哈萨克斯坦自然鼠疫疫源地鼠疫耶尔森菌（Yersinia pestis）长期存续的生态机制：一个整合生态学框架

《Pathogens》：Ecological Mechanisms Underlying the Persistence of Yersinia pestis in the Natural Plague Foci of Kazakhstan: An Integrated Ecological Framework

　　

摘要专业翻译 鼠疫仍是一种重要的自然疫源性感染，但鼠疫耶尔森菌（Yersinia pestis）在动物间流行间歇期长期存续的机制仍未完全阐明。本研究将已发表的证据与哈萨克斯坦（1990–2025年）的流行病学监测数据以及2021–2023年间开展的详细现场和实验室调查相结合，构建了一个鼠疫持久性的整合生态学框架。研究人员根据支持证据的强度与类型，对非生物与生物生态位、储存宿主、跳蚤媒介以及鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）的适应性状态进行了评估。长期监测识别出空间上复发的动物病核心区，并证实大沙鼠（Rhombomys opimus）–跳蚤宿主–媒介系统在主要沙漠鼠疫疫源地持续存在。现场调查覆盖约120,000 km2，共采集4586份环境与生物样本。细菌学检查获得24株具有活性的鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）分离株，均属于中世纪生物变种（Medievalis biovar）；实时荧光定量PCR（real-time PCR）在4586份样本中的88份（1.92%）检测到鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）特异性DNA，阳性率最高的样本类别为外寄生虫悬液（66/868；7.60%）。实验室证据集中在五个含有复发性动物病核心区的调查疫源地中，而三个对照疫源地未获得任何阳性发现。这些研究结果支持一个证据加权的生态学框架，即已确立的宿主–媒介传播在空间结构化的储存宿主种群和异质环境中运行，而额外的环境与细菌持久性机制虽具有合理性，但仍需进一步的实验验证。

论文主体内容解读

一、研究背景与问题

鼠疫是由鼠疫耶尔森菌（Yersinia pestis）引起的一种自然疫源性传染病，其病原体能够在自然生态系统中长期存续，这一特性使鼠疫成为最具概念挑战性的自然疫源性疾病之一。尽管学界对鼠疫生物学和传播机制已有深入了解，但鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）种群在漫长的动物间流行间歇期得以存续的机制仍未完全阐明。中亚、哈萨克斯坦、里海地区、蒙古、中国、非洲及北美的自然鼠疫疫源地长期观测均显示，动物间流行活动呈现显著的时间波动，活跃期与长达数十年的表观静止期交替出现，部分疫源地甚至数十年未能分离到鼠疫耶尔森菌（Y. pestis），随后动物间流行活动又重新出现。

经典的流行病学概念将鼠疫的维持主要归因于啮齿动物–跳蚤–啮齿动物传播循环。尽管这一模型解释了动物间流行传播的主要机制，却无法完全解释漫长的动物间流行间歇期，以及细菌学检测长期阴性后鼠疫活动的重新出现。为此，实验与现场研究考察了可能有助于病原体存续的额外机制，包括在土壤和洞穴基质中的存活、在自由生活的阿米巴中的胞内持久性、生物膜形成及其他适应性生理状态，以及与植物根际和其他环境基质的关联。这些观察催生了更广泛的生态学概念，认为鼠疫的持久性可能涉及储存宿主、跳蚤媒介、环境基质、土壤生物群与鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）适应性状态之间的相互作用。然而，不同机制的证据强度差异显著：部分机制有活菌回收或实验观察支持，另一些则仅基于分子检测或生态学关联。因此，环境样本中检测到鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）DNA本身不应被解释为活菌持久性或确证环境储存库的证据。

哈萨克斯坦拥有广袤且长期监测的自然鼠疫疫源地，为在多空间和时间尺度上考察这些机制提供了独特条件。本研究整合已发表证据、长期流行病学监测、现场与实验室调查以及哈萨克斯坦自然鼠疫疫源地的空间数据，旨在刻画长期宿主–媒介与空间格局，评估选定自然疫源地的现场与实验室证据，并将这些发现与已发表数据整合为鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）持久性的生态学框架，同时区分已证实的观察与假设性的持久性机制。

二、研究内容与结论概述

研究人员整合了1926–2022年的历史流行病学记录、1990–2025年的长期流行病学监测数据、2021–2023年开展的原始现场与实验室调查、2021–2025年国家抗鼠疫监测系统的宿主–媒介监测数据，以及已发表的国内外关于鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）持久性生态机制的研究。2021–2023年的定向现场调查覆盖约120,000 km²，涉及五个含有复发性动物病核心区的独立鼠疫疫源地（乌拉尔–恩巴、北咸海、咸海–卡拉库姆、巴尔喀什和伊犁山间）及三个对照疫源地（克孜勒库姆、莫因库姆和别特帕克达拉），共采集4586份环境与生物样本。实验室检查综合运用细菌学、血清学和分子生物学方法，细菌学检查获得24株中世纪生物变种（Medievalis biovar）活菌分离株，血清学检测在74份样本中获得F1特异性免疫学阳性结果，实时荧光定量PCR（real-time PCR）在88份样本中检测到鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）特异性DNA。研究得出以下主要结论：鼠疫持久性在空间上呈异质性，与复发性动物病核心区、宿主–媒介系统及大沙鼠（Rhombomys opimus）种群的空间组织密切相关；已确立的啮齿动物–跳蚤传播循环仍是鼠疫维持的最佳确证机制；环境基质和适应性细菌机制应被视为需要进一步现场和实验验证的潜在补充性持久性机制。这一证据加权的生态学框架为更有针对性的生态学监测和未来识别鼠疫长期持久性机制的研究提供了支持。

三、主要关键技术方法

本研究采用描述性与整合性设计，综合多条证据链。长期流行病学监测（1990–2025年）覆盖哈萨克斯坦主要自然鼠疫疫源地，每年开展啮齿动物种群及其外寄生虫的野外调查，重点关注大沙鼠（Rhombomys opimus）的分布面积、洞穴占用率、种群密度、跳蚤丰度及动物间流行活动证据。2021–2023年定向现场调查在八个独立鼠疫疫源地采集洞穴土壤、洞穴基质、取食室内容物、啮齿动物生物样本（肝、脾、血液、血清）、外寄生虫悬液和骨骼残骸等4586份样本。实验室检测采用细菌学培养分离与鉴定、基于被动血凝试验的F1特异性免疫学检测（包括F1荚膜抗原和抗F1抗体检测），以及实时荧光定量PCR（real-time PCR）分子检测。空间分析使用ArcGIS 10.8进行，基于长期流行病学记录识别复发性动物病核心区并绘制空间分布图。

四、研究结果

3.1 鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）生态位与潜在持久性机制的比较分析**

已发表证据表明，鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）的长期持久性可能涉及多种环境生态位和细菌适应性状态，其证据强度与类型差异显著。比较分析显示，较长的报道持久期往往出现在提供更大环境保护的场景中，包括稳定的微气候条件、有机基质、胞内定位、生物膜发育和代谢不活跃的生理状态。在非生物环境中，土壤和啮齿动物洞穴基质与鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）的长期存活关联最为密切，在有利环境条件下已有活菌回收的报道；L型菌在巢材中实验证实可存活至少427天。在生物环境中，实验研究证实鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）可在卡氏棘阿米巴（Acanthamoeba castellanii）胞内存活至少5–7天，而其他土壤原生动物、线虫、土壤微生物群和植物相关生境的特征化程度较低，主要受实验观察、生态学关联或推测机制支持。

3.2 哈萨克斯坦自然鼠疫疫源地大沙鼠–跳蚤宿主–媒介系统的种群动态

2021–2025年长期流行病学监测显示，年度调查面积介于737,890至743,890 km²之间。大沙鼠（R. opimus）平均洞穴占用率从2021年的52.9%描述性上升至2025年的59.8%，各监测区域年度范围为17.61–88.55%。平均大沙鼠密度介于483至540只/km²，年度丰度类别在低与中等之间波动。大沙鼠平均跳蚤指数相对稳定在3.9–4.3只/宿主，洞穴平均跳蚤丰度为29.4–53.5只/洞穴，监测样地平均丰度为135.5–173.0只/样地。估计跳蚤丰度从2021年的15,856只/km²描述性上升至2025年的27,867只/km²，但年度跳蚤丰度类别在整个观测期间始终为低。其他啮齿动物物种丰度较低，为每100陷阱夜的2.1%–10.3%。这些数据证实大沙鼠种群及相关跳蚤种群在监测的沙漠鼠疫疫源地持续存在。

3.3 哈萨克斯坦自然鼠疫疫源地持久性动物病核心区的空间分布

基于2000–2025年长期流行病学记录和GIS空间分析，识别出四个主要动物病核心区空间集群：西部集群（乌拉尔–恩巴和乌斯秋尔特地区），18,131 km²；咸海–克孜勒库姆集群，27,042 km²；巴尔喀什集群，56,239 km²；伊犁山间集群，78,236 km²。精细空间分析显示，复发性鼠疫活动在较大自然疫源地内呈异质分布，动物病核心区主要出现在与冲积和洪积–坡积物及浅层淡水地下水相关的区域，而风成沙和更干旱景观中的动物间流行活动记录较少。描述性时间分析进一步显示，79.0%的阳性区和73.7%的鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）分离株记录于太阳活动周期下降阶段，报告频率为上升阶段的2.7倍。

3.4 动物病核心区的现场与实验室特征

2021–2023年现场调查共采集4586份样本。细菌学检查4548份样本，获得24株鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）分离株（0.53%），均属于中世纪生物变种（Medievalis biovar），其中19株具有该生物变种的典型表型特征，5株表现出非典型表型特征（包括F1产生减少和/或色素沉着菌落比例降低）。培养阳性样本仅在五个含有复发性动物病核心区的疫源地检出，三个对照疫源地均无培养阳性。F1特异性免疫学检测2074份样本，74份（3.57%）阳性，包括8份啮齿动物血清F1荚膜抗原阳性（同时抗F1抗体阳性）和66份外寄生虫悬液F1抗原阳性。实时荧光定量PCR（real-time PCR）应用于全部4586份样本，88份（1.92%）检测到鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）特异性DNA，阳性结果仅出现在五个含有复发性动物病核心区的疫源地，对照疫源地无阳性。按样本类别统计，PCR阳性率分别为洞穴土壤4/1388（0.29%）、洞穴基质6/725（0.83%）、取食室内容物4/399（1.00%）、啮齿动物血清8/1168（0.68%）和外寄生虫悬液66/868（7.60%），外寄生虫悬液阳性率最高。

3.5 大沙鼠分布区的长期动态与鼠疫活动相关的环境格局

1990–2025年长期监测显示，别特帕克达拉沙漠中大沙鼠（R. opimus）的分布面积增加了50.12%，达到约60,140 km²，北部分布界限延伸至北纬47°以北，此前记录范围之外出现新的沙鼠群落，表明主要储存宿主在该自然疫源地内出现明显的向北和空间扩张。长期监测还显示鼠疫活动具有明显的季节性变化，动物间流行表现主要在4月至11月间记录，与啮齿动物宿主和跳蚤媒介活动最活跃的时期一致。

3.6 自然鼠疫疫源地鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）长期持久性的整合生态学模型**

整合现场观察、长期监测数据和已发表证据，研究提出了一个概念模型。该模型不将长期维持归因于单一机制，而是考虑经典啮齿动物–跳蚤传播循环、空间结构化的宿主种群、环境基质和细菌适应性状态之间的相互作用。啮齿动物–跳蚤系统是鼠疫维持的最确证生物学组分，大沙鼠（R. opimus）种群的空间组织可能通过群落间的连通性促进长期动物病连续性。环境基质可能提供额外的持久性生态位，但PCR检测本身不能确立长期环境存活或独立的环境储存库。生物膜形成、与自由生活的阿米巴的相互作用、L型菌和持留菌状态、植物根际关联以及活的但不可培养（VBNC）状态等机制可能增强特定环境条件下的存活，但其对哈萨克斯坦自然鼠疫疫源地长期持久性的贡献尚未在本研究中直接量化。分子遗传证据显示鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）种群内存在显著的系统发育和地理结构，与已确立自然疫源地内的长期维持相容，但未确定间歇期活菌存活的生态区室或机制。

3.7 研究局限与未来方向

研究存在以下局限：整合的证据流在时间覆盖、空间分辨率、采样设计和分析方法上存在差异，仅进行概念性整合而非合并统计分析；不同诊断终点代表不同证据水平，培养阳性证明活菌回收，而PCR仅确认DNA存在；长期生态和空间分析主要为描述性，监测强度、采样力度和时间覆盖的差异可能影响时期和区域间的比较。未来研究应结合纵向标准化采样、培养检测、定量分子方法、基因组和宏基因组方法以及高分辨率空间和环境数据，特别关注实验验证鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）在环境基质中存活的活性和持续时间，并区分瞬时污染与生物学相关的持久性生态位。

五、讨论总结

本研究整合长期监测、空间分析、现场与实验室调查及已发表证据，考察哈萨克斯坦鼠疫长期维持的生态过程。鼠疫活动在地理界定的动物病核心区内反复集中，加上宿主–媒介动态和鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）循环的实验室证据，支持对鼠疫持久性的多因素解释，而非归因于单一生态机制。经典啮齿动物–跳蚤传播循环仍是活跃动物间流行期间鼠疫维持和传播的最确证机制，跳蚤也可能在传播活动减少期间对持久性有所贡献。大沙鼠（R. opimus）群落的集合种群动态可能有助于景观尺度上的连续性，尽管局部灭绝或感染暂时中断。环境条件可能进一步影响鼠疫活动的空间和时间组织，但环境检测不应等同于独立储存库。分子证据为长期连续性提供补充视角，系统发育和地理结构与已确立自然疫源地内的长期维持相容。全球文献同样显示鼠疫系统可在长期间隔后保持活跃或重新出现，如马达加斯加的长期持久性反映宿主、跳蚤媒介和当地环境条件的相互作用，阿尔及利亚在约五十年后和利比亚在长期无报告病例后鼠疫重新出现。额外的细菌存活机制（持留菌状态、自由生活的阿米巴胞内生态位、生物膜形成）可能在特定环境条件下有所贡献，应被视为潜在补充机制而非在哈萨克斯坦鼠疫疫源地中同时运行的已确立组分。

六、研究结论翻译

本研究整合长期流行病学监测、空间分析、现场与实验室调查及已发表证据，为理解哈萨克斯坦自然鼠疫疫源地鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）的长期维持提供了生态学框架。研究结果表明，鼠疫持久性在空间上呈异质性，与复发性动物病核心区、宿主–媒介系统以及大沙鼠（Rhombomys opimus）种群的空间组织相关。培养确证的鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）活菌回收，连同血清学和分子证据的病原体循环，支持已确立自然鼠疫疫源地的持续活动。然而，环境材料中检测到鼠疫耶尔森菌（Y. pestis）DNA本身并不证明细菌活性或确认独立的环境储存库。因此，环境基质和所提出的适应性机制，包括生物膜、与自由生活的阿米巴的相互作用、持留菌和活的但不可培养（VBNC）状态以及根际关联，应被视为需要进一步现场和实验验证的潜在补充性持久性机制。总体而言，所提出的模型强调已确立的宿主–媒介传播、空间结构化的储存宿主种群、环境条件和潜在细菌存活策略之间的相互作用。这一证据加权的框架可为更有针对性的生态学监测和旨在识别鼠疫长期持久性机制的未来研究提供支持。