城市绿地花粉暴露特征与致敏风险评估研究进展*

肖 兰 王晨钰 宋天园 马云飞 刘 博 岳丽君 唐 丽

1 民族医药教育部重点实验室(中央民族大学)中央民族大学药学院 北京 100081

2 中央民族大学生命与环境科学学院 北京 100081

绿地是城市生态环境的重要组成部分,发挥着重要的景观和生态功能,同时对社会、经济和公众健康也会产生直接的影响。高质量的城市绿地不仅可以提高城市景观效应和环境生态、改善城市空气质量、降低热岛效应、调节小气候,同时对城市居民的身体和心理健康起到重要影响[1]。城市绿地建设对于改善人类健康发挥着积极的作用,人们可通过在绿地适量活动以促进身体健康和减轻压力,但是,随着绿地面积增加和植物物种多样性的丰富,潜在的致敏性花粉种类和数量迅速增加,城市绿地面积增加和绿化率提高与当地的过敏性疾病发生率升高有着直接的关系,由致敏花粉所引发的植物源过敏性疾病逐年加剧情况成为不容忽视的环境卫生和公共健康现实问题[2]。

本文分析了城市绿地花粉暴露和致敏风险研究的意义,对20世纪80年代至今我国7个地理区划中47个代表性城市的气传花粉相关研究文献进行梳理,归纳了其中的主要致敏花粉种类及其物候特征,对城市绿地致敏花粉的环境暴露特征及其影响因素进行总结,同时也对目前的各类花粉致敏风险评估方法进行分类评述,并提出未来研究方向的一些思考,以期为花粉过敏性疾病防控和城市绿地合理规划提供参考。

1 致敏花粉的植物来源与环境健康效应

1.1 致敏花粉的植物来源

目前,国内外对于致敏花粉的确定主要是基于气传花粉植物调查、依据皮肤点刺试验结果、有的进一步结合过敏原实验检测和临床病人血清特异性抗体检测等结果,以确定花粉的致敏性[3]。北京协和医院变态反应科于1983—1986年进行了大气花粉调查,为我国致敏花粉及相关研究奠定了宝贵的基础。本文主要依据《中国气传致敏花粉调查》[4]《中国北方植物花粉调研:花粉形态及花粉过敏疑难病例》[5]《中国气传和致敏花粉》[6]等以及相关文献资料[7]和数据库确定致敏花粉种类。在我国已经发现100余种花粉致敏性植物,主要来源于松属(Pinus)、柏属(Cupressus)、杨属(Populus)、悬 铃 木 属(Platanus)、蒿 属(Artemisia)、杉科(Taxodiaceae)、桑科(Moraceae)、藜科(Chenopodiaceae)、苋科(Amaranthaceae)、禾本科(Poaceae)等(表1、表2)。

1.2 致敏花粉环境暴露及其致敏性评估研究的意义

我国自20世纪90年代以来,各地普遍重视植树造林和生态恢复,植被覆盖与城市绿地改善变化巨大。中国国土绿化状况公报公布的历年数据显示,中国城市绿地面积不断增加,截至2021年城市人均公园绿地面积达14.8 m2[8],人们生活的生态环境品质得到了显著改善。与此同时,空气中的致敏花粉种类和浓度也随着绿化物种多样性和绿地面积增大而增加；此外,由于绿地规划中对植物源过敏情况考虑不足,致敏性植物被广泛引种栽培,使花粉症等植物源过敏患者数量增加,这一现象已成为愈发严重的公共健康问题。空气中致敏花粉的浓度或人体吸入花粉的数量超过一定阈值将会致敏,该阈值水平与个体的遗传因素和花粉类型直接相关,同时受到环境因素等的影响[9]。由于过敏人群的遗传因素改变有限,所以近年来植物源过敏性疾病发生率持续增高,这与花粉过敏原的环境暴露对人体的影响关系更为密切。研究表明,城市居民有高达70%的时间与城市绿地高度耦合,这些环境中的致敏性花粉和人体健康息息相关,城市绿地的花粉暴露特性越来越引起国内外研究者和城市建设规划人员的关注[10]。目前,针对各类过敏性疾病缺乏根本性的治疗方案,确切有效的防控措施仍以严格限制接触过敏原为主[11]。因此,开展城市绿地致敏花粉的暴露特征与影响因素、迁移规律与环境健康效应、花粉致敏风险评估等研究,对于从源头防控植物源过敏性疾病、从公共卫生和大健康角度推动城市绿地合理规划与发展具有重要的科学和现实意义。

2 致敏花粉的环境暴露特征

城市绿地致敏花粉的环境暴露因为受到地理因素、季节因素、气象因素和城市化因素等条件的影响,不同地区的花粉种类及暴露水平各有不同,同一地区的致敏花粉暴露高峰在不同季节和不同年份也存在差异。通过对1984年以来文献报道的我国7个地理区划中47个代表性城市[12-58]环境中气传花粉相关研究进行梳理和总结,筛选出主要的致敏花粉种类,并整理其分布和物候规律情况(表1、表2)。

2.1 致敏花粉暴露的地域差异性特征

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致敏花粉的环境暴露随地理位置不同表现出明显的地域差异特征。世界范围内,欧洲以禾本科植物花粉为主,北美以豚草属植物花粉为主,非洲、澳大利亚、新西兰和日本等地区以木本植物花粉为主。我国北方地区的草本植物致敏花粉主要来源于蒿属、葎草属(Humulus)、苋科、藜科和豚草属(Ambrosia)等,其中致敏性强和暴露量大的以蒿属植物最为典型,木本植物中的致敏花粉以柏属、松属和杨属等为主；南方地区的木本植物致敏花粉主要来源于松属、柏属、悬铃木属、桑属(Morus)、木麻黄属(Casuarina)等,致敏树木种类多于北方,草本植物致敏花粉主要以禾本科植物花粉为主(表1)。

2.2 致敏花粉暴露的季节差异性特征

在我国,致敏花粉暴露在环境空气中,同时存在着明显的季节差异特征。除拉萨之外,我国南北各地主要城市的致敏花粉暴露和传播均呈现明显的季节性双峰规律(表2)。其中,第1个致敏花粉暴露峰期出现在春季,以松属、柏属、桑属、杨属、柳属(Salix)、榆属(Ulmus)、木麻黄属等木本植物花粉为主；第2个峰期出现在秋季,以蒿属、苋科、藜科、葎草属、豚草属和禾本科等草本植物花粉为主。

致敏花粉暴露的季节差异原因主要是各类植物自身的生物特性及物候规律不同,同时受到我国南北气候因素的影响,即同一植物在南方和北方的开花释粉峰期存在一些差异。总体来说,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节。我国大多数城市,如北京、上海、南京、武汉等,春季的致敏花粉数量、浓度均高于秋季,主要是由于这些城市绿地面积大,乔木类植被丰富且占比较大,树木植株与冠幅高大,春季开花盛期释放的花粉量大,峰期时间相对集中,引发的过敏性疾病持续时间通常为1个月左右。秋季时期我国各地普遍气候干燥,降水减少,蒿属、藜科等植物生长期长,受到季风增强的影响,环境空气中致敏花粉飘散时间长且更易于传播和扩散,使各类过敏性疾病的发病率、过敏症状、过敏时程及反复发作等情况更为突出,一般秋季花粉过敏患者的症状普遍长达2个多月,且随着气象因素等影响出现症状轻重交替和反复发作等情况,以北方地区一些城市尤其突出。

拉萨地区致敏花粉主要来源于蒿属、禾本科和松科植物,其致敏花粉暴露高峰及相应的花粉症病人发病率主要呈现为夏季一个峰期,主要原因是该地区海拔较高、全年气温偏低、空气干燥、辐射较强等,只有少数蒿属、松属等适应能力极强的物种成为该地区的优势植物,并且其物候期随地理气候因素影响普遍集中于夏季。

3 城市绿地花粉致敏风险评估方法

花粉致敏性评价是城市绿地花粉污染及其引发的各类过敏性疾病防控的关键环节之一。由于花粉植物来源种类、花粉自身的生物学特性及致敏性、在环境空气中的花粉暴露水平、特定人群对花粉敏感的个体差异等各类因素,使花粉的致敏性评价和城市绿地花粉潜在致敏风险评估等较难形成统一或完整的评价体系[7]。通过对已有研究文献进行分析,可将目前的花粉致敏风险评估方法分为两类:一类为基于花粉和过敏原的直接指标评估方法；一类为基于植被及疾病相关的间接指标评估方法。虽然这些评估方法可从各自角度对城市绿地气传花粉致敏风险进行一定程度的评估,但是仍然存在一些局限和不足,因此,建立高效可靠和系统性的花粉致敏风险评估方法是实施花粉监测和过敏原回避策略等领域亟需解决的重要问题。

3.1 直接指标评估法

1)基于花粉监测和花粉浓度等级的评估方法。通过对特定区域大气环境中暴露的花粉进行采样,进行花粉种类鉴定和定量计数,采用监测得到的花粉含量或花粉浓度等级可对花粉致敏风险进行评估和预报,属于直接的花粉潜在致敏风险评估方法。该方法往往与当地的气象数据与预报相结合,实施花粉监测及预报是花粉症回避策略的关键环节,空气花粉监测一直被认为是评估花粉病患者过敏危害最可靠和可行的方法。通过对花粉采样技术和方法的改进,可尽量减少监测区域植被和地质气候对于采样偏差的影响,利于不同地区监测结果的可比性。一般采用花粉浓度等级评估法,花粉浓度等级越高,引发敏感个体的过敏反应发生率越高,致敏性越强。致敏花粉浓度等级评估主要依据《中国气传和致敏花粉》和相关文献[59-60](表3)。依据花粉浓度等级可基本表征相关的花粉致敏风险和花粉症发病趋势。

表3 致敏花粉浓度等级

基于花粉监测的致敏风险评估方法已经在国外采用70余年,我国自20世纪80年代以来开展相关工作,该方法是目前国内各城市采用的主要花粉预报和过敏风险预测方法。但是该方法也存在一些局限性,如环境暴露气传致敏花粉的连续时空动态特征,受到气象条件、颗粒物空气动力学等因素的影响,其花粉致敏的环境机制研究不尽明确；同时由于花粉致敏的病理机制与个体差异,空气中花粉水平与实际的花粉过敏表现之间存在差异[60]。也有研究表明,空气花粉浓度与过敏原效力之间的相关性不总是显著的,过敏原性及其致敏风险不能仅以花粉浓度来评估。

2)基于过敏原的评估方法。不同种类致敏花粉所含过敏原组分不同,导致各类过敏原的抗原特性也各不相同,故不同种类花粉的致敏性强弱各有差异。花粉过敏原的种类、性质和释放量均与其致敏性直接相关,传统的致敏性花粉监测并不能完全评估花粉的致敏性,因此有学者提出了花粉效力的概念,即以每个花粉粒的过敏原含量定义花粉效力,认为不同品种、生龄、生长环境和气象条件的个体,其花粉效力不同[61]。还有一种基于交叉反应性的花粉过敏原分类,这种分类可能比大气花粉类型组合及浓度更具有临床相关性。在上述这些过敏原致敏性的环境机制研究基础上,近年来国外致敏花粉研究的一个新兴热点领域是基于过敏原监测所进行的致敏风险评估,即应用新型采样技术直接针对空气中的过敏原进行采集、监测和评估。通过开发和使用具有高摄入速度和低微直径截止点的采样技术,对环境暴露的花粉过敏原物质进行采集和监测,结合分子生物学技术进行准确定性与定量分析,并将其与花粉谱进行比较,可提供精确的物种识别并对过敏原进行可靠的定量分析,在准确性方面具有超过显微鉴别的较高分类分辨率,可识别具体物种,但是在数量上要求的最低采集数量需要达到视觉计数鉴别所需的10倍量[62]。

3.2 间接指标评估法

目前应用的间接指标评估花粉致敏风险的方法主要分为两类:一类是基于植被的评估方法,如特定致敏指数评估法、致敏指数评估法、空气生物风险指数评估法等；一类是基于过敏疾病相关的评估方法,如发病率评估法、基准剂量评估法和结合相关指数评估法等。

3.2.1 基于植被的致敏指数评估方法

国内外近20年来应用的基于植被的致敏指数评估方法主要有3种。

1)致敏指数评估法。致敏指数(Allergenic Index,AI)评估法是一种基于植被监测的过敏风险评估,于2006年改进该方法为特定致敏指数(Specific Allergenic Index,SAI)评估法[63]。采用假设整个绿地的SAI为单个物种的平均值,对城市生态系统沿梯度进行采样,以确定过敏原分布的生态驱动因素,以每种植物的生命周期(lc)、物候性(pp)、交叉反应性(cr)和丰度值(a)之和计算为SAI,公式如下:

式(1)中:n为绿地中的致敏物种数目；SAI的计算值可在1～10进行标准量化评估,数值越高提示该植物致敏性越强,反映了绿地非多年生物种和交叉过敏原性花粉暴露对潜在致敏风险的贡献程度。该方法所得致敏指数与平行的花粉致敏患者病理表现呈正相关。该方法的局限在于其属于间接的相对指标,不是绝对的实际值,所以不同样方和地点的指数数值不具有可比性。

2)绿地致敏指数评估法。城市绿地致敏指数(Urban Green Zone Allergenicity Index,IUGZA)评估是通过构建数学模型以计算场源的散度值来评估花粉致敏的风险程度[64],其计算公式为:

式(2)中:378为场源模型尺寸常数；St为调查绿地总面积；n为物种数量,ap为致敏严重程度贡献因子；pe为传播方式贡献因子；ppp为授粉时长贡献因子；Si为占地面积；H为植物高度。对于具体的场源模型尺寸常数也会作相应的改动。IUGZA综合反映了植物种群对潜在致敏风险的贡献程度。IUGZA是归一性指标,其数值达到0.3时,可以认为具有引发过敏症状的风险。该绿地致敏指数也已应用于一些评估城市公园致敏潜力、公园植被的致敏危害和公园规划设计的研究中[65]。

3)空气生物风险指数评估法。树木空气生物风险指数(The Aerobiological Index of Risk for Ornamental Trees,AIROT)评估法是一种结合雷达遥感技术,将植物生物学特性和地理及城市条件等影响花粉释放和传播的非生物因素一同纳入计算和评估的方法,得到城市环境中花粉浓度的风险图[66],公式如下:

式(3)中:PD为潜在分散性；N为物种密度；α为物种花粉释放量；M为树龄成熟度；Sh为城市花粉扩散度；H为为高度；ST为总面积。计算结果可在从0(最小风险)到1(最大风险)范围内进行标准量化评估,该指数可以根据不同城市地区的单个植物种类进行计算,提示潜在的致敏风险区域并可为安全行程创建一个图例。该方法的局限在于该指数与实际的花粉浓度是否一致尚未评价,还需要实际监测的大气花粉浓度进行验证,以评估该方法的可靠性。

3.2.2 基于过敏疾病相关的评估方法

1)发病率评估法。通过以花粉症发病率作为评估环境空气中花粉污染程度的指标,并进行分级,可间接作为花粉致敏评估的指标和参考[67]。过敏性鼻炎、过敏性哮喘等花粉症类疾病的发病率高低与当时当地的环境空气中致敏花粉种类与数量关系密切,这类变态反应发病率的高低作为间接指标在一定程度上能够较好地用于花粉致敏评估。近年来有越来越多的研究聚焦于探讨一个地区的过敏性疾病发病率与过敏原之间的关联性,尤其在我国北京、内蒙古等过敏性疾病高发和花粉种类含量等基础数据较为丰富的地区,可进一步深入地开展气传致敏花粉与过敏性疾病发病率及其机制的特征与规律。但是由于花粉过敏人群病例数据的隐私性等原因,这类研究和评估方法难以广泛开展。

2)基准剂量评估法。这是通过应用基准剂量法对气传花粉浓度进行致敏风险度分级的评估方法,以北京市海淀区夏秋季气传花粉浓度与变应性鼻炎就医人次关系研究为例,初步使用基准剂量法评估人群花粉暴露致敏风险的程度[68]。

3)结合遥感及百度指数评估法。近年来国内外也出现了应用现代遥感技术结合大数据分析对花粉致敏植物种类、分布和花粉监测等进行的研究,比如基于MODIS数据获得植被指数和气象因子等相关遥感数据。结合大数据舆情分析等方法,可构建基于遥感数据和百度指数的花粉过敏监测[69],提供了交叉学科评估方法的探索和参考。

4 展望

致敏花粉相关的各类基础研究近年来在国内外日益受到重视,综观我国已经开展的研究工作,虽然已经取得了丰富的成果、积累了大量的基础研究资料,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种类和分布研究数据相对较为分散,尚未形成适合我国南北大跨度地域和气候差异的综合性气传致敏花粉数据平台,目前仅有少数学者开展了区域性的花粉数据分析[20]；2)在系统性方面,只有北京等少数地区具有连续时间序列的和较为系统深入的致敏花粉数据积累,我国其他城市和地区的致敏花粉监测研究存在着明显的时间和地点上的散乱状况,缺乏针对一定区域的长期的花粉及相应的物候监测；3)在评估方法上,虽然已有一些花粉致敏风险评估的方法,但是直接指标定量方法由于工作量较大,实际应用成本较高；基于一些简化模型和多元结合模式的间接指标评估方法则在科学性阐释方面存在一定短板。

在城市化发展的新阶段,如何更准确地对致敏花粉的环境暴露及其致敏性风险进行精准评估是构建宜居城市生态空间亟需解决的问题,相关领域的突破将会对城建科学规划起到重要的指导作用,有效改善人民福祉。未来的城市绿地致敏花粉研究还应该在以下3方面深入和加强:1)花粉过敏原的生物特性、致敏机制及其与过敏性疾病发生率的关联性研究；2)针对一定区域的城市群开展大尺度空间和连续长时间序列的花粉监测研究,我国城市化规模发展进程中区域内城市群连片发展是必然趋势,宏观尺度与连续时间相结合的花粉研究有利于为探究致敏花粉种类分布与地域气候影响因素的相关性、及其与该地域过敏性疾病发病率之间的深层次机制积累必要的基础数据；3)充分利用现代遥感技术和大数据平台相结合等前沿技术开展致敏花粉相关研究,探索构建规范统一的跨地域花粉致敏风险评估体系,为致敏花粉监测和预报等提供精准和高效的数据支持。