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[转载]城市化减少了空气中微生物,这对我们的健康意味着什么?

已有 205 次阅读 2020-10-12 12:01 |系统分类:论文交流| 城市化, 空气微生物, 健康, 过敏, 农村微生物 |文章来源:转载

背景

目前,全球一半以上的人口居住在城市,到2050年,这一比例预计将增加到70%。 城市为人类带来了各种好处(例如,更大的就业,教育机会以及接触多种文化和食物的机会),但会影响我们与自然的互动。 重要的是,空气质量,建筑物密度,植被和运输路线等城市特征可能会影响健康,部分原因是改变了环境微生物群落(微生物群落)的组成以及我们对它们的暴露程度。

空气微生物组与人类健康特别相关,因为我们接触的持久性和普遍性。空气生物组中主要是细菌和真菌,它们共同构成了很大比例的空气传播颗粒。每天,我们的皮肤,口腔,鼻腔和呼吸道表面都暴露于这些社区。 实际上,生活在城市环境中的人们每天可以吸入大约一亿细菌。

 空气生物组最著名的健康影响是过敏反应的潜在诱因,以及引起呼吸道和传染性疾病的原因:例如,引起感染的细菌以及触发哮喘和过敏性鼻炎的花粉和真菌孢子。但是,越来越多的证据表明,某些类型的需氧菌素暴露可能具有重要的保护作用:特别是生命早期暴露于生物气溶胶可以引起免疫功能的系统性变化,从而抑制过敏,哮喘和炎症。在此基础上,早期接触丰富的气生真菌与降低过敏和/或哮喘发展的风险有关。

在这种情况下,城市化对空气微生物群落的任何影响都可能对人类健康产生重要影响。 一个人生活的环境决定了他们所接触的微生物,城市似乎减少了空气传播的微生物的多样性和丰富度。众所周知,过敏和哮喘在城市中比农村地区更为普遍; 如果城市确实减少了空气微生物群落的多样性,那么减少对微生物生物多样性的暴露可能是解释过敏,哮喘和其他城市相关疾病的机制。

 然而,关于空气生物组的哪些特征引起功能性全身免疫变化尚存争议。  “卫生假说”声称,大量的微生物暴露至关重要。 相反,“生物多样性假说”假设我们所接触的微生物群落的多样性是免疫系统发育的关键。 对于卫生和生物多样性都有经验支持 ; 目前尚不清楚什么构成“更健康的”空气生物组。

 如果我们要创建更健康的城市和人口,我们迫切需要更好地了解城市如何影响空气生物群系以及这对人类健康的意义。

近日,澳大利亚塔斯马尼亚大学自然科学学院和医学院的研究团队发表在环境生态学领域高水平期刊《Science of the Total Environment》上的一篇题为:“Urbanisation reduces the abundance and diversity of airborne microbes - but what does that mean for our health?”的研究通过系统地研究比较城市和农村地区空气传播的真菌和细菌群落(以下简称“空气微生物组(aerobiome)”,主要指低层大气中的细菌和真菌)的特征和/或健康影响的研究来填补这一知识空白。主要回答了以下问题:

(1)城乡空气生物组群之间在多样性和/或丰度上是否存在系统性差异?

(2)暴露于城市和农村的空气生物组会导致健康结果的系统性差异吗?

空气环境 1.jpg  

研究方法

搜索策略和纳入标准

使用Web of Science和ProQuest对经过同行评审的文章进行了系统搜索。以下搜索算法用于识别将城市和农村的空气生物组群进行比较并将研究结果与人类健康相关的研究。纳入了对沉降或吸尘的室内灰尘(例如,吸尘的床垫样品)进行采样的研究,因为这被认为是室外环境暴露的代表。如果研究仅在城市或农村类别中有一个抽样地点,则将其排除在外(即,必须包含多个城市和农村样本重复样本才能纳入研究)。没有明确地寻找检查花粉的研究,但是如果将这些群落的数据并入了研究通过空气传播的真菌或细菌群落的研究中,则将其包括在内。对于所有纳入的论文,符合纳入标准的。

数据析取

LC和EJF使用预先设计的数据收集表从每项研究中提取了以下信息:检查的空气生物组组分(即真菌,细菌,内毒素);城乡空气生物群系在多样性和/或丰度方面的差异,是否存在对健康影响的直接检验,以及认为什么机制是差异健康结果的基础(如果有)。

  2.3。 数据分析我们评估了所有研究,这些研究比较了至少一个空气生物组的组成部分的多样性和/或丰度,并且统计了发现(a)城市,(b)农村或(c)空气生物组的指标均不高的论文数量。对每个分析都进行了单独的计数,也就是说,如果出版物比较了真菌和细菌的多样性,会将其视为单独的分析。 同样,如果一项研究的指标中发现有矛盾的发现,则将这些发现分开计数。使用Pearson卡方检验确定在城市和农村地区发现多样性和丰度更高的研究数量之间是否存在显着差异(α= 0.05) 量化该类别差异的研究。

空气环境 0.jpg系统的审查筛选过程和初步结果


结果:

城乡空气生物群系的比较特征

在通过搜索词识别的377篇论文中,我们的筛选揭示了19篇论文,这些论文明确比较了复制的城市和农村地区的空气生物群系,旨在了解人类健康的影响。 只有少数研究比较了城市和农村地区之间的空气生物组多样性(30次分析中n = 12,占40%)。在12个多样性比较中,绝大多数(n = 8; 67%; p≤0.01)发现农村地区的多样性更高,有四个发现两个地区的多样性相似(33%)。没有研究发现城市地区更加多样化。

空气环境 2.jpg

系统评价的结果:农村,城市或两个地点的空气微生物组含量或多样性较高的研究数量。

空气生物组差异对健康的影响

只有四项研究同时测试了空气生物组学和人类健康的影响。 其中两项研究仅是观察性研究,两项是通过实验测试了城市和乡村空气生物群系对免疫功能的不同影响。所有四项研究都确定,农村空气生物组可以促进更好的健康结果

 两项通过实验测试城市和农村空气生物组暴露对免疫功能影响的研究均得出结论,早期暴露于农村空气生物群系有助于T调节和修饰的Th1型免疫反应,从而预防Th2介导的过敏和哮喘。

 农舍,农村家庭和农舍都比城市家庭具有更多的细菌,农舍但不是城市家庭的灰尘诱导人体血液中抗炎细胞因子(IL-10和IL-2)的释放。 

发现城市尘埃对人树突状细胞的刺激使免疫反应趋向于更高的过敏性(Th2型反应),而谷仓尘土的刺激则引起了较低的过敏性(Th1型)免疫反应。 但是研究指出归因于城市尘埃的免疫学影响是:1)与乡村农场的尘埃相比,尘埃较少,2)人类共生生物的比例更高,3)“微生物碎片”(破碎而不是完整的细胞)更多。

 还有两项研究将空气生物组差异与人类健康结果相关联。研究发现农村地区的儿童哮喘,鼻炎和临床医生测试的过敏性致敏症的患病率较低,并且比城市地区的儿童患细菌的丰富性和多样性更高。 另一项研究表明,农村环境微生物群和婴儿肠道微生物群比城市人群更为多样化; 可能与免疫功能有联系的结果,尽管在研究中未测试此类联系。

讨论:

影响城乡空气生物组的因素

鉴于空气微生物的两个主要来源是叶片表面和土壤, 在空间上,空气生物群系可以在相对较小的尺度上变化,这在很大程度上受土地利用,土地覆盖以及距特定生物气溶胶生产活动的距离的影响。土地绿化覆盖尤为重要; 与城市非植被相比,即使在50 m附近,植被带也可能具有明显的空中细菌和真菌空中群落。

从时间上讲,天气和季节对空气生物群系有重要影响; 在夏季或秋季以及雨后,温带环境中的真菌和细菌总数通常较高。尽管这些模式取决于当地的气候和土地覆盖特征。如果要更好地理解城乡之间的空气生物组差异,就需要在研究设计中控制这些因素。

 在“城市”和“农村”区域内的不同采样位置可能掩盖了空气生物组的差异,尤其是在空间重复次数有限或在不同时间采样位置的情况下。

 这就提出了规模问题,因为它涉及到城乡分类;这些术语的定义方式多种多样,强调了需要在土地利用类别中进行抽样复制,以详细说明生态驱动因素对区域格局的影响。 在本研究分析中,研究者排除了仅对城市或农村类别中的单个位置进行采样的13项研究,认为该领域的主要问题是采样重复性不足。 当将这些研究包括在内时,农村空气生物组学丰度和多样性的增加趋势是一致的,这表明这种趋势对于研究设计和严谨性的变化是有力的。

空气生物群落与人类健康之间的联系

尽管所有这些研究都是通过健康的角度对空气生物群系进行检查的,但我们发现很少直接测试对人类健康的影响,因此很难确定农村和城市空气生物群系的影响或确定其对健康有影响的特征(即丰度与多样性)。微生物群落。 尽管如此,四项测试了空气生物组对人类健康的影响的研究都发现农村环境有益于健康 。 两项检查因果关系的研究得出的结论是,农村农场的尘土引发了从更过敏的(Th2型)免疫应答的转变。 然而,他们将这种转变归因于空气生物组的不同特征:在农村环境中细菌多样性增加或人类适应性降低的微生物和空气传播的微生物碎片减少。微生物群落的丰度,多样性和组成如何影响健康,以及人类为了获得最佳健康结果而暴露于空中微生物组的年龄和频率是应用这些概念之前必须回答的关键问题。

局限性,挑战和机遇

我们首先要承认在“城市”和“农村”的粗略分类中极端的生态变异性。 鉴于土地利用和土地覆盖甚至可以在很小的尺度上影响空气生物群落(例如50m),这些景观类别似乎不够粗略,无法进行比较。

 但是,这些景观之间存在重要的生态差异,包括不透水表面,植被和裸露土壤的数量以及人口密度等,这些差异支持将这些分类用于初步研究。我们发现农村景观的丰富度和多样性不断提高,反映了这些景观水平的差异。 但是,此处确定的趋势将隐藏这些类别中的重要差异。 例如,城市范围内的生物多样性绿色空间可能创造出更多的生物多样性空气生物群落,并具有潜在的健康益处。鼓励进一步探索这些更细微的差异,并进行足够的空间复制和对人类健康影响的实验测试,以促进对空气生物组学的进一步了解和应用。

 比较空气生物研究的另一个挑战是收集,分析和报告结果的方法的多样性。根据微生物和感兴趣的问题,研究使用了多种采样方法。 这些方法学决策可能会显著影响所得微生物群落的推断丰度和多样性。 传统上,通过培养和/或显微镜鉴定进行空气生物组学研究,而现代遗传技术(例如高通量DNA测序)则可以更好地量化微生物群落的多样性。

因此,除非对于培养活细菌/真菌特别感兴趣,我们建议使用高通量测序方法。 通过将高通量方法与qPCR结合使用,研究人员可以有效,更客观地评估不同空气生物组成分(细菌,真菌和花粉)的多样性和丰度。 通过在给定研究中仅比较城市与农村的结果,分析避免了这些方法上的混淆,但是,为了获得最大的比较潜力,需要统一方法。地球微生物组项目在线提供了详细的方案,用于环境微生物组采样和高通量DNA测序方法,建议以后的研究使用这些指南。

 除抽样方法外,另一个影响可比性的问题是对丰度和多样性指标的使用和报告不一致。计算多样性的方式(例如物种丰富度,香农多样性,UniFrac距离等)会影响生物多样性与健康之间的关系。 例如,我们的一项研究表明,不同地点之间细菌和真菌的物种丰富度(α多样性)没有差异,但农村地区之间的地点间差异(β多样性)更大。 要准确比较研究或地区之间的社区,就需要访问用于计算社区指标的原始数据。

 这些类型的大数据比较有助于获取知识,但是只有在所有DNA序列数据都可以公开访问时才有可能,例如Earth Microbiome Project。因此鼓励其他研究人员提供其数据,以促进跨研究的比较。

结论

该统计结果表明,严格比较农村和城市空气生物群系的研究仍然很少,尚需了解农村和城市空气生物群系如何以及为何不同以及如何影响人类健康。但是,他们发现,与城市地区相比,农村地区空气传播的真菌和细菌的丰度和多样性呈现出明显的趋势。 同样,所有四项研究同时比较了城市和农村的空气微生物组和人类健康,得出的结论是,农村的空气微生物组对人有保护性免疫系统的作用。包括两项直接测试不同空气生物组对人类免疫功能的影响的研究。 但是,值得注意的是,有几篇论文发现站点之间的丰度或多样性没有差异,这表明需要进行研究以探究造成空气生物群系城乡差异的驱动因素。

由于城市增长引起的环境变化,包括土地利用变化,人口和住房密度,农业集约化以及野生和家养动植物种群的变化,都可能影响空中微生物群落。除了进一步的研究比较各种土地利用和地理区域的空气生物群落,同时控制关键的混杂因素(如天气)外,至关重要的是,研究必须公开其方法和数据,以使用相同的分析和生物信息管道促进交叉研究的比较。还需要进行更多研究以实验性地测试这些变化如何影响人类健康。

主要参考文献

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本文转载自谷禾健康



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