，以便研究水生微生物。
附近的工人正在浅水区打捞牡蛎，家庭们在低波浪中嬉戏。对他们来说，这是一场完美的夏日。
但在这片看似宁静的水域里，隐藏着弧菌，这是一类在全球的沿海环境中自然存在的细菌。
其中一些细菌可引发腹泻、痉挛和恶心，一些则可能导致严重的食肉感染，甚至甚至死亡。
弧菌自由生活在水中，聚集在沉积物和塑料上，并定殖在贝类、鱼类和浮游动物的表面和肠道中。对于那些生物来说，这些细菌通常是无害的，甚至是有益的。
弧菌还通过分解有机物质来回收碳和氮等养分。它们存在于盐水和淡水环境中，尤其在暖水中繁荣。
这就是为什么多年来，弧菌感染（称为弧菌病）的病例通常发生在美国最热的海岸线，尤其是墨西哥湾沿岸。
但气候变化正在加剧水温升高，从而使曾经凉爽的水域变得温暖，弧菌病病例也在不断向北扩散。
如今，病例已在整个东海岸、北欧的波罗的海，甚至阿拉斯加和芬兰的水域中被报道。
不仅细菌的适宜栖息地在扩大，更高的水温让一些弧菌物种能够更快繁殖。
尤其是在暴风雨和大雨之后，营养物质增加、盐度改变的情况下，这创造了它们快速生长的理想条件。
这些完美的环境条件增加了那些不小心踏入海浪中受了小伤的人、或是误吞一点水的人感染严重疾病的可能性。
过去十年，我所在的研究团队跟踪了有病原性弧菌的环境条件朝北扩展的情况，以及随之而来的严重疾病病例的上升——最令人担忧的是，能够感染开放性伤口的物种，可能导致危及生命的情况，例如坏死性筋膜炎（食肉病）或血液中毒。
现在，我们正在努力通过开发预测计算机模型来预测风险，这些模型利用环境数据——例如温度和盐度——收集的数据来自卫星和监测站，同时根据需要分析水样中的微生物。
我们的目标是制定一个弧菌警报系统，类似于地方政府用于警告游泳者的“红旗”系统。
随着夏季日益炎热，风暴变得更加猛烈，我们试图设计和推出能够适应变化环境的模型，并帮助沿海社区认识到日益增长的危险。
科学家们已经描述了100多种弧菌。这些弯曲或球形的细菌已经演化得能在各种水域适应生存，从浅海湾到深海热液口，使它们能够在一些地球上最具挑战性的生活条件中生存。
许多物种与它们的宿主生物形成密切的共生关系。
例如，Aliivibrio fischeri 细菌群落定殖在夏威夷小乌贼的发光器官中，帮助生物发出生物荧光。
其他细菌则附着于珊瑚、鱼类、牡蛎以及浮游动物和桡足类动物的外骨骼上，这些微小的海洋甲壳类动物是食物网的基础，并且是弧菌的重要储存库。
单个桡足动物可以携带超过10,000个弧菌细胞，因此，只要吞下少量海水，就足以导致疾病。
这些细菌也在过滤性贝类如牡蛎中高度浓缩，牡蛎不断吸入并处理大量水，捕捉悬浮颗粒——包括微生物——在它们的鳃和组织中。
弧菌喜欢这个环境，并可能在收获后牡蛎储存或运输不当的情况下在内部繁殖，增加了人们食用生牡蛎时感染的风险。
温度是弧菌生长的主要先决条件。
与许多病原菌一样，弧菌在接近人类体温（约37摄氏度）时繁荣生长，因而让温水成为它们特别有利的栖息地。
较高的水温会加速它们的新陈代谢和繁殖，并可能刺激与感染相关的基因的表达。
盐度是另一个关键因素；弧菌通常需要咸水或微咸水中的钠离子来维持细胞功能。
然而，它们表现出惊人的适应能力，即使在淡水湖泊或池塘中也生存良好。
当不生活在宿主生物中或其上时，许多弧菌物种能在水体中存活，附着在有机物颗粒如腐殖质、藻类或浮游生物上，这些都提供了营养并给予保护。
它们有鞭毛，可以游向有利的条件并定殖在营养丰富的表面。
当资源稀缺时，它们也能持久生存，然后在营养丰沛时迅速繁殖，例如在大雨或藻类大量繁殖后。
人们通过食用感染的海鲜如牡蛎、不经意地吞下一口海水或让开放的伤口暴露于海水中而感染弧菌。
这些疾病分为两类：霍乱和非霍乱性弧菌感染。
霍乱是一种急性腹泻疾病，由食用或饮用被弧菌霍乱菌污染的食物或水引起。
在严重病例中，霍乱可能会在数小时内致命，因迅速失去液体和电解质，导致低血容量休克和多脏器功能衰竭，若未及时治疗。
在发达国家，安全饮用水和医疗服务的可及性已基本消除了这种疾病——美国每年只有20例以下。
但在许多国家，霍乱依然是地方流行病。
非霍乱弧菌感染每年在美国导致大约80,000例疾病和约100人死亡。
弧菌副溶血性菌是从食用受污染海鲜而感染的主要罪魁祸首，尽管由于弧菌 vulnificus 导致的食源性疾病病例正在上升。
弧菌 vulnificus 是一种致命的水传性病原体，且为坏死性筋膜炎和血流感染的重要成因，致死率超过50%。
目前，弧菌 vulnificus 约占美国与弧菌有关的所有海鲜死亡病例的95%。
其他物种，包括弧菌 alginolyticus 和弧菌 fluvialis，可能导致皮肤、眼睛、耳朵和肠胃道感染，并在沿海地区越来越多地被报道为新兴病原体。
弧菌病长期以来遵循独特的季节性节律，感染在温暖的月份沿美国墨西哥湾沿岸达到高峰。
这种趋势与水温的升高和养分水平的增加密切相关，这两者都强烈影响细菌传播给人类的可能性。
气候变化正在延长夏季，鼓励更多的休闲水使用，从而提高了暴露风险。
全球旅行、水产养殖的贸易、海运以及沿海地区的人口增长也有助于传播这些细菌。
在1990年至2019年间，几种弧菌病的传播范围向北扩展达每年70公里。
例如，在1980年代晚期，弧菌 vulnificus 感染在乔治亚州以北很少发生，但到了2018年它们已被报告至费城。
2023年和2024年，这一趋势加速，几起与弧菌 vulnificus 相关的死亡案例在纽约州、罗德岛和康涅狄格州的主要城市中发生，令人惊讶。
弧菌 alginolyticus 感染在1999年首次出现于墨西哥湾沿岸地区以外，到了2004年年底报告已达到缅因州。
同样，弧菌 fluvialis 和弧菌副溶血性菌在1990年代末出现在中大西洋海岸，到了2000年代初已经到达缅因州。
在欧洲，弧菌感染在2014年被报道至芬兰、瑞典、丹麦和挪威。
尽管来自南半球的数据仍然有限，但沿海水域升温表明类似的扩张正在进行。
科学家们预测，到本世纪末，美国因弧菌爆发造成的经济负担将从每年约26亿美元增长到高达86亿美元。
最令人担忧的气候现象是强劲的飓风，这些飓风的风暴潮和洪水创造了有利于弧菌生长的理想条件。
2016年10月，飓风马修在海地西南海岸降下大雨，冲击了污水、电力、饮水系统及其他卫生基础设施，正值气温飙升。
这种条件引发了现代史上最大的一次霍乱疫情，最终导致两年内报告的病例超过60万。
2022年9月，当五级飓风伊恩摧毁佛罗里达州的墨西哥湾沿岸时，风暴潮搅动了温暖水域的海底沉积物和有机物，为病原性弧菌的繁殖创造了最佳条件。
根据州卫生官员，风暴后的一个月内，有11人死于弧菌病。
2024年末，两个飓风海伦和米尔顿连续袭击同一地区，将温暖的咸水和淡水混合成滋生这些病原体的的池塘。
佛罗里达州在飓风后的一个月内报告弧菌 vulnificus 感染急剧上升，包括严重的坏死性筋膜炎病例。
官员们紧急警告居民避免与洪水接触，保护开放的伤口。
随着飓风变得越来越强大和频繁，涉及弧菌的公共卫生紧急事件可能会增加。
自1960年代以来，科学家们一直在探索环境条件与病原体传播之间的隐藏关系。
1996年，马里兰大学的微生物学家和名誉教授 Rita Colwell 首次提出使用卫星遥感技术预测霍乱爆发，将疫情潜在性与海水表面温度、大雨和叶绿素水平等环境信号联系起来；叶绿素表明浮游植物的丰度，而浮游植物是浮游动物的食物，这些浮游动物为弧菌提供有利的传播途径。
今天，这些洞察形成了多国在东南亚和非洲采用的霍乱预测模型的基础。
当预测未来几周爆发时，公共卫生当局能够迅速动员卫生人员和资源到易受感染的社区，从而显著减少与霍乱相关的死亡人数。
团队设置临时健康中心，分发安全饮用水和卫生用品，发起疫苗接种活动，并教育人们有关卫生知识——所有这些措施都是为了在疫情恶化前限制传播。
2017年，受到这一工作的启发，我加入了科威尔教授的研究小组，帮助将预测能力扩展到其他威胁切萨皮克湾的病原性弧菌。
该团队已对水样进行采样，持续监测显示，当水温达到约15摄氏度（59华氏度）时，弧菌副溶血性菌和弧菌 vulnificus 的数量开始稳定增长。
一旦温度超过25摄氏度（77华氏度），生长速度飙升。
这一点令人担忧，因为从佛罗里达州到切萨皮克湾的沿海水域现在的夏季温度通常超过该水平。
我们还确定了与较高弧菌丰度密切相关的特定盐度范围。
这些范围远远低于开放海域的盐度，典型于河流与海湾交汇处的微咸水环境。
此外，我们发现，典型于中到大规模浮游植物暴发的叶绿素浓度与更高的弧菌数量有关，这可能反映出丰富的养分和浮游动物的存在。
让我们感到最不安的是，自2009年至2022年间，切萨皮克湾的弧菌丰度明显增加。
病原体不仅变得更加丰富，而且在每年的活跃时间也拉长。
历史上，弧菌的数量在晚春上升，通过夏季保持高位，然后在初秋消退。
现在，细菌种群在冬季的高水平状态保持时间延长。
我们的团队和马里兰大学公共卫生学院的同事发现，从2013年到2019年，马里兰州的弧菌病病例年均发生率比2006年至2012年期间高出约40%。
住院率增加了约60%。
住院率最高的地区是在马里兰州南部和东部的沿海乡村县，尤其是在下切萨皮克湾附近。
随着气候变化转变沿海生态系统，弧菌健康风险将持续更长时间，影响更广泛的地理范围，并且每年影响更多的人。
如果及早发现并及时治疗，大多数弧菌感染，特别是导致肠胃疾病的，可以通过口服或静脉补液进行管理。
然而，更严重的病例，尤其是坏死性筋膜炎或败血症的伤口感染，则需要抗生素和紧急手术。
然而，随着抗生素耐药性弧菌株的日益增多，这些治疗的有效性正变得越来越不可靠。
已有批准的疫苗仅用于弧菌霍乱菌，但通常提供保护的仅是几年。
目前还没有针对非霍乱物种的批准人用疫苗，尽管一些疫苗正在为鱼类和虾类水产养殖产业开发。
鉴于这些因素，公共卫生官员强调提高认识以减少暴露。
在切萨皮克湾搭建了近六十年的霍乱研究基础上，我们的团队证明了预测风险模型可以帮助预测和减少水传播疾病的爆发。
国家海洋和大气管理局的国家沿海海洋科学中心还开发了概率模型，以估计在切萨皮克湾发现弧菌 vulnificus 的可能性。
利用温度和盐度数据，NOAA每天提供前六天、当前和下一天的平均预测。
欧洲疾病预防控制中心则创建了弧菌地图查看器，以预测波罗的海的热点。
然而，这些模型具有很高的区域特异性。
提高弧菌风险的环境因素在切萨皮克湾并不一定会在佛罗里达州墨西哥湾沿岸引起同样的担忧，因为盐度更高且季节模式有所不同。
由于每种弧菌物种可能对各种条件的反应不同，模型必须根据特定生态系统量身定制。
准确预测还需要长期、特定地点的环境和微生物数据，这些数据在许多地区有限。
与科威尔教授、马里兰大学的 Anwar Huq 以及来自佛罗里达大学的 Antar Jutla 和 Bailey Magers 合作，我们正在使用机器学习来改进风险模型。
它们不仅包括当地的环境条件，还包括人类行为模式，如休闲水使用和海鲜消费。
人口统计数据至关重要，因为某些群体——如老年人和肝病或免疫系统虚弱的人群——更容易受到严重弧菌感染的影响。
通过纳入这些因素，我们可以更好地预测弧菌病的风险。
自2022年以来，我们已在一些受到飓风严重影响并最近报告弧菌感染激增的牛头港和佛罗里达州坦帕湾地区进行采样。
我们还从多个海湾地区收集水和牡蛎样本。
通过结合这些真实数据与卫星感知的环境变量，我们正在开发反映每个区域独特生态动态的实时预警系统。
为了保护全球沿海社区，我们需要更多的环境监测、标准化的人类感染报告和长期数据集，以帮助训练模型——不仅是针对弧菌，也是针对更广泛的水传播病原体。
理想情况下，弧菌病的预警系统应运行得像天空质量或潮流警报一样：当条件变得有利于弧菌生长时，自动消息可以通过手机警报和社交媒体或公共公告通知海滩游客、海洋工作人员和水产养殖业。
这些实时信息可以促使简单但可能挽救生命的行为变化和做法，例如用防水绷带覆盖任何割伤或擦伤，避免水，尤其是对有开放性伤口的人，减少食用来自受监测水域的生贝。
公共卫生宣传还必须反驳过时的信念，比如“咸水能清洁伤口”的神话。
并不如此；让开放性伤口暴露于海水中可能大大增加严重感染的风险。
这些策略还可以扩展到淡水区域。
随着弧菌威胁的演变，科学也必须演变。
弧菌的一个有趣特性是它们能够通过进入称为“可存活但不可培养”（VBNC）状态来抵御恶劣条件。
该状态首次被科威尔及她的马里兰大学学生描述。
在VBNC状态下，细菌依然活着但处于不活跃状态。
因此，它们无法通过广泛采用的标准实验室技术进行培养，这些技术通常用于监测环境病原体。
尽管它们处于休眠状态，但VBNC细胞在条件改善后能够快速恢复到活跃的感染状态——这正是人类肠道的温暖和富营养环境。
多年来，研究人员发现检测处于VBNC状态的细胞很困难。
分子分析的进展显著改善我们在环境中发现它们的能力，包括聚合酶链反应技术，该技术可以将微量DNA增加到可检测水平，以及高通量测序，它能够同时提供数百万片段的DNA碱基序列——使我们能够识别存在的物种甚至基因。
在我的研究中，我使用名为宏基因组学的DNA技术来分析样本中的所有微生物——包括细菌、病毒、真菌和原生生物（在其他分类之间的生物）——并识别病原体及其耐药基因。
我的同事们还运用基于RNA的方法来评估怀疑微生物的基因表达，从而提供不仅是“谁在这里”而且“他们在做什么”的更清晰图景。
这些方法尤其有价值，因为它们能够绕过与检测VBNC状态中微生物相关的问题。
利用这些工具，我们在沿海水域发现的弧菌多样性比以往任何时候都广泛。
在佛罗里达州的海湾沿岸的一个样本中，我们识别出超过80种不同的弧菌，包括已知致病人类的菌株以及携带抗生素耐药基因的菌株。
这些高分辨率的数据集使我们能够预测不仅是何时存在弧菌 vulnificus 或弧菌副溶血性菌，而是何时这些细菌可能变得更加活跃或危险。
该信息还使我们能够考虑到复杂的生态互动——例如，铯藻或盐度变化如何增强或抑制某些弧菌种群。
利用这些技术来改善预测模型和警报需要对特定位置进行频繁的水样采集。
研究人员必须迅速分析样本并与正在运行模型的团队共享结果，几乎实时地更新模型。
目前，这种类型的分析需要数天到数周，并且成本较高，尽管费用正在下降。
为了使其更可行，我们正在开发现场准备的工具，例如便携式测序设备，如生物技术公司 Oxford Nanopore 的 MinION，地方机构或贝类收获者可以在卫星警报标记潜在风险之后尽快使用。
我们正在将这些工具适应广泛跟踪其他肠道病原体，如沙门氏菌、大肠杆菌和隐孢子虫，利用我们在COVID疫情期间追踪SARS-CoV-2病毒的社区传播时采用的分子技术，通过废水监测。
随着我们对弧菌遗传学的深入了解，新的担忧随之产生。
这些细菌具有惊人的适应能力，能够通过突变和水平基因转移（直接交换遗传物质）迅速获得新特征，从而迅速改变以适应变化的环境压力。
事实上，弧菌霍乱菌最初是通过噬菌体获得其产生霍乱毒素的能力，而某些弧菌 vulnificus 株最近已发展出更强的耐热性，使其在温暖的水中存活更久。
某些弧菌副溶血性菌株获得了能增强其感染宿主能力的基因。
图片源于：scientificamerican
