室内空气质量与建筑设计如何影响人类健康

从绿地到室内空气和管道系统，城市微生物组可能有助于解释城市设计如何影响免疫健康、呼吸道风险以及更健康建筑的未来。

引言

城市是复杂的微生物生态系统（统称为城市微生物组）的家园。这种微生物群落由多样化的细菌、病毒、真菌和其他微生物组成，它们在土壤、水、空气以及建筑物表面和公共交通系统中大量繁殖。这些微生物组还包括非活性微生物成分，如代谢物、蛋白质和遗传物质，即使在没有活体生物的情况下，它们也可能影响人类健康。

城市环境如何塑造微生物群落

建筑结构和室内空间对城市微生物组构成的影响取决于建筑布局、通风系统、建筑材料选择以及其他因素，如温度和湿度。其他决定因素包括人类使用模式、清洁实践以及室内外环境之间的互动。自然通风和日光可以将室外微生物引入室内环境，并可能增加群落丰富度，这与封闭的、机械通风的空间形成对比，后者通常包含多样性较低的群落。

当城市居民占据家庭和工作场所时，他们将微生物引入室内环境，塑造了建筑环境中的微生物组。支持这一点的是，室内检测到的克雷伯氏菌(Klebsiella)和大肠杆菌(Escherichia)水平升高，特别是在建筑物投入使用后，反映了从室外来源到与人类相关的微生物群落的转变。

表面组成也调节微生物动态：多孔材料可以保留微生物并促进生物膜形成，而高接触区域则促进微生物交换。暖通空调系统、管道和水系统也可以作为影响微生物持久性和传输的储存库。在拥挤或通风不良的空间中，这些条件使气溶胶能够持续较长时间，从而增加了呼吸道病原体传播的风险。

土壤和其他绿地中的微生物储存库也促进了城市微生物多样性。具体来说，这些生物通过灰尘和空气的循环被输送到空气和室内环境中，植物丰富的区域通常支持更多样化的空气微生物群落。

环境中微生物的浓度随土地利用、污染和气候而变化。水体、污水系统和其他积水区域会影响微生物多样性，并作为微生物传播的重要储存库。这些储存库，加上灰尘、宠物和人类脱落物，创造了室内外环境之间相互关联的微生物交换网络。

城市微生物与人类健康的生物学机制

城市微生物组中的微生物可能对人体健康有益或有害，这取决于暴露模式。例如，生命早期接触环境微生物可以通过提高耐受性并降低过敏、炎症性疾病和哮喘的风险来训练免疫系统。这一概念与"生物多样性"和"老友"假说相一致，这些假说认为减少接触多样化的环境微生物群可能促成免疫失调。

在微生物丰富的环境中接触的儿童，例如有宠物的家庭或可以接触自然环境的儿童，通常过敏发生率较低。与居住在微生物多样性较少的卫生环境中的儿童相比，那些居住在高度卫生环境中的儿童可能免疫力较差，因此更容易患上过敏和自身免疫疾病。重要的是，这些反应因暴露程度、持续时间和个体易感性而异。

在潮湿或通风不良的空间中，城市微生物会恶化呼吸健康，特别是暴露于这些环境中的真菌、霉菌、细菌和与灰尘相关的生物后，可能会加剧哮喘、鼻炎、喘息和湿疹。在这些空间中接触曲霉菌(Aspergillus)、枝孢菌(Cladosporium)和青霉菌(Penicillium)真菌物种的个体中，已特别观察到哮喘风险增加。活微生物及其结构成分（例如内毒素和细胞壁片段）都可能引发炎症和免疫反应。

在人造环境中，感染性微生物通过空气、表面和与人类的接触传播。例如，通风不良的环境允许气溶胶在空气中长时间持续存在，而管道系统和废水通道可能含有包含机会性病原体的微生物生物膜，在某些情况下，还含有携带抗生素耐药基因的生物。传播途径包括空气传播、接触传播和水传播，所有这些都受到建筑设计和运行的影响。

室外与室内城市微生物暴露

室外城市微生物组的组成基于土壤类型、植物的存在与否、气候和土地利用而变化，这些因素改变了其组成。绿地特别有益，因为它们促进多样化微生物群落的生长，同时也增强了空气微生物组。室外微生物组成的更大多样性与更具弹性和促进健康的微生物组相关，并可能有助于限制少数潜在有害生物的主导地位。

在室内，人类活动和内置功能（如通风系统和表面特性）调节微生物组成，研究表明室内微生物组中链球菌(Streptococcus)和葡萄球菌(Staphylococcus)物种水平较高。室内环境通常比室外环境多样性低，并且通常由与人类相关的微生物主导。在室内空气质量差的空间中，曲霉菌和青霉菌等真菌占主导地位。

这些暴露差异会影响人类健康，因为室外环境包含更多样化的支持免疫功能的微生物群落，而室内环境通常包含居住者衍生的微生物和潜在有害微生物。人类多达90%的时间都在室内度过，这强调了理解这些差异并通过更好的通风、绿色基础设施和周到设计来平衡微生物暴露的重要性。一些研究估计室内时间约为87–90%，这强化了室内暴露途径的主导地位。

城市设计与微生物健康机遇

将绿地、通风和平衡卫生实践整合在一起的周到城市规划有可能恢复个人与其环境中微生物之间的有益互动。更大、设计良好的空间维持功能性生态系统和多样化空气生物群落，包括更广泛的能够到达周围空气和室内空间的环境微生物。城市再野化、增加植物多样性以及增强社区的绿色基础设施是一些有效的策略，可以丰富微生物暴露并可能减少免疫介导疾病的负担。

建筑特征设计也可以限制或促进微生物交换，例如通过包含可操作的窗户，使微生物在室内外环境之间持续交换。同样，机械通风机和高效过滤系统的整合限制了病原体负荷和空气传播。然而，增加通风也可能引入室外污染物或过敏原，突显了建筑设计中的权衡。

建筑空间应保持最佳水平的温度、湿度和日光暴露，以限制有害微生物和与湿气相关的生长的持久性。湿度控制特别关键，因为即使是小的潮湿区域也能支持微生物生长并影响室内微生物组。日光和调节良好的室内气候可以减少微生物持久性，而室内植物和亲生物设计元素已被提出作为增加与环境微生物接触的可能方式，尽管直接的健康证据仍然有限。

基于微生物信息的设计策略通过使用抗菌或防潮材料以及基于益生菌的清洁系统来控制病原体，在感染控制和微生物多样性之间取得平衡。新兴方法强调"微生物组信息"建筑，但研究人员尚未有足够的证据来定义"健康"的室内微生物组或可预测地管理它以改善健康结果。总的来说，这些方法反映了从过于无菌的设计向支持多样化微生物组以实现长期健康和可持续性的设计转变。

未来方向和知识缺口

城市微生物组研究已经从主要研究短期微生物组变化转变为更加关注具有延长随访期的纵向研究，以评估微生物组组成对免疫力、疾病风险和整体健康的长期影响。然而，在建立微生物暴露与特定健康结果之间的因果关系方面，仍存在重大差距。

展望未来，关于设计计划、气流模式和建筑材料的新见解将加速向政策和实践的转化。未来的研究应整合智能技术、标准化采样方法以及微生物学、建筑学和公共卫生之间的跨学科合作。通过跨学科合作，基于微生物组信息的城市设计方法最终可能会创造更健康的环境并改善人口健康。

【全文结束】