影响花粉过敏的环境因素

Environmental Factors Affecting Pollen Allergy

摘要: 花粉过敏极度容易受到外界环境的影响。本文梳理了气象因素、空气污染物、城市化进程等环境因素改变对花粉量、花粉季节持续时间、花粉致敏性强弱的影响。大气中CO₂浓度和全球温度升高导致花粉产量增加，花粉季节延长以及花粉致敏性增强；空气污染物吸附在花粉表面，改变其物理结构和化学性质，促进花粉过敏原释放；城市化进程改变使得城市花粉过敏率比农村地区高。通过加强花粉监测，完善花粉预报体系来更好地应对环境改变引起的花粉过敏这一公共卫生挑战。

Abstract: Pollen allergy is extremely susceptible to external environmental influences. In this paper, we sort out the effects of changes in environmental factors such as meteorological factors, air pollutants, and urbanization on pollen production, pollen season duration, and the strength of pollen sensitization. The rising atmospheric CO₂ concentrations and global temperatures increased pollen production, prolonged pollen seasons, and enhanced pollen sensitization; air pollutants adsorbed on pollen surfaces, altering their physical structure and chemical properties and promoting pollen allergen release; and changes in urbanization processes have resulted in a higher rate of pollen sensitization in cities than in rural areas. The public health challenge of pollen allergy caused by environmental change can be better addressed by strengthening pollen monitoring and improving pollen forecasting systems.

1. 引言

过敏性疾病是一类免疫系统异常引起的疾病，又称变态反应性疾病，是临床上的常见病、多发病，影响了全球至少30%的人口和近80%的家庭[1]。据统计，大约有40%的过敏性疾病患者的发病与花粉的接触有关，花粉是引起呼吸道过敏疾病的常见原因和触发剂之一[2]。当致敏花粉接触到人体口腔、鼻腔黏膜时，位于花粉壁或者细胞质的分子量为10~70 KDa范围的特殊蛋白释放[3] [4]，通过免疫球蛋白介导组胺、白三烯等炎性物质释放，可引起敏感个体出现过敏性鼻炎、过敏性结膜炎、特异性皮炎及过敏性哮喘和食物过敏等一系列临床症状[5]。伴随着气候变化引起的全球气候变暖、空气污染物增多以及城市化进程(不合理城市绿化、人们生活方式改变)加快导致花粉过敏患病率逐年上升[6]-[10]，带来了巨大的经济损失和健康负担。本文系统归纳总结了环境因素如何影响花粉过敏，梳理了国内外学者有关花粉监测和预测模型等研究工作的进展，进一步揭示各环境因子之间的相互作用，在此基础上提出未来环境–花粉之间的研究关系以及对花粉过敏防治的实用建议。

2. 影响花粉过敏的环境因素

2.1. 气象因素

大气中二氧化碳(CO₂)浓度和/或温度升高是驱动植物生长与开花的关键因素，豚草、橡树、黑麦草、桦树等植物在高CO₂和高温环境下具有更高的花粉量、更长的花粉季和更强的花粉致敏性[11]-[14]。英国植物数据显示，近10年来随着温度升高植物初花期平均提前4.5天，部分物种甚至提前2周以上开花。与20世纪60年代初相比，北半球春季事件(树木开花)提前6天，秋季事件(杂草开花)推迟5天。随着时间的推移，花粉季节持续时间平均每年增加0.9天[15]-[17]。预计到2100年，全球平均地表温度将上升1.4℃至5.8℃，CO₂浓度较工业化前浓度上升1.9至3.5倍[18]，升高的气温和CO₂水平为花粉浓度的飙涨以及花粉过敏原性增加提供了绝佳的环境。一般情况下，降雨量越大，短期内空气中花粉含量越低。在授粉期间，植物受潮湿空气影响，花粉会吸收水汽形成凝结核并逐渐沉降，导致花粉浓度下降，尤其对大颗粒花粉如桦树花粉、草花粉影响更为显著[19]-[21]。但另外一种观点认为适量的降水有利于植物生长和花粉传播，导致降雨后一段时间内花粉浓度升高。黄赐璇等发现，每次降雨后出现律草花粉的爆发式增长，降雨量越大，降雨后花粉量越大，开花前几个月的降雨量与年度花粉量成正比[22]-[24]。这种现象的出现是因为在植物生长发育过程中水分极大的推动致敏植物的生长并影响着花序的数量，从源头上增加花粉量[25]。此外，降雨和高湿度促使花粉发生水合作用，导致花粉破裂，释放出过敏原，形成含有花粉碎片的气溶胶，加剧过敏反应。风能加速水分蒸发，降低空气湿度，有利于花粉囊开裂释放花粉。较低的风速由于气流凝滞使得花粉聚集，导致短期内局部花粉浓度升高。风速过大或持续时间长时，花瓣易被风吹落，花粉迅速传播，使得局部地区花粉数目急剧减少[26] [27]。风向决定花粉的传输路径与局部分布，对花粉监测数据的解读至关重要，大尺度风系如亚洲夏季风环流影响青藏高原地区花粉时空动态格局，东亚冬季风携带中国北方的蒿属和藜科花粉至西太平洋海域，大西洋西风带的增强则促进北欧和中欧花粉向斯堪的纳维亚半岛的迁移[28]-[32]。

气候因素对花粉的影响是复杂的。主要有以下几点原因：一是不同季节、地区影响花粉的气候主导因子不同。多数情况下春季主要受气温影响，夏季主要受湿度影响，秋季主要受气温、风速和湿度影响。西班牙和澳大利亚花粉浓度主要受降雨量和温度影响，波兰花粉浓度主要受相对湿度、平均和最高气温、降雨和日照小时数影响、法国桦树花粉主要受风，湿度影响，英国春季花粉产量主要受降雨和温度影响[33] [34]。二是植物对环境变化的敏感性存在差异。如木本植物比草本植物对气温的响应更敏感，故气候变暖导致春季花粉增量更多。在开花之前，植物生长发育主要受到温度、光的影响，在开花期间，花粉浓度主要受到降水、湿度的影响[35]。三是同一气象因子在植物生长发育阶段发挥不同作用。如授粉前一段时间内出现了相对较多的降水，花粉产量便会增多因为季前降水可以缓解植物可能遇到的干旱胁迫。但授粉期内若出现较多的降水，其沉降作用便会降低花粉浓度。因此，根据花粉过敏情况，花粉浓度变化在花粉监测花粉预报综合分析时考虑各气候因素的影响，避免简单、杂糅的关联性分析，针对特定地区开展花粉监测预报预警，为公众提供花粉预警信息。

2.2. 空气污染

我国室外空气污染物主要有颗粒物(PM₁₀、PM_2.5和柴油颗粒物)、臭氧(O₃)、二氧化硫(SO₂)、氮氧化物(NO_x)等，室内污染物主要有甲醛和烟草[36]。污染物可能对花粉产生以下影响：1) 改变花粉生物学和生殖功能，减少花粉活力和萌发。2) 改变花粉表面的理化特征，促进过敏原的释放，影响花粉致敏性[37]-[41]。PM₁₀、PM_2.5和柴油颗粒物能吸附在鸭茅、垂枝桦花粉表面，能够改变其物理结构和化学性质，促进花粉过敏原的释放，增加过敏原的浓度和稳定性。O₃本身具有刺激性，可直接破坏花粉细胞膜，促进花粉颗粒内蛋白质如悬铃木Pla a 3的释放，通过氧化和硝化作用改变过敏原的结构，增强其免疫原性，当携带臭氧的花粉接触到黏膜，通过氧化应激和局部炎症加剧过敏症状[42]-[44]。采集于交通繁忙道路附近的草花粉，与来自较清洁植被区域的花粉相比，展现出更高的致敏性，这一现象在NO_x与SO₂污染严重的环境中尤为显著，NO_x和SO₂通过硝化作用，破坏花粉颗粒完整度，降低花粉萌发性，增强了花粉的致敏潜力。SO₂相较于NO₂更易诱导花粉损伤而具有更大危害性[45]-[47]。甲醛、烟草这类室内空气污染物通过活化Th₂系统介导花粉过敏炎性反应[48]。

空气污染物的类型和气候因素、暴露对象反应性、气道致敏程度等多个因素间互相作用。高PM_2.5、高气温和低空气湿度与青少年过敏性鼻炎高患病率呈正相关[49]。O₃和温度之间存在协同作用，温度升高增加O₃浓度[50]。臭氧对易感人群(儿童、老年人、哮喘患者和慢性阻塞性肺病患者)产生不利影响在温度升高时更为明显，暖季O₃浓度每增加10 ppb，慢性阻塞性肺病患者死亡风险增加0.37%；臭氧浓度每增加1%，哮喘患者住院人数就会增加0.1% [51]-[53]。葎草花粉暴露于O₃和NO₂环境下之后致敏蛋白Hum j 1两个相邻半胱氨酸分子的巯基之间形成了新的二硫键，IgE结合亲和力增加，致敏性增强[54]。现目前，关于花粉和污染物的研究仍缺乏相对应的定量评估指标，污染物导致花粉外壁的物理降解比例、污染物影响花粉亚颗粒释放、污染物对花粉亚粒子的分散性和致敏性的影响目前没有完全阐明。为了更好的了解大气污染对花粉致敏性和呼吸道相互作用的影响需进行更多跨学科标准化研究，如设计实验，在相同实验条件下对不同植物花粉暴露于主要污染物的研究以及污染物——不同种花粉一一对应研究，通过实验甚至可以模拟中西方不同污染物对不同或者同种花粉的影响，以便更清楚的阐明其机制。

2.3. 城市化进程

2.3.1. 城市绿化

城市绿化在改善城市生态环境、提升城市形象方面至关重要。但是不合理绿化树种植导致潜在的致敏性花粉种类和数量迅速增加，威胁居民健康[55]。深圳市在引入外来树种时没有考虑其致敏性导致城市内致敏花粉数量大量增加[56]。研究发现最容易产生致敏花粉的植物类群来自杨属、柏属、柳属、榆属、悬铃木属、桦木科、禾本科等，但每个城市致敏绿化树种类有所差异，北京主要是柏科、松科、杨柳科、悬铃木科、豆科、苦木科、榆科、桦木科和壳斗科等[26]，承德主要是松属、白蜡树属、圆柏属、桃属、杏属、榆属、桦木属、杨属，蒿属、葎草属[57]。各地致敏绿化树具有地域差异，因此需要因地制宜开展致敏绿化树调查，科学规划绿化种植从源头上降低花粉过敏风险。在城市绿化树种的选择上应遵从“乡土、长寿、抗逆、食源、美观”的总体原则前提，以人为本，科学布局。选择植被类型、地理位置、物种丰富度、物种密度、致敏潜力、传粉策略、传粉周期、树高、树表面积作为树种致敏的评估参数，结合基于花粉和过敏原的直接指标评估方法以及基于植被及疾病相关的间接指标评估方法得到城市绿地致敏指数来进行城市绿化致敏潜力的评估[58]-[60]，了解城市绿化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，推动城市绿地的合理规划和发展，对于公共卫生和整体健康具有重要的科学和实践意义。

2.3.2. 人们生活方式改变

生活方式的改变，包括工作场所、卫生习惯、饮食结构和药物使用的变化都在不同程度上影响着花粉过敏的发生和发展。

工作场所改变：农业变革对于花粉症的流行有促进作用。越来越多的人放弃了农业，融入了城市生活，城市中许多特有的工作场所，如粉尘作业相关的采矿业、进行动物试验的制药公司、清洁剂生产公司这些行业的工人分别易受粉尘、动物蛋白、酶等物质的刺激而引发呼吸系统疾病，这种工作和生活方式的诱发和加重过敏反应，这导致了花粉过敏症的发病率在发达城市地区高于不发达的农村地区[61]。

卫生习惯改变：随着经济的发展和卫生条件的改善，越来越西方式的生活方式使花粉过敏、哮喘等过敏性疾病逐年增加，研究者对此提出了“卫生假说”概念。“卫生假说”认为经常接触农场动物的孩子比那些从不接触的孩子哮喘和花粉热发病率要低的原因是“农业效应”促进了人体屏障部位(如呼吸道、泌尿生殖系统及消化道的皮肤和黏膜)上微生物群落的高度多样性发展，个体在在幼年阶段缺乏接触到足够的微生物，失去了对免疫系统的塑造和调节，这可能导致免疫系统对其他无害物质如花粉做出过度反应[62]-[65]。

饮食结构和药物使用：由于城市化进程的加快，人们饮食结构发生改变，摄入过量食用含脂肪酸、蛋白质、抗氧化物的食品，大规模开展的疫苗接种、抗生素的滥用、运动不足会导致体内产生抗体的能力超过正常情况，更容易发生花粉过敏症状[66]。

3. 花粉监测预报重要性

自19世纪起，研究人员以可视化图形绘制花粉日历开展花粉监测工作，提供花粉季起止时间、年花粉量、花粉峰值浓度和气象因素等关键信息指导临床花粉防治工作[67]。早期通过重力沉降法(被动式)和容量法(主动式)两种方法，采用花粉采样器收集花粉，人工根据光学显微镜计数进行花粉鉴定和监测。此种方法操作简便，易于掌握，投资较少，符合多数基层工作实际。但需要通过光学显微镜进行劳动密集和耗时的人工分类，主观性强且信息滞后，不满足临床和科研实际要求[68]。因此开发实时、自动化的花粉监测非常有必要。

随着新兴技术如荧光诱导[69]、数字全息[70]、图像识别[71]、流式细胞术和深度学习[72]等新兴技术的发展，对花粉的自动监测准确度越来越高。研究人员结合机器人技术、图像处理和神经网络技术开发花粉自动化计数仪，自动寻找花粉，捕获、分析和存储其图像，并识别其类型，其准确度比人工显微镜计数要高得多。最常用的自动监测仪有BAA500全自动花粉监测仪、Rapid-E+智能生物气溶胶监测仪等。二者除了可以统计花粉数量外，还可进行种类识别工作，就分辨准确率而言，Rapid-E+智能生物气溶胶监测仪可实现高度精确的实时物种识别，误报率创历史新低，对花粉鉴别精度达到99% [73]。依托花粉采集器还有花粉自动监测仪器，学者们开展了一系列研究。德国研究人员使用自动花粉监测仪BAA500和深度学习算法以及传统的Hirst采样器对15种常见花粉进行监测并评估了自动监测系统的可靠性、性能、准确性和可比性均良好[74]。欧洲多国使用自动花粉监测设备建立了泛欧花粉监测网络，实现了花粉浓度的实时监测和预测，满足了不同用户群体的需求，同时也为研究提供了新的机遇。在过去的几十年里，各个国家花粉监测网络的研究创造了丰富的花粉浓度时间序列。利用它来研究有关花粉数量、花粉季节和物候的监测和建模至关重要，与此同时对花粉过敏原的监测方法研究将会是未来的重点。

对各地进行长期花粉观测，详细分析区域内出现频率高，致敏性强的空气花粉类型，结合环境因素对花粉浓度、花粉季节、花粉致敏性进行时间和空间分布规律研究，科学预报预测空气中致敏花粉散布状况，对区域性的社会生产以及空气花粉过敏症的预防和临床诊断工作非常重要。虽然观察和测量的方式非常不同，但花粉过敏监测预报建模正沿着基于观测的模型和基于物候的模型发展。基于观测的模型包含回归模型、时间序列建模、人工智能。回归模型通过对因变量与一个或多个其他变量(称为独立变量或预测变量)之间的过去关系进行建模来预测未来。时间序列建模的应用较为成熟，但需要对花粉变异性的多尺度性质进行大量的工作，但到目前为止主要局限于特定的地点、分类群和时间尺度[75]。人工智能能充分模拟众多不同类型变量之间复杂的非线性现象和化学过程，在大气科学上能预测各种空气污染物及其在不同时间尺度上的浓度。基于物候的模型包含纯粹的统计经验方法和基于过程的模型。前者通常将进入日期与物候发生日期之前特定时间段的平均温度联系起来，没有考虑植物生理和环境之间关系的机械细节。后者是基于对可能机制的实验研究，这些机制被认为是控制植物生理学与环境之间关系的[75]-[78]。

要注意的是没有一个单一的模型可以精准预测花粉具体分布状况。花粉和环境的影响较为复杂，这就强调了前期在花粉过敏研究中研究分析环境因素的影响是极其重要的，在进行长期花粉监测后，利用合适的预测模型融合正在促进花粉移动应用程序支持个人、临床医生和卫生管理机构的研究来减轻环境因素对花粉过敏的不利影响。

4. 展望和建议

环境因素与花粉过敏之间的关系涉及到气候因素、空气污染、城市化进程等多个方面。气象因素对花粉过敏影响显著。二氧化碳(CO₂)浓度和/或温度升高使得致敏花粉量增加、花粉季节延长以及花粉致敏性增强。降水或者湿度对花粉的影响具有双面性，一般情况下，降雨量和/或湿度越大，短期内空气中花粉含量越低。但在开花前几个月的降雨量和/或湿度增加与年度花粉量成正比，风能促进花粉开裂释放以及远距离传播。空气污染物多数是增强花粉致敏原性，城市化进程中绿化树选择不当引起源头上致敏花粉量增多，人们生活方式的改变使得花粉过敏发病率增加。在未来的环境背景下，花粉过敏引起的人类健康问题有可能持续升级，加强花粉监测和预报是防治花粉过敏的重要途径。目前对花粉过敏和环境的研究主要围绕医学、生态学角度开展花粉浓度、种类监测、物候研究等，研究内容比较单一还需进一步深入研究。对今后环境因素和花粉过敏的关系研究提出以下几点建议：1) 多学科交叉融合：未来的花粉预测研究应更加注重多学科交叉融合，包括气象学、植物学、生态学、医学等多个领域的知识和技术通过跨学科的合作全面提高花粉监测预测的准确性和可靠性。2) 人工智能和大数据技术的应用：人工智能和大数据技术也可以为花粉过敏的诊断和治疗提供新的思路和方法。通过使用机器学习、深度学习等技术，可以对大量的花粉监测数据和环境影响因素数据(气象数据、空气污染指数、城市绿化指数)进行分析和挖掘，提取出更有价值的信息和模式，从而提高花粉预测的准确性和可靠性。同时，人工智能和大数据技术也可以为未来环境变化背景下花粉过敏的诊断和治疗提供新的思路和方法。3) 城市化进程的绿地规划和设计：随着城市化的推进，绿地的规划和设计将变得更加关键。未来的城市规划应更加注重绿地的合理布局和植物选择，以最大限度地减少致敏植物的种植，降低花粉过敏的潜在危险。4) 综合治理和政策支持：未来应该加强跨部门的综合治理措施，包括联合环境、卫生和城市规划部门，制定针对花粉过敏的综合政策和措施。这些政策不仅应关注花粉过敏的治疗和管理，还需从源头上减少花粉过敏的发生风险。