废物变宝：科学家如何用尿液和粪便做研究

当玛蒂尔德·普瓦耶带我参观位于德国基尔的全球微生物组保护组织（GMbC）实验室时，我见到了各种最先进的设备。这是一个令人印象深刻的设施，配备了典型的实验室仪器，如培养箱、最新的测序设备和用于培养细菌的厌氧培养箱。但实验室里最重要的东西储存在-80℃的冰箱里。这些样本至关重要，因此有备用电池系统——如果冰箱断电，样本也能保持完好。这些试管样本不是什么长生不老药或抗癌细菌：它们是粪便。

准确地说，它们是悬浮的粪便样本和从粪便中培养出的细菌。而这些粪便，曾是普瓦耶和她的同事（包括她的伴侣马蒂厄·格鲁辛，GMbC的联合创始人之一）在GMbC工作中收集的。普瓦耶喜欢称这个项目为他们的“第一个孩子”（我们谈话时，他们真正的孩子之一，小女儿艾莉丝也来到了办公室）。

“我们见过布里斯托尔大便分类量表上的各种粪便——各种形状、大小和颜色，”普瓦耶说。布里斯托尔大便分类量表是医生用来评估消化问题的图表。

普瓦耶和格鲁辛的研究基于这样一种观点：粪便能提供人类肠道微生物组的理想快照——肠道内生物群落的遗传物质。不同人群的肠道微生物组存在差异，且可作为健康指标。大多数关于人类肠道微生物组的研究都集中在欧洲血统人群，但GMbC征集的样本更具全球代表性。冰箱里的样本来自远至加纳、坦桑尼亚、芬兰和泰国等地。

过去九年里，该项目团队已对19个国家的50个人群进行了采样。团队成员与当地科学家、伦理委员会和社区合作收集样本，乘坐汽车、船只、直升机甚至四轮摩托车前往采样点。回到实验室后，研究人员分析粪便成分，对从样本中培养出的细菌的遗传物质进行测序，并将活样本储存在生物库中。

对外行人来说，频繁采集粪便样本可能看起来——并且闻起来——很恶心。在基尔，科学家们偶尔会制作“粪便汤”，用一种叫做生物反应器的容器来观察不同场景对获取的细菌的影响。他们每年只做几次，因为这个过程耗时且昂贵，而且气味刺鼻，导致其他楼层更传统的同事给这个工作区起了个“臭实验室”的绰号。

但粪便为了解人类健康提供了一个绝佳的窗口。“这是我们研究健康人肠道内物质的最佳方式，”格鲁辛说，“这有点恶心，但这是获取这种令人难以置信且重要的生物多样性的最佳途径。”

随着微生物组成为热门研究话题，全球其他科学家也在采集样本进行研究。正如在新冠疫情期间看到的那样，废水分析是一种有价值的公共卫生工具——能让科学家在感染激增前监测人群中的病原体。

“我们排放到环境中的废物实际上富含数据，”新加坡南洋理工大学亚洲环境学院的环境微生物学家珍妮尔·汤普森说。汤普森和她的团队对新加坡的废水进行采样，以检测环境中的有害微生物，寻找人体排出的生物体或病毒的生物“信号”。

“你可以确定信号出现的位置，并随着时间追踪它们，看看它们何时出现，”她解释道。例如，在2021年和2022年，汤普森和她的同事能够在大学校园和污水处理厂识别出新冠病毒SARS-CoV-2的关切变异株，这比这些变异株成为主流早了很久，团队称这表明“少量的隐性传播”。

人类排泄物研究的意义跨越多个科学领域。在全球肥料短缺的背景下，一些科学家（和农民）正将目光投向尿液作为肥料，因为尿液含有氮元素。今年早些时候，加利福尼亚州斯坦福大学的一组研究人员在《自然·水》杂志上发表的一项研究，创建了一个从尿液中提取营养物质的原型系统。该团队估计，其设计每回收一公斤氮可产生高达4.13美元的收益。2020年发表的研究还表明，尿液基肥料可能有助于保护其他资源，减少温室气体排放和水资源使用。

除了作为公共卫生的“晴雨表”，粪便样本还被用于开发一种潜在的救命疗法，即通过将健康的粪便细菌和其他微生物从一个宿主转移到另一个宿主，来治疗艰难梭菌感染。荷兰海牙哈格兰医疗中心的胃肠病学家乔斯伯特·凯勒解释说，艰难梭菌感染“实际上是由紊乱的微生物群引起的”。凯勒参与了2013年一项关于粪便移植（也称为粪便微生物群移植）有效性的早期临床试验。“如果患者无法恢复这种微生物群，感染就会反复发作，而这时粪便微生物群移植就能真正治愈患者。”

现在，粪便移植正被研究用于治疗肥胖症、2型糖尿病、帕金森病和其他疾病。

布林·纳尔逊2022年出版的《冲洗：一种不太可能的宝藏的非凡科学》一书，被出版商描述为“对世界上最被浪费的自然资源的紧急探索”。这位前微生物学家在研究和写作过程中，花了数年时间研究粪便的应用，发现至少有24个领域从我们认为的废物中获取重要信息。他提到排泄物的“恶心”因素时说：“我们只需要克服这个障碍，就能发现它所包含的所有信息。”

普瓦耶有着湿实验室的背景。攻读博士学位时，她研究铃木氏果蝇，经常整天解剖这种昆虫的标本。现在她的研究包括筛选粪便样本，以获取未接触氧气的细菌。她说，有些样本比其他样本更难闻，并补充道：“处理粪便样本时，真正恶心的是当人们没有消化食物，你能在粪便中发现几乎完整的食物。我真的不喜欢这样。”

对汤普森来说，研究废物也是很自然的事。“我一直对微生物世界很着迷，然后想利用它为人类造福，”她说，“微生物黏糊糊的，可能有臭味，但我不觉得它们恶心。”

粪便和尿液也是你会随着时间逐渐习惯的东西。马来西亚梳邦再也莫纳什大学的微生物组研究员庄俊伟（音译）负责粪便样本的收集，这是他人类微生物组研究工作的一部分。他的研究关注该地区不同 ethnic groups 的肠道微生物组差异。与普瓦耶和格鲁辛不同，他不参与实地工作。样本瓶会寄给捐赠者，捐赠者在家中留取样本，但实验室里仍需要处理这些样本。

“你做得越多，就越习惯，因为这是你日常做的事，”他说。

巴黎跨学科行动与研究项目OCAPI的人类学家马林·勒格朗观察到，人们对粪便的文化禁忌比对尿液更强。虽然有研究粪便的资金，但似乎更多用于医学而非农业应用。“当我们寻找资金时，研究尿液比研究粪便更容易获得资金。”