“同一健康”框架下的城市環(huán)境微生物及其優(yōu)化設(shè)計

朱永官 王蘭 盧昌熠 賈穎慧 蔡雨希 安新麗

城市是人類文明進化的產(chǎn)物，人們在城市中共享文明進步的成果，包括文化、醫(yī)療、商業(yè)以及科技帶來的便利。改革開放以來，城市化快速發(fā)展，無論是規(guī)模和速度都是全球領(lǐng)先的[1]。新型城鎮(zhèn)化是中國式現(xiàn)代化發(fā)展的重要內(nèi)涵之一，空間規(guī)劃體系對中國城鎮(zhèn)化的進程提供了支撐和引導(dǎo)，是國家治理現(xiàn)代化的重要組成部分[2]。

城市是人類作為單一物種所主導(dǎo)的特殊生態(tài)系統(tǒng)，也是一個高度工程化的生態(tài)系統(tǒng)。在城市生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的代謝絕大部分是人工介導(dǎo)的，因此很多情況下是偏離自然生態(tài)和生物地球化學(xué)過程。城市生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量代謝不暢會導(dǎo)致一系列的環(huán)境、生態(tài)和健康問題，如垃圾圍城、熱島效應(yīng)、生境破碎化和生物多樣性下降等。這些城鎮(zhèn)化導(dǎo)致的生態(tài)與環(huán)境質(zhì)量的變化必然會對人群健康產(chǎn)生影響。但是一直以來，在諸多影響城市人群健康的要素中，人們主要關(guān)注物理和化學(xué)層面的可見要素，而忽視了肉眼看不見的微生物世界。

城鎮(zhèn)化進程影響著城市環(huán)境微生物，包括微生物的多樣性和豐度，進而影響人群健康。針對環(huán)境微生物的健康城市規(guī)劃需要突出城市宏觀物理環(huán)境和微觀生物環(huán)境的融合，是空間規(guī)劃設(shè)計未來研究和實踐的前沿方向。

1 “同一健康”與城市環(huán)境微生物

在促進全球健康的進程中，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）、世界衛(wèi)生組織（WHO）和世界動物衛(wèi)生組織（WOAH）4個組織于2021年聯(lián)合提出“同一健康”（One Health）理念。“同一健康”是指：人的健康與動物、植物和環(huán)境相互耦聯(lián)，共享一個健康保障系統(tǒng)[3]。2022年，上述4個組織提出的《“同一健康”聯(lián)合行動計劃（2022—2026年）》旨在創(chuàng)建一個整合系統(tǒng)和能力的框架，以便更好地預(yù)防、預(yù)測、檢測和應(yīng)對健康威脅[4-5]。無處不在的微生物是連結(jié)人與動物、植物和環(huán)境的主要紐帶。因此，需要充分考慮城市微生物對人群健康的影響。如何在“同一健康”框架下基于空間規(guī)劃設(shè)計優(yōu)化城市微生物，是保障城市健康的重要方面，更是實現(xiàn)人與自然和諧共生的重要抓手。

關(guān)于微生物與城市人群健康，特別是免疫性的疾病，Hanski等[6]和Rook等[7]提出“衛(wèi)生假說”（也被稱為“生物多樣性假說”）和“老朋友”機制。他們認(rèn)為，現(xiàn)代城市居民與在人類漫長進化過程中一起生活的微生物的接觸減少是導(dǎo)致一些高收入國家免疫性疾病增加的重要原因。Hanski等[6]的研究發(fā)現(xiàn)，和健康人群相比，過敏性人群生活環(huán)境中的生物多樣性顯著降低，過敏性人群皮膚上伽馬變形菌的遺傳多樣性顯著低于健康人群。在城市空間規(guī)劃和建設(shè)過程中保護生活和工作環(huán)境中的微生物多樣性和有益菌豐度，將有利于預(yù)防慢性非傳染性疾病和傳染性疾病。

同時，病原體是微生物中對人類健康具有負(fù)面效應(yīng)的主要源頭。例如，人類活動使土壤生態(tài)系統(tǒng)中的病原體豐度不斷增加，并且這些病原體最終會通過食物鏈影響人類健康[8]。在抗生素耐藥性增強的背景下，WHO于2017年制定了細(xì)菌重點病原體清單（bacterial priority pathogens list, BPPL），并于2022年制定了真菌重點病原體清單（fungal priority pathogens list, FPPL），在全球范圍內(nèi)推動重要病原體的系統(tǒng)研究和政策干預(yù)，提高人類對病原體感染增多和耐藥性增強的應(yīng)對能力[9-10]。各類未知的病原體也對人類健康有潛在危險。因此，城市環(huán)境中的病原體豐度影響著傳染性疾病的感染率，也影響著各類地方性或全球疫情暴發(fā)的可能性。

2 城鎮(zhèn)化對城市環(huán)境微生物的影響

環(huán)境微生物的研究已經(jīng)深入到大洋深海和極地高原，但是人們對自身生活環(huán)境的微生物組成、多樣性和功能知之甚少。比如我們城市社區(qū)內(nèi)和住房臥室中有哪些微生物？受哪些因素影響？如何優(yōu)化城市社區(qū)和住房室內(nèi)微生物生態(tài)？

事實上，城鎮(zhèn)化對微生物生態(tài)系統(tǒng)的影響是深遠的。城鎮(zhèn)化進程帶來的氣候變化、土地利用變化等環(huán)境變化和人類生活方式的改變，將減少環(huán)境微生物多樣性，引起人類微生物的失衡，導(dǎo)致人類過敏性炎癥的多發(fā)和其他相關(guān)疾病的產(chǎn)生[11-13]。

由于每個人身上帶有不少于人體細(xì)胞數(shù)的微生物細(xì)胞，因此城鎮(zhèn)化（人群集中居?。┍厝粫淖兾⑸锶郝涞慕M成和多樣性及其應(yīng)有的穩(wěn)態(tài)。筆者團隊研究發(fā)現(xiàn)：商場表面微生物群落具有明顯的時間和空間分布特征，并存在一個核心的微生物組，其中多數(shù)與人類病原菌相關(guān)[14]；商場地表和電梯扶手表面的微生物主要來源于人類皮膚，并且隨機過程是這些表面微生物群落組裝的主要機制；此外，商場室內(nèi)病原菌豐度高于室外環(huán)境。源自人體的微生物（包括人類病原菌，如大腸桿菌等）在城市環(huán)境中的循環(huán)必然會影響人類健康。針對城市室外環(huán)境微生物，筆者團隊在不同城鎮(zhèn)化水平區(qū)域（城市、城郊和農(nóng)村）采集空氣微生物，探究城鎮(zhèn)化對空氣微生物組的影響[15]，發(fā)現(xiàn)城鎮(zhèn)化顯著改變了空氣細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)；同時，空氣中潛在人類病原菌（包括多噬伯克霍爾德氏菌、屎腸球菌和嗜熱鏈球菌等）的相對豐度隨著城鎮(zhèn)化水平的提高而增加，突出了城鎮(zhèn)化所引起的人類健康風(fēng)險。

同時，城鎮(zhèn)化帶來的城市建成區(qū)拓展，使生態(tài)空間邊界長度和復(fù)雜性增加，導(dǎo)致野生動物、家畜和人類的接觸面和接觸率提升，人畜共患傳染病溢出的風(fēng)險增大。已有研究發(fā)現(xiàn)，城市中的人畜共患傳染病宿主在物種豐富度和總物種數(shù)中的占比遠高于其他生境[11]。生態(tài)空間破碎化導(dǎo)致斑塊面積減小、連接度降低，宿主物種棲息地斑塊面積的減小，會增加感染病原體的概率[16]。城鎮(zhèn)建筑密度增加導(dǎo)致人類暴露的微氣候變化，改變了環(huán)境中病原體的豐度，提升了城市中病原體宿主物種的生存能力、繁殖能力和密度，擴大了其活動范圍，也會導(dǎo)致傳染病傳播概率的增大。

城市綠地是城市微生物研究的焦點。以草坪、灌木叢、散植樹木或花壇組成的開放公園和大型住區(qū)花園是細(xì)菌和原生生物的局部多樣性熱點，可以作為城市微生物庫[17]。已有研究涉及的城市綠地空間類型有（以人類干擾程度由低到高排序）：城市森林、植被復(fù)墾區(qū)、植物園、生物洼地、綠色屋頂、社區(qū)花園、運動場地等[18-20]。當(dāng)前研究多為橫向?qū)Ρ确治觯袊?、美國、芬蘭、澳大利亞等多個國家的城市綠地，主要探索了不同地理氣候、社會經(jīng)濟條件、公園建成年齡等因素對微生物分布特征的影響[17,21-22]。綠色基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)可以提高微生物多樣性和豐度[19]。具有樹林的城市綠地的微生物平均豐富度顯著高于種植蔬菜的社區(qū)花園和單一草本覆蓋的運動場地[23]。Mills等[24]提出了城市荒野化的假設(shè)（microbiome rewilding hypothesis），他們認(rèn)為恢復(fù)生物多樣性高的城市綠地生境，能夠“野化”城市環(huán)境微生物并使其達到一個穩(wěn)態(tài)，從而增強人類對疾病的初級預(yù)防。因此，城市綠地作為城市生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠提供許多與人體健康密切相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，對于緩解城鎮(zhèn)化對環(huán)境微生物及人體健康的負(fù)面影響具有重要的潛在作用[25-26]。

3 通過調(diào)控城市環(huán)境微生物改善人體健康

調(diào)控城市生活環(huán)境的微生物生態(tài)系統(tǒng)可以改善人群，特別是兒童的免疫力。據(jù)WHO報道[27]，哮喘已經(jīng)成為兒童最常見的疾病之一，且患病率逐年上升。Ege等[28]通過比較歐洲多個國家兒童的哮喘患病率及其與生活環(huán)境微生物多樣性的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，和生活在城市的兒童相比，在農(nóng)場中長大的兒童哮喘患病率顯著更低，這主要是因為生活在農(nóng)場中的兒童接觸到了多種多樣的微生物，從而提高了自身的免疫力。芬蘭科學(xué)家Roslund等[29]近期的研究也發(fā)現(xiàn)，把來自大自然原始生境的土壤和泥炭等攜帶自然微生物的樣本放置在城市幼兒園環(huán)境中，可顯著改善兒童皮膚上的微生物多樣性；并進一步發(fā)現(xiàn)皮膚微生物多樣性和免疫力相關(guān)的一些指標(biāo)呈顯著正相關(guān)。這些研究結(jié)果清晰地表明了環(huán)境微生物多樣性對人體健康的重要性。在城市化背景下，城市居民大約90%的時間是在室內(nèi)活動[30]。與此同時，以往城市的擴張和密集化發(fā)展通常以減少城市綠色空間的面積為代價。這些因素使得城市居民與大自然的接觸機會變得越來越少。因此，基于自然的解決方案（naturebased solutions）把自然帶回城市，將城市居民與微生物多樣性豐富的大自然重新連接，被認(rèn)為是促進人體健康并降低非傳染性疾病患病率的重要潛在措施[31-33]。城市綠色空間則成為城市居民與大自然重新連接的一個重要紐帶。

那么，城市綠色空間是否可以調(diào)控微生物群落和組成？Selway等[33]的研究發(fā)現(xiàn)，城市居民與城市綠色空間的短時間接觸（10～30 min）就足以顯著提高人體口腔和皮膚微生物的多樣性，從而對人體健康產(chǎn)生積極作用，這突出了城市綠色空間在調(diào)控人體共生微生物群落和組成方面的重要性。因此，深入探究城市綠色空間微生物組的影響因素有助于更好地通過優(yōu)化城市綠色空間調(diào)控環(huán)境微生物群落和組成，從而充分發(fā)揮城市綠色空間在促進人體健康方面的重要作用。城市綠色空間微生物組主要包括土壤微生物、植物微生物和空氣微生物，且三者是統(tǒng)一的連續(xù)體[24]。土壤和植物微生物是空氣微生物的主要來源；同時，空氣是環(huán)境微生物在城市綠色空間中傳播的重要媒介。

近期筆者團隊通過采集城市綠色空間空氣微生物，探究了綠色空間多因素，如植物、土壤及人類對空氣細(xì)菌、真菌及潛在致病微生物的影響[34]。研究結(jié)果表明：相對于土壤及人類因素，綠色空間中植物因素對空氣微生物群落的影響較大；在綠量較少且馬尾松占比小于30%的區(qū)域，空氣中潛在致病細(xì)菌（比如鮑曼不動桿菌）和真菌（比如近平滑念珠菌）的比例最高，說明綠量和樹種是影響綠色空間空氣潛在健康風(fēng)險的重要因素。筆者團隊還分析了全球范圍內(nèi)的2 875個城市微生物樣本，探究綠量對抗生素耐藥菌的影響[35]；研究發(fā)現(xiàn)，綠量的增加可顯著降低重要耐藥菌的豐度（包括屎腸球菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鮑曼不動桿菌、銅綠假單胞菌和腸桿菌），特別是在溫帶以及各溫度帶的中度城鎮(zhèn)化地區(qū)；其中，中度城鎮(zhèn)化地區(qū)是指1 km緩沖區(qū)內(nèi)城鎮(zhèn)用地面積占比50%～70%的區(qū)域。此外，芬蘭研究團隊通過為期28 d的室內(nèi)環(huán)境干預(yù)實驗發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)增加綠色植物設(shè)施（如綠墻），也能夠顯著增加人體皮膚有益微生物的多樣性[36]。這些研究說明了調(diào)節(jié)環(huán)境微生物的多樣性和特定菌種的豐度可以改善人體健康。因此，在未來城市室內(nèi)外環(huán)境的規(guī)劃和建設(shè)中需要充分考慮城市綠色空間及其環(huán)境微生物的重要作用，并提供相應(yīng)的空間支撐和措施保障，統(tǒng)籌城市綠色空間，培育自然微生物群落，從而營造良好的城市綠色空間微生物環(huán)境，以促進城市居民健康和城市的可持續(xù)發(fā)展。

4 優(yōu)化城市環(huán)境微生物的健康城市規(guī)劃

健康城市規(guī)劃是以空間資源配置為核心，減少健康風(fēng)險暴露，提高健康資源供給和促進健康生活方式為主要路徑的規(guī)劃設(shè)計[37]。環(huán)境微生物給人類健康帶來正負(fù)兩方面的效應(yīng)，既是健康風(fēng)險，也是健康資源。研究證明微生物多樣性高、有益菌的豐度高對人類的免疫系統(tǒng)有利，而微生物的病原體多樣性和豐度高將增加傳染性疾病風(fēng)險。因此，優(yōu)化環(huán)境微生物的健康城市規(guī)劃可從3個層面提供空間布局和資源配置的引導(dǎo)。

1）在宏觀市域?qū)用?，國土空間總體規(guī)劃可調(diào)整市域范圍內(nèi)整體的生態(tài)空間布局，保持足夠的生態(tài)空間規(guī)模和生態(tài)走廊連通性，確保林地或綠地中的微生物多樣性，并通過植物配置等基于自然的解決方案增加有益菌的豐度。同時在鄉(xiāng)村和林地等區(qū)域開展病原體監(jiān)控，并基于空間規(guī)劃降低生態(tài)板塊破碎化，減少因此造成的未知病原體跨界傳播。

2）在中觀城市建成區(qū)層面，城市綠地規(guī)劃和設(shè)計可考慮作為優(yōu)化微生物的多樣性和有益菌豐度、降低病原體豐度的重點措施。在公園綠地的設(shè)計中，可通過提高植被覆蓋度和物種多樣性來提高微生物多樣性。同時需要更多實證研究，明確城市綠地內(nèi)具體植物配置和人群活動組織等對其微生物群落組成的影響；特別是對于有益菌和病原體豐度，需要探明其時空分布規(guī)律和驅(qū)動機制，從而能夠在規(guī)劃設(shè)計的前端，針對人群健康而改善微生物環(huán)境。此外，城市污水處理等廢物管理系統(tǒng)與病原體分布和傳播緊密相關(guān)，需要加強對其中病原體的實時監(jiān)測，做到在人群傳染病暴發(fā)前進行及時有效的處理和防治。

3）在微觀的社區(qū)和住房層面，社區(qū)綠地和開放空間是人群活動的重要場所，需要增加這些地點的微生物多樣性和有益菌豐度；也需要關(guān)注垃圾收集點等潛在病原體豐度高的區(qū)域，減少病原體的人體暴露風(fēng)險。在住房設(shè)計方面，可結(jié)合綠色空間內(nèi)微生物的垂直分布，考慮在設(shè)計建筑開窗和通風(fēng)系統(tǒng)時增加對有益微生物的暴露；此外也需要更多室內(nèi)微生物群落的研究支撐，探索以簡易方式進行監(jiān)測的路徑，并借助建筑結(jié)構(gòu)和材料、綠植、通風(fēng)等方式對室內(nèi)微生物群落進行調(diào)節(jié)優(yōu)化。

在理解宏觀物資空間和人群活動對微觀微生物環(huán)境影響機制的基礎(chǔ)上，優(yōu)化微生物環(huán)境的健康城市規(guī)劃可從正負(fù)兩個方面考慮微生物及病原體對人類健康的影響?？臻g規(guī)劃具有在人群尺度“治未病”的重要作用。由于環(huán)境暴露通常呈現(xiàn)在特定范圍內(nèi)局部均勻的特征，大規(guī)模采用環(huán)境干預(yù)方法是控制群體發(fā)病率的決定因素，也在一定程度上具有預(yù)先消除疾病的作用[38]?？臻g規(guī)劃作為調(diào)配各個尺度的空間資源布局和供給的主要政策工具，在城市居民長時間停留棲息的城市建成環(huán)境中對群體的健康促進和疾病預(yù)防負(fù)有責(zé)任。空間的調(diào)整優(yōu)化可以從源頭優(yōu)化人群微生物暴露狀態(tài)，因此城市規(guī)劃者非常有必要考慮城鎮(zhèn)化下各類城市建設(shè)對微生物群落的影響：基于空間規(guī)劃，從宏觀調(diào)控到微觀環(huán)境優(yōu)化，以改善人類和星球的健康。

5 總結(jié)和展望

生活在一個越來越緊密聯(lián)系的微生物世界，人們亟須深入理解城鄉(xiāng)微生物的組成、多樣性及其時空分布規(guī)律。城市規(guī)劃和設(shè)計優(yōu)化需要高度重視肉眼看不見的微生物世界。應(yīng)在“同一健康”框架下針對微生物環(huán)境開展健康城市規(guī)劃，有效地將自然要素帶入城市人居環(huán)境，構(gòu)建基于自然和滿足健康要求的城市生態(tài)系統(tǒng)。為此，未來應(yīng)加強以下4個方面的研究：1）探明室內(nèi)外微生物群落組成和多樣性的時空分布規(guī)律及其驅(qū)動機制；2）建立評價城市人居環(huán)境中微生物群落健康的指標(biāo)體系，并開發(fā)相應(yīng)的診斷技術(shù)；3）闡明城市綠色空間如何影響微生物群落、組成及其功能，從而通過城市綠色空間優(yōu)化來改善城市微生物的多樣性及其功能；4）探究能夠有效調(diào)控室內(nèi)環(huán)境微生物群落和組成的方法。

“同一健康”理念和行動計劃是希望通過跨部門和跨學(xué)科的合作，綜合考慮人類、動物和環(huán)境的相互聯(lián)系來制定綜合方案，解決從發(fā)現(xiàn)、防范到應(yīng)對和管理的全方位疾病防控和健康促進問題，為全球衛(wèi)生安全和健康福祉做出貢獻[3,17]。開展多尺度城市環(huán)境微生物的分布、多樣性和豐度等的監(jiān)測和研究，并系統(tǒng)解析全空間要素對微生物豐度、多樣性的影響效應(yīng)，將為“同一健康”理念下的健康城市規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。