城市綠地花粉暴露特征與致敏風險評估研究進展*

肖 蘭 王晨鈺 宋天園 馬云飛 劉 博 岳麗君 唐 麗

1 民族醫藥教育部重點實驗室(中央民族大學)中央民族大學藥學院 北京 100081

2 中央民族大學生命與環境科學學院 北京 100081

綠地是城市生態環境的重要組成部分,發揮著重要的景觀和生態功能,同時對社會、經濟和公眾健康也會產生直接的影響。高質量的城市綠地不僅可以提高城市景觀效應和環境生態、改善城市空氣質量、降低熱島效應、調節小氣候,同時對城市居民的身體和心理健康起到重要影響[1]。城市綠地建設對于改善人類健康發揮著積極的作用,人們可通過在綠地適量活動以促進身體健康和減輕壓力,但是,隨著綠地面積增加和植物物種多樣性的豐富,潛在的致敏性花粉種類和數量迅速增加,城市綠地面積增加和綠化率提高與當地的過敏性疾病發生率升高有著直接的關系,由致敏花粉所引發的植物源過敏性疾病逐年加劇情況成為不容忽視的環境衛生和公共健康現實問題[2]。

本文分析了城市綠地花粉暴露和致敏風險研究的意義,對20世紀80年代至今我國7個地理區劃中47個代表性城市的氣傳花粉相關研究文獻進行梳理,歸納了其中的主要致敏花粉種類及其物候特征,對城市綠地致敏花粉的環境暴露特征及其影響因素進行總結,同時也對目前的各類花粉致敏風險評估方法進行分類評述,并提出未來研究方向的一些思考,以期為花粉過敏性疾病防控和城市綠地合理規劃提供參考。

1 致敏花粉的植物來源與環境健康效應

1.1 致敏花粉的植物來源

目前,國內外對于致敏花粉的確定主要是基于氣傳花粉植物調查、依據皮膚點刺試驗結果、有的進一步結合過敏原實驗檢測和臨床病人血清特異性抗體檢測等結果,以確定花粉的致敏性[3]。北京協和醫院變態反應科于1983—1986年進行了大氣花粉調查,為我國致敏花粉及相關研究奠定了寶貴的基礎。本文主要依據《中國氣傳致敏花粉調查》[4]《中國北方植物花粉調研:花粉形態及花粉過敏疑難病例》[5]《中國氣傳和致敏花粉》[6]等以及相關文獻資料[7]和數據庫確定致敏花粉種類。在我國已經發現100余種花粉致敏性植物,主要來源于松屬(Pinus)、柏屬(Cupressus)、楊屬(Populus)、懸 鈴 木 屬(Platanus)、蒿 屬(Artemisia)、杉科(Taxodiaceae)、桑科(Moraceae)、藜科(Chenopodiaceae)、莧科(Amaranthaceae)、禾本科(Poaceae)等(表1、表2)。

1.2 致敏花粉環境暴露及其致敏性評估研究的意義

我國自20世紀90年代以來,各地普遍重視植樹造林和生態恢復,植被覆蓋與城市綠地改善變化巨大。中國國土綠化狀況公報公布的歷年數據顯示,中國城市綠地面積不斷增加,截至2021年城市人均公園綠地面積達14.8 m2[8],人們生活的生態環境品質得到了顯著改善。與此同時,空氣中的致敏花粉種類和濃度也隨著綠化物種多樣性和綠地面積增大而增加；此外,由于綠地規劃中對植物源過敏情況考慮不足,致敏性植物被廣泛引種栽培,使花粉癥等植物源過敏患者數量增加,這一現象已成為愈發嚴重的公共健康問題。空氣中致敏花粉的濃度或人體吸入花粉的數量超過一定閾值將會致敏,該閾值水平與個體的遺傳因素和花粉類型直接相關,同時受到環境因素等的影響[9]。由于過敏人群的遺傳因素改變有限,所以近年來植物源過敏性疾病發生率持續增高,這與花粉過敏原的環境暴露對人體的影響關系更為密切。研究表明,城市居民有高達70%的時間與城市綠地高度耦合,這些環境中的致敏性花粉和人體健康息息相關,城市綠地的花粉暴露特性越來越引起國內外研究者和城市建設規劃人員的關注[10]。目前,針對各類過敏性疾病缺乏根本性的治療方案,確切有效的防控措施仍以嚴格限制接觸過敏原為主[11]。因此,開展城市綠地致敏花粉的暴露特征與影響因素、遷移規律與環境健康效應、花粉致敏風險評估等研究,對于從源頭防控植物源過敏性疾病、從公共衛生和大健康角度推動城市綠地合理規劃與發展具有重要的科學和現實意義。

2 致敏花粉的環境暴露特征

城市綠地致敏花粉的環境暴露因為受到地理因素、季節因素、氣象因素和城市化因素等條件的影響,不同地區的花粉種類及暴露水平各有不同,同一地區的致敏花粉暴露高峰在不同季節和不同年份也存在差異。通過對1984年以來文獻報道的我國7個地理區劃中47個代表性城市[12-58]環境中氣傳花粉相關研究進行梳理和總結,篩選出主要的致敏花粉種類,并整理其分布和物候規律情況(表1、表2)。

2.1 致敏花粉暴露的地域差異性特征

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致敏花粉的環境暴露隨地理位置不同表現出明顯的地域差異特征。世界范圍內,歐洲以禾本科植物花粉為主,北美以豚草屬植物花粉為主,非洲、澳大利亞、新西蘭和日本等地區以木本植物花粉為主。我國北方地區的草本植物致敏花粉主要來源于蒿屬、葎草屬(Humulus)、莧科、藜科和豚草屬(Ambrosia)等,其中致敏性強和暴露量大的以蒿屬植物最為典型,木本植物中的致敏花粉以柏屬、松屬和楊屬等為主；南方地區的木本植物致敏花粉主要來源于松屬、柏屬、懸鈴木屬、桑屬(Morus)、木麻黃屬(Casuarina)等,致敏樹木種類多于北方,草本植物致敏花粉主要以禾本科植物花粉為主(表1)。

2.2 致敏花粉暴露的季節差異性特征

在我國,致敏花粉暴露在環境空氣中,同時存在著明顯的季節差異特征。除拉薩之外,我國南北各地主要城市的致敏花粉暴露和傳播均呈現明顯的季節性雙峰規律(表2)。其中,第1個致敏花粉暴露峰期出現在春季,以松屬、柏屬、桑屬、楊屬、柳屬(Salix)、榆屬(Ulmus)、木麻黃屬等木本植物花粉為主；第2個峰期出現在秋季,以蒿屬、莧科、藜科、葎草屬、豚草屬和禾本科等草本植物花粉為主。

致敏花粉暴露的季節差異原因主要是各類植物自身的生物特性及物候規律不同,同時受到我國南北氣候因素的影響,即同一植物在南方和北方的開花釋粉峰期存在一些差異。總體來說,木本植物的花期和花粉暴露峰期集中在春季,草本植物的花粉暴露主要分布在夏秋季節。我國大多數城市,如北京、上海、南京、武漢等,春季的致敏花粉數量、濃度均高于秋季,主要是由于這些城市綠地面積大,喬木類植被豐富且占比較大,樹木植株與冠幅高大,春季開花盛期釋放的花粉量大,峰期時間相對集中,引發的過敏性疾病持續時間通常為1個月左右。秋季時期我國各地普遍氣候干燥,降水減少,蒿屬、藜科等植物生長期長,受到季風增強的影響,環境空氣中致敏花粉飄散時間長且更易于傳播和擴散,使各類過敏性疾病的發病率、過敏癥狀、過敏時程及反復發作等情況更為突出,一般秋季花粉過敏患者的癥狀普遍長達2個多月,且隨著氣象因素等影響出現癥狀輕重交替和反復發作等情況,以北方地區一些城市尤其突出。

拉薩地區致敏花粉主要來源于蒿屬、禾本科和松科植物,其致敏花粉暴露高峰及相應的花粉癥病人發病率主要呈現為夏季一個峰期,主要原因是該地區海拔較高、全年氣溫偏低、空氣干燥、輻射較強等,只有少數蒿屬、松屬等適應能力極強的物種成為該地區的優勢植物,并且其物候期隨地理氣候因素影響普遍集中于夏季。

3 城市綠地花粉致敏風險評估方法

花粉致敏性評價是城市綠地花粉污染及其引發的各類過敏性疾病防控的關鍵環節之一。由于花粉植物來源種類、花粉自身的生物學特性及致敏性、在環境空氣中的花粉暴露水平、特定人群對花粉敏感的個體差異等各類因素,使花粉的致敏性評價和城市綠地花粉潛在致敏風險評估等較難形成統一或完整的評價體系[7]。通過對已有研究文獻進行分析,可將目前的花粉致敏風險評估方法分為兩類:一類為基于花粉和過敏原的直接指標評估方法；一類為基于植被及疾病相關的間接指標評估方法。雖然這些評估方法可從各自角度對城市綠地氣傳花粉致敏風險進行一定程度的評估,但是仍然存在一些局限和不足,因此,建立高效可靠和系統性的花粉致敏風險評估方法是實施花粉監測和過敏原回避策略等領域亟需解決的重要問題。

3.1 直接指標評估法

1)基于花粉監測和花粉濃度等級的評估方法。通過對特定區域大氣環境中暴露的花粉進行采樣,進行花粉種類鑒定和定量計數,采用監測得到的花粉含量或花粉濃度等級可對花粉致敏風險進行評估和預報,屬于直接的花粉潛在致敏風險評估方法。該方法往往與當地的氣象數據與預報相結合,實施花粉監測及預報是花粉癥回避策略的關鍵環節,空氣花粉監測一直被認為是評估花粉病患者過敏危害最可靠和可行的方法。通過對花粉采樣技術和方法的改進,可盡量減少監測區域植被和地質氣候對于采樣偏差的影響,利于不同地區監測結果的可比性。一般采用花粉濃度等級評估法,花粉濃度等級越高,引發敏感個體的過敏反應發生率越高,致敏性越強。致敏花粉濃度等級評估主要依據《中國氣傳和致敏花粉》和相關文獻[59-60](表3)。依據花粉濃度等級可基本表征相關的花粉致敏風險和花粉癥發病趨勢。

表3 致敏花粉濃度等級

基于花粉監測的致敏風險評估方法已經在國外采用70余年,我國自20世紀80年代以來開展相關工作,該方法是目前國內各城市采用的主要花粉預報和過敏風險預測方法。但是該方法也存在一些局限性,如環境暴露氣傳致敏花粉的連續時空動態特征,受到氣象條件、顆粒物空氣動力學等因素的影響,其花粉致敏的環境機制研究不盡明確；同時由于花粉致敏的病理機制與個體差異,空氣中花粉水平與實際的花粉過敏表現之間存在差異[60]。也有研究表明,空氣花粉濃度與過敏原效力之間的相關性不總是顯著的,過敏原性及其致敏風險不能僅以花粉濃度來評估。

2)基于過敏原的評估方法。不同種類致敏花粉所含過敏原組分不同,導致各類過敏原的抗原特性也各不相同,故不同種類花粉的致敏性強弱各有差異。花粉過敏原的種類、性質和釋放量均與其致敏性直接相關,傳統的致敏性花粉監測并不能完全評估花粉的致敏性,因此有學者提出了花粉效力的概念,即以每個花粉粒的過敏原含量定義花粉效力,認為不同品種、生齡、生長環境和氣象條件的個體,其花粉效力不同[61]。還有一種基于交叉反應性的花粉過敏原分類,這種分類可能比大氣花粉類型組合及濃度更具有臨床相關性。在上述這些過敏原致敏性的環境機制研究基礎上,近年來國外致敏花粉研究的一個新興熱點領域是基于過敏原監測所進行的致敏風險評估,即應用新型采樣技術直接針對空氣中的過敏原進行采集、監測和評估。通過開發和使用具有高攝入速度和低微直徑截止點的采樣技術,對環境暴露的花粉過敏原物質進行采集和監測,結合分子生物學技術進行準確定性與定量分析,并將其與花粉譜進行比較,可提供精確的物種識別并對過敏原進行可靠的定量分析,在準確性方面具有超過顯微鑒別的較高分類分辨率,可識別具體物種,但是在數量上要求的最低采集數量需要達到視覺計數鑒別所需的10倍量[62]。

3.2 間接指標評估法

目前應用的間接指標評估花粉致敏風險的方法主要分為兩類:一類是基于植被的評估方法,如特定致敏指數評估法、致敏指數評估法、空氣生物風險指數評估法等；一類是基于過敏疾病相關的評估方法,如發病率評估法、基準劑量評估法和結合相關指數評估法等。

3.2.1 基于植被的致敏指數評估方法

國內外近20年來應用的基于植被的致敏指數評估方法主要有3種。

1)致敏指數評估法。致敏指數(Allergenic Index,AI)評估法是一種基于植被監測的過敏風險評估,于2006年改進該方法為特定致敏指數(Specific Allergenic Index,SAI)評估法[63]。采用假設整個綠地的SAI為單個物種的平均值,對城市生態系統沿梯度進行采樣,以確定過敏原分布的生態驅動因素,以每種植物的生命周期(lc)、物候性(pp)、交叉反應性(cr)和豐度值(a)之和計算為SAI,公式如下:

式(1)中:n為綠地中的致敏物種數目；SAI的計算值可在1～10進行標準量化評估,數值越高提示該植物致敏性越強,反映了綠地非多年生物種和交叉過敏原性花粉暴露對潛在致敏風險的貢獻程度。該方法所得致敏指數與平行的花粉致敏患者病理表現呈正相關。該方法的局限在于其屬于間接的相對指標,不是絕對的實際值,所以不同樣方和地點的指數數值不具有可比性。

2)綠地致敏指數評估法。城市綠地致敏指數(Urban Green Zone Allergenicity Index,IUGZA)評估是通過構建數學模型以計算場源的散度值來評估花粉致敏的風險程度[64],其計算公式為:

式(2)中:378為場源模型尺寸常數；St為調查綠地總面積；n為物種數量,ap為致敏嚴重程度貢獻因子；pe為傳播方式貢獻因子；ppp為授粉時長貢獻因子；Si為占地面積；H為植物高度。對于具體的場源模型尺寸常數也會作相應的改動。IUGZA綜合反映了植物種群對潛在致敏風險的貢獻程度。IUGZA是歸一性指標,其數值達到0.3時,可以認為具有引發過敏癥狀的風險。該綠地致敏指數也已應用于一些評估城市公園致敏潛力、公園植被的致敏危害和公園規劃設計的研究中[65]。

3)空氣生物風險指數評估法。樹木空氣生物風險指數(The Aerobiological Index of Risk for Ornamental Trees,AIROT)評估法是一種結合雷達遙感技術,將植物生物學特性和地理及城市條件等影響花粉釋放和傳播的非生物因素一同納入計算和評估的方法,得到城市環境中花粉濃度的風險圖[66],公式如下:

式(3)中:PD為潛在分散性；N為物種密度；α為物種花粉釋放量；M為樹齡成熟度；Sh為城市花粉擴散度；H為為高度；ST為總面積。計算結果可在從0(最小風險)到1(最大風險)范圍內進行標準量化評估,該指數可以根據不同城市地區的單個植物種類進行計算,提示潛在的致敏風險區域并可為安全行程創建一個圖例。該方法的局限在于該指數與實際的花粉濃度是否一致尚未評價,還需要實際監測的大氣花粉濃度進行驗證,以評估該方法的可靠性。

3.2.2 基于過敏疾病相關的評估方法

1)發病率評估法。通過以花粉癥發病率作為評估環境空氣中花粉污染程度的指標,并進行分級,可間接作為花粉致敏評估的指標和參考[67]。過敏性鼻炎、過敏性哮喘等花粉癥類疾病的發病率高低與當時當地的環境空氣中致敏花粉種類與數量關系密切,這類變態反應發病率的高低作為間接指標在一定程度上能夠較好地用于花粉致敏評估。近年來有越來越多的研究聚焦于探討一個地區的過敏性疾病發病率與過敏原之間的關聯性,尤其在我國北京、內蒙古等過敏性疾病高發和花粉種類含量等基礎數據較為豐富的地區,可進一步深入地開展氣傳致敏花粉與過敏性疾病發病率及其機制的特征與規律。但是由于花粉過敏人群病例數據的隱私性等原因,這類研究和評估方法難以廣泛開展。

2)基準劑量評估法。這是通過應用基準劑量法對氣傳花粉濃度進行致敏風險度分級的評估方法,以北京市海淀區夏秋季氣傳花粉濃度與變應性鼻炎就醫人次關系研究為例,初步使用基準劑量法評估人群花粉暴露致敏風險的程度[68]。

3)結合遙感及百度指數評估法。近年來國內外也出現了應用現代遙感技術結合大數據分析對花粉致敏植物種類、分布和花粉監測等進行的研究,比如基于MODIS數據獲得植被指數和氣象因子等相關遙感數據。結合大數據輿情分析等方法,可構建基于遙感數據和百度指數的花粉過敏監測[69],提供了交叉學科評估方法的探索和參考。

4 展望

致敏花粉相關的各類基礎研究近年來在國內外日益受到重視,綜觀我國已經開展的研究工作,雖然已經取得了豐富的成果、積累了大量的基礎研究資料,但仍然存在一些不足:1)在大尺度上,已有的地域性致敏花粉種類和分布研究數據相對較為分散,尚未形成適合我國南北大跨度地域和氣候差異的綜合性氣傳致敏花粉數據平臺,目前僅有少數學者開展了區域性的花粉數據分析[20]；2)在系統性方面,只有北京等少數地區具有連續時間序列的和較為系統深入的致敏花粉數據積累,我國其他城市和地區的致敏花粉監測研究存在著明顯的時間和地點上的散亂狀況,缺乏針對一定區域的長期的花粉及相應的物候監測；3)在評估方法上,雖然已有一些花粉致敏風險評估的方法,但是直接指標定量方法由于工作量較大,實際應用成本較高；基于一些簡化模型和多元結合模式的間接指標評估方法則在科學性闡釋方面存在一定短板。

在城市化發展的新階段,如何更準確地對致敏花粉的環境暴露及其致敏性風險進行精準評估是構建宜居城市生態空間亟需解決的問題,相關領域的突破將會對城建科學規劃起到重要的指導作用,有效改善人民福祉。未來的城市綠地致敏花粉研究還應該在以下3方面深入和加強:1)花粉過敏原的生物特性、致敏機制及其與過敏性疾病發生率的關聯性研究；2)針對一定區域的城市群開展大尺度空間和連續長時間序列的花粉監測研究,我國城市化規模發展進程中區域內城市群連片發展是必然趨勢,宏觀尺度與連續時間相結合的花粉研究有利于為探究致敏花粉種類分布與地域氣候影響因素的相關性、及其與該地域過敏性疾病發病率之間的深層次機制積累必要的基礎數據；3)充分利用現代遙感技術和大數據平臺相結合等前沿技術開展致敏花粉相關研究,探索構建規范統一的跨地域花粉致敏風險評估體系,為致敏花粉監測和預報等提供精準和高效的數據支持。