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“同一健康”框架下的城市环境微生物及其优化设计

花匠小妙招
2024-11-08 06:55

城市是人类文明进化的产物，人们在城市中共享文明进步的成果，包括文化、医疗、商业以及科技带来的便利。改革开放以来，城市化快速发展，无论是规模和速度都是全球领先的[1]。新型城镇化是中国式现代化发展的重要内涵之一，空间规划体系对中国城镇化的进程提供了支撑和引导，是国家治理现代化的重要组成部分[2]。

城市是人类作为单一物种所主导的特殊生态系统，也是一个高度工程化的生态系统。在城市生态系统中物质和能量的代谢绝大部分是人工介导的，因此很多情况下是偏离自然生态和生物地球化学过程。城市生态系统中物质和能量代谢不畅会导致一系列的环境、生态和健康问题，如垃圾围城、热岛效应、生境破碎化和生物多样性下降等。这些城镇化导致的生态与环境质量的变化必然会对人群健康产生影响。但是一直以来，在诸多影响城市人群健康的要素中，人们主要关注物理和化学层面的可见要素，而忽视了肉眼看不见的微生物世界。

城镇化进程影响着城市环境微生物，包括微生物的多样性和丰度，进而影响人群健康。针对环境微生物的健康城市规划需要突出城市宏观物理环境和微观生物环境的融合，是空间规划设计未来研究和实践的前沿方向。

1. “同一健康”与城市环境微生物

在促进全球健康的进程中，联合国粮食及农业组织（FAO）、联合国环境规划署（UNEP）、世界卫生组织（WHO）和世界动物卫生组织（WOAH）4个组织于2021年联合提出“同一健康”（One Health）理念。“同一健康”是指：人的健康与动物、植物和环境相互耦联，共享一个健康保障系统[3]。2022年，上述4个组织提出的《“同一健康”联合行动计划（2022—2026年）》旨在创建一个整合系统和能力的框架，以便更好地预防、预测、检测和应对健康威胁[4-5]。无处不在的微生物是连结人与动物、植物和环境的主要纽带。因此，需要充分考虑城市微生物对人群健康的影响。如何在“同一健康”框架下基于空间规划设计优化城市微生物，是保障城市健康的重要方面，更是实现人与自然和谐共生的重要抓手。

关于微生物与城市人群健康，特别是免疫性的疾病，Hanski等[6]和Rook等[7]提出“卫生假说”（也被称为“生物多样性假说”）和“老朋友”机制。他们认为，现代城市居民与在人类漫长进化过程中一起生活的微生物的接触减少是导致一些高收入国家免疫性疾病增加的重要原因。Hanski等[6]的研究发现，和健康人群相比，过敏性人群生活环境中的生物多样性显著降低，过敏性人群皮肤上伽马变形菌的遗传多样性显著低于健康人群。在城市空间规划和建设过程中保护生活和工作环境中的微生物多样性和有益菌丰度，将有利于预防慢性非传染性疾病和传染性疾病。

同时，病原体是微生物中对人类健康具有负面效应的主要源头。例如，人类活动使土壤生态系统中的病原体丰度不断增加，并且这些病原体最终会通过食物链影响人类健康[8]。在抗生素耐药性增强的背景下，WHO于2017年制定了细菌重点病原体清单（bacterial priority pathogens list, BPPL），并于2022年制定了真菌重点病原体清单（fungal priority pathogens list, FPPL），在全球范围内推动重要病原体的系统研究和政策干预，提高人类对病原体感染增多和耐药性增强的应对能力[9-10]。各类未知的病原体也对人类健康有潜在危险。因此，城市环境中的病原体丰度影响着传染性疾病的感染率，也影响着各类地方性或全球疫情暴发的可能性。

2. 城镇化对城市环境微生物的影响

环境微生物的研究已经深入到大洋深海和极地高原，但是人们对自身生活环境的微生物组成、多样性和功能知之甚少。比如我们城市社区内和住房卧室中有哪些微生物？受哪些因素影响？如何优化城市社区和住房室内微生物生态？

事实上，城镇化对微生物生态系统的影响是深远的。城镇化进程带来的气候变化、土地利用变化等环境变化和人类生活方式的改变，将减少环境微生物多样性，引起人类微生物的失衡，导致人类过敏性炎症的多发和其他相关疾病的产生[11-13]。

由于每个人身上带有不少于人体细胞数的微生物细胞，因此城镇化（人群集中居住）必然会改变微生物群落的组成和多样性及其应有的稳态。笔者团队研究发现：商场表面微生物群落具有明显的时间和空间分布特征，并存在一个核心的微生物组，其中多数与人类病原菌相关[14]；商场地表和电梯扶手表面的微生物主要来源于人类皮肤，并且随机过程是这些表面微生物群落组装的主要机制；此外，商场室内病原菌丰度高于室外环境。源自人体的微生物（包括人类病原菌，如大肠杆菌等）在城市环境中的循环必然会影响人类健康。针对城市室外环境微生物，笔者团队在不同城镇化水平区域（城市、城郊和农村）采集空气微生物，探究城镇化对空气微生物组的影响[15]，发现城镇化显著改变了空气细菌的群落结构；同时，空气中潜在人类病原菌（包括多噬伯克霍尔德氏菌、屎肠球菌和嗜热链球菌等）的相对丰度随着城镇化水平的提高而增加，突出了城镇化所引起的人类健康风险。

同时，城镇化带来的城市建成区拓展，使生态空间边界长度和复杂性增加，导致野生动物、家畜和人类的接触面和接触率提升，人畜共患传染病溢出的风险增大。已有研究发现，城市中的人畜共患传染病宿主在物种丰富度和总物种数中的占比远高于其他生境[11]。生态空间破碎化导致斑块面积减小、连接度降低，宿主物种栖息地斑块面积的减小，会增加感染病原体的概率[16]。城镇建筑密度增加导致人类暴露的微气候变化，改变了环境中病原体的丰度，提升了城市中病原体宿主物种的生存能力、繁殖能力和密度，扩大了其活动范围，也会导致传染病传播概率的增大。

城市绿地是城市微生物研究的焦点。以草坪、灌木丛、散植树木或花坛组成的开放公园和大型住区花园是细菌和原生生物的局部多样性热点，可以作为城市微生物库[17]。已有研究涉及的城市绿地空间类型有（以人类干扰程度由低到高排序）：城市森林、植被复垦区、植物园、生物洼地、绿色屋顶、社区花园、运动场地等[18-20]。当前研究多为横向对比分析，包含中国、美国、芬兰、澳大利亚等多个国家的城市绿地，主要探索了不同地理气候、社会经济条件、公园建成年龄等因素对微生物分布特征的影响[17, 21-22]。绿色基础设施的建设可以提高微生物多样性和丰度[19]。具有树林的城市绿地的微生物平均丰富度显著高于种植蔬菜的社区花园和单一草本覆盖的运动场地[23]。Mills等[24]提出了城市荒野化的假设（microbiome rewilding hypothesis），他们认为恢复生物多样性高的城市绿地生境，能够“野化”城市环境微生物并使其达到一个稳态，从而增强人类对疾病的初级预防。因此，城市绿地作为城市生态系统的重要组成部分，能够提供许多与人体健康密切相关的生态系统服务，对于缓解城镇化对环境微生物及人体健康的负面影响具有重要的潜在作用[25-26]。

3. 通过调控城市环境微生物改善人体健康

调控城市生活环境的微生物生态系统可以改善人群，特别是儿童的免疫力。据WHO报道[27]，哮喘已经成为儿童最常见的疾病之一，且患病率逐年上升。Ege等[28]通过比较欧洲多个国家儿童的哮喘患病率及其与生活环境微生物多样性的相关性发现，和生活在城市的儿童相比，在农场中长大的儿童哮喘患病率显著更低，这主要是因为生活在农场中的儿童接触到了多种多样的微生物，从而提高了自身的免疫力。芬兰科学家Roslund等[29]近期的研究也发现，把来自大自然原始生境的土壤和泥炭等携带自然微生物的样本放置在城市幼儿园环境中，可显著改善儿童皮肤上的微生物多样性；并进一步发现皮肤微生物多样性和免疫力相关的一些指标呈显著正相关。这些研究结果清晰地表明了环境微生物多样性对人体健康的重要性。在城市化背景下，城市居民大约90%的时间是在室内活动[30]。与此同时，以往城市的扩张和密集化发展通常以减少城市绿色空间的面积为代价。这些因素使得城市居民与大自然的接触机会变得越来越少。因此，基于自然的解决方案（nature-based solutions）把自然带回城市，将城市居民与微生物多样性丰富的大自然重新连接，被认为是促进人体健康并降低非传染性疾病患病率的重要潜在措施[31-33]。城市绿色空间则成为城市居民与大自然重新连接的一个重要纽带。

那么，城市绿色空间是否可以调控微生物群落和组成？Selway等[33]的研究发现，城市居民与城市绿色空间的短时间接触（10~30 min）就足以显著提高人体口腔和皮肤微生物的多样性，从而对人体健康产生积极作用，这突出了城市绿色空间在调控人体共生微生物群落和组成方面的重要性。因此，深入探究城市绿色空间微生物组的影响因素有助于更好地通过优化城市绿色空间调控环境微生物群落和组成，从而充分发挥城市绿色空间在促进人体健康方面的重要作用。城市绿色空间微生物组主要包括土壤微生物、植物微生物和空气微生物，且三者是统一的连续体[24]。土壤和植物微生物是空气微生物的主要来源；同时，空气是环境微生物在城市绿色空间中传播的重要媒介。

近期笔者团队通过采集城市绿色空间空气微生物，探究了绿色空间多因素，如植物、土壤及人类对空气细菌、真菌及潜在致病微生物的影响[34]。研究结果表明：相对于土壤及人类因素，绿色空间中植物因素对空气微生物群落的影响较大；在绿量较少且马尾松占比小于30%的区域，空气中潜在致病细菌（比如鲍曼不动杆菌）和真菌（比如近平滑念珠菌）的比例最高，说明绿量和树种是影响绿色空间空气潜在健康风险的重要因素。笔者团队还分析了全球范围内的2 875个城市微生物样本，探究绿量对抗生素耐药菌的影响[35]；研究发现，绿量的增加可显著降低重要耐药菌的丰度（包括屎肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌和肠杆菌），特别是在温带以及各温度带的中度城镇化地区；其中，中度城镇化地区是指1 km缓冲区内城镇用地面积占比50%~70%的区域。此外，芬兰研究团队通过为期28 d的室内环境干预实验发现，在室内增加绿色植物设施（如绿墙），也能够显著增加人体皮肤有益微生物的多样性[36]。这些研究说明了调节环境微生物的多样性和特定菌种的丰度可以改善人体健康。因此，在未来城市室内外环境的规划和建设中需要充分考虑城市绿色空间及其环境微生物的重要作用，并提供相应的空间支撑和措施保障，统筹城市绿色空间，培育自然微生物群落，从而营造良好的城市绿色空间微生物环境，以促进城市居民健康和城市的可持续发展。

4. 优化城市环境微生物的健康城市规划

健康城市规划是以空间资源配置为核心，减少健康风险暴露，提高健康资源供给和促进健康生活方式为主要路径的规划设计[37]。环境微生物给人类健康带来正负两方面的效应，既是健康风险，也是健康资源。研究证明微生物多样性高、有益菌的丰度高对人类的免疫系统有利，而微生物的病原体多样性和丰度高将增加传染性疾病风险。因此，优化环境微生物的健康城市规划可从3个层面提供空间布局和资源配置的引导。

1）在宏观市域层面，国土空间总体规划可调整市域范围内整体的生态空间布局，保持足够的生态空间规模和生态走廊连通性，确保林地或绿地中的微生物多样性，并通过植物配置等基于自然的解决方案增加有益菌的丰度。同时在乡村和林地等区域开展病原体监控，并基于空间规划降低生态板块破碎化，减少因此造成的未知病原体跨界传播。

2）在中观城市建成区层面，城市绿地规划和设计可考虑作为优化微生物的多样性和有益菌丰度、降低病原体丰度的重点措施。在公园绿地的设计中，可通过提高植被覆盖度和物种多样性来提高微生物多样性。同时需要更多实证研究，明确城市绿地内具体植物配置和人群活动组织等对其微生物群落组成的影响；特别是对于有益菌和病原体丰度，需要探明其时空分布规律和驱动机制，从而能够在规划设计的前端，针对人群健康而改善微生物环境。此外，城市污水处理等废物管理系统与病原体分布和传播紧密相关，需要加强对其中病原体的实时监测，做到在人群传染病暴发前进行及时有效的处理和防治。

3）在微观的社区和住房层面，社区绿地和开放空间是人群活动的重要场所，需要增加这些地点的微生物多样性和有益菌丰度；也需要关注垃圾收集点等潜在病原体丰度高的区域，减少病原体的人体暴露风险。在住房设计方面，可结合绿色空间内微生物的垂直分布，考虑在设计建筑开窗和通风系统时增加对有益微生物的暴露；此外也需要更多室内微生物群落的研究支撑，探索以简易方式进行监测的路径，并借助建筑结构和材料、绿植、通风等方式对室内微生物群落进行调节优化。

在理解宏观物资空间和人群活动对微观微生物环境影响机制的基础上，优化微生物环境的健康城市规划可从正负两个方面考虑微生物及病原体对人类健康的影响。空间规划具有在人群尺度“治未病”的重要作用。由于环境暴露通常呈现在特定范围内局部均匀的特征，大规模采用环境干预方法是控制群体发病率的决定因素，也在一定程度上具有预先消除疾病的作用[38]。空间规划作为调配各个尺度的空间资源布局和供给的主要政策工具，在城市居民长时间停留栖息的城市建成环境中对群体的健康促进和疾病预防负有责任。空间的调整优化可以从源头优化人群微生物暴露状态，因此城市规划者非常有必要考虑城镇化下各类城市建设对微生物群落的影响：基于空间规划，从宏观调控到微观环境优化，以改善人类和星球的健康。

5. 总结和展望

生活在一个越来越紧密联系的微生物世界，人们亟须深入理解城乡微生物的组成、多样性及其时空分布规律。城市规划和设计优化需要高度重视肉眼看不见的微生物世界。应在“同一健康”框架下针对微生物环境开展健康城市规划，有效地将自然要素带入城市人居环境，构建基于自然和满足健康要求的城市生态系统。为此，未来应加强以下4个方面的研究：1）探明室内外微生物群落组成和多样性的时空分布规律及其驱动机制；2）建立评价城市人居环境中微生物群落健康的指标体系，并开发相应的诊断技术；3）阐明城市绿色空间如何影响微生物群落、组成及其功能，从而通过城市绿色空间优化来改善城市微生物的多样性及其功能；4）探究能够有效调控室内环境微生物群落和组成的方法。

“同一健康”理念和行动计划是希望通过跨部门和跨学科的合作，综合考虑人类、动物和环境的相互联系来制定综合方案，解决从发现、防范到应对和管理的全方位疾病防控和健康促进问题，为全球卫生安全和健康福祉做出贡献[3, 17]。开展多尺度城市环境微生物的分布、多样性和丰度等的监测和研究，并系统解析全空间要素对微生物丰度、多样性的影响效应，将为“同一健康”理念下的健康城市规划提供科学依据和技术支撑。