芳香植物环境健康工程（APEHE）是地球系统的杠杆点吗？| Heliyon编辑精选

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芳香植物环境健康工程主要是指利用芳香植物的特性，通过种植、提取和利用其精油等方式，改善室内外环境，提高人们的生活质量和健康水平。这类工程通常包括以下几个方面：空气净化，芳香植物能够释放挥发性有机化合物（VOCs），这些物质能吸附室内污染物质，净化空气；心理舒适，某些芳香植物散发出的气味具有舒缓、提神或抗抑郁的效果，能提供心理上的舒适感；健康促进，某些芳香植物具有药用价值，如预防疾病、调节生理功能等。

文章“Is aromatic plants environmental health engineering (APEHE) a leverage point of the earth system?”从系统论角度，从假说到工程实践，从0到1地创造了Aromatic Plants Environmental Health Engineering (APEHE)，并证明其对健康、生态、气候、经济、能源等领域的诸多潜力，为跨学科研究对整个地球系统的有益影响创造了新的可能和视角。有助于气候、能源、经济及其他研究领域的研究。文章于2024年5月2日发表于Cell Press细胞出版社的Heliyon期刊。

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摘要

研究旨在从多个角度评估药用和芳香植物（MAPs）在生态系统中的重要性。用APEHE系统收集气溶胶化合物，通过设计和构建芳香族植物环境卫生工程（APEHE）主要模型，验证了MAPs以AKT1为主要靶点，以MMP9和TLR4为次要靶点，直接或间接影响人类健康。具体表现为MAPs通过sdhA、scrA和PEP的联合突变，逆转鼻腔中耐药细菌的耐药性来间接影响人体免疫力。

同时，研究也展示了APEHE的众多潜在好处，例如减弱和消除环境中微生物的空气传播途径、增强陆地生态系统中的碳和氮储存、促进低层云的形成和加强地球生态系统的良性循环。APEHE有可能成为地球系统的杠杆点，在支持跨学科技术的发展、促进可持续循环经济的创建、通过城市优化贡献经济优势，以及其他星球的宜居性分析等领域提供新的见解。

背景

在地球的生态系统中，植物是非常重要的生态节点，除了初级代谢产物外，植物还产生次级代谢产物（SM），以响应不断变化的环境，为生长和发育发挥作用。

在古代，芳香植物经常用来对抗瘟疫等流行病。研究表明，芳香植物中的挥发性脂溶性小分子化合物次生代谢产物可以穿过血脑屏障，具有消炎和抗氧化的治疗作用，但是中药的煎煮过程中，这些小分子化合物易挥发到空气中，造成有效成分挥发。

中药在药材的加工和使用上有许多不同的方法。在流行病期间，药用和芳香植物（MAPs）挥发性化合物的燃烧和烹饪被用来阻止疾病的传播。据推测，MAPs通过与周围环境中的生物相互作用从而影响人类健康，在地球生态系统中发挥着重要作用。为验证这一假设，本文设计了芳香族植物环境卫生工程（APEHE），并进行了相关实验。

植物次生代谢物对生物体的影响以及精油和活植物挥发物之间化合物的差异

植物会产生挥发性有机化合物并同外部相互作用。

2.1 含有MAPs挥发性成分的提取物对微生物的影响

植物的抗病毒机制源于生化、遗传和细胞因素之间的复杂相互作用。

精油（EO）是一种从植物的不同部位（花、芽、种子、叶子、树枝、树皮、草药、木材、水果和根）中提取的具有芳香气味的油状液体，具有抗菌、抗真菌、抗病毒、抗氧化和杀虫特性，可有效对抗耐药微生物，减少牙菌斑。

总之，含有挥发性成分的植物提取物主要用于通过体内和体外给药途径减少和灭活微生物生长。一些实验表明，肉桂皮、丁香、百里香、薄荷和香茅油在蒸汽和液体系统中对细菌感染的活性最强。茶树和桉树油气溶胶和蒸气均具有很强的抗病毒作用，能够灭活包膜甲型流感病毒和非包膜大肠杆菌噬菌体M13，效率超过95%。当精油被吸收并作用于生物体时，精油的化合物组成比例会发生变化。

2.2 精油与生物挥发性有机化合物（BVOCs）的异同

提取方法的差异、植物细胞损伤、植物生长、呈现方式等因素的变化均会影响植物产生的挥发性有机化合物。从分子化学的角度来看，BVOCs和精油具有相同的主要成分，比如都含有桉叶油醇。

药用和芳香植物（MAP）对人工构建的绿色环境中的碳固定、氮固定和全球变暖的潜在影响

在全球范围内恢复林地有助于捕获大气中的碳并缓解气候变化，此外，氮也是温室效应中的重要元素。间作芳香植物引起土壤有机氮和速效氮含量的显著增加。然而，目前的间作模式、两个或几个品种的试验，植物共优势物种的变化将对土壤有机碳的比例产生显著且不利影响。因此，在建模和考虑不同情景时，有必要在确保足够的物种多样性的同时，调整种植树种。

生物挥发性有机化合物（BVOCs）的排放会显著影响区域臭氧和化学气溶胶。植被产生的BVOCs主要由单萜烯（C₁₀H₁₆）组成，可导致次生有机气溶胶（SOA）的形成。这个过程可以通过产生森林气溶胶云模式来导致气候变冷。全球低云量仅增加4%就足以抵消由CO₂翻倍引起的2~3℃的全球变暖。

理论方法：APEHE系统的理论设计方案

鉴于致病微生物在室内和室外都有传播的可能性，模型分为户外和室内两部分。

户外：为了增加土地的碳和氮固存，同时保持足够的生物多样性并抑制微生物功能，采用设计、实证研究和成分测量调整环境空气质量和BVOC成分含量。

室内：为了对抗致病细菌和病毒，并将挥发物转移到相连的室内栖息地，该系统将栖息地的空气排到外部或将其再循环回植物生长空间。其结果是一个整体的芳烃挥发剂气体再循环系统。

实验材料与方法

6.1 空气中化合物的提取方法与定性分析、网络药理学、分子对接

采用MalaCard、OMIM和DisGeNET 3个数据库，以“肺炎”为检索词，搜索疾病靶基因，将物种设置为人类，得到疾病靶基因。对从数据库中检索到的疾病靶点进行去重合并，最终得到1043个疾病靶点。

将筛选出的药物的705个靶点与肺炎的1043个疾病靶点相交，导入到Venny2.1软件中，以韦恩图的形式展示，得到162个相交的靶点，作为作用于疾病的药物的潜在靶点进行后续分析，如图1所示。

图1 潜在APEHE和肺炎靶点的Wayne图。

然后使用Cytoscape软件构建了组件靶病网络图，如图2所示。

图2 APEHE活性药物成分-肺炎疾病靶点网络

（注：绿色节点代表化合物，蓝色节点代表肺炎相关靶点）。

将162个常见靶标导入DAVIDBioinformaticsResource 6.8进行通路和GO富集分析，其中GO分析包括生物过程（BP）、细胞成分（CC）和分子功能（MF）。以P<0.05的阈值进行过滤，前10个富集条目分别以条形图和气泡图显示。

为了构建蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络，将药物-疾病常见靶点输入到STRING数据库，将生物种类设置为“智人”，并使用默认参数设置阈值，得到PPI网络。将从STRING数据库获取的TSV文件导入Cytoscape软件，利用度中心性算法、中介中心性和邻近中心性算法3种中心性算法对PPI网络进行拓扑分析。

6.2 耐药性抢救实验

研究发现，在一名7岁儿童的鼻腔中发现了耐药金黄色葡萄球菌和耐药蜡样芽孢杆菌，在一名66岁成人的鼻腔中发现了耐药枯草芽孢杆菌，并购买了耐药的铜绿假单胞菌。所有细菌均由北京清喜科技研究院进行16SrRNA测序（见附录BT230207005、BT23030515037）。

将收集的液体中未溶于95%乙醇的部分用于细菌药物敏感性实验和耐药性挽救实验。由于条件有限，采用肉眼浊度法，浊度管由BKMAM提供。一个微升一次性接种环和0.9mlLB肉汤可以形成大约M1的浓度。使用撒布器将100μl各种细菌悬浮液均匀地铺在营养琼脂培养基上。一旦细菌溶液被吸收到培养基中，培养基就倒置。为了确定细菌菌株的敏感性，将药物敏感纸放置在几个位置，包括空白纸。一半的圆盘装有从空气中提取的40μlAPEHE液体。其中，只有耐药铜绿假单胞菌培养长达3小时，并且在稍高的浓度和/或稍长的时间下死亡。将另外3株耐药金黄色葡萄球菌、耐药蜡样芽孢杆菌和耐药枯草芽孢杆菌菌株与空气中提取的液体共培养24h，然后在营养琼脂上孵育8-12h，观察挽救性耐药效果。

同时，发现挥发物含有几种邻苯二甲酸盐（PAEs）。邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯和邻苯二甲酸二异辛酯设定为10%，同时使用细菌共培养物作为对照组。

6.3 抢救耐药金黄色葡萄球菌的转录组学和代谢组学实验

使用转录组学和代谢组学对代谢物和基因进行相关性分析。研究鉴定了187个差异表达的基因，其中102个显示上调，85个显示下调。然后将这些基因映射到KEGG数据库上，该数据库产生了34条通路。

经过数据预处理、层次聚类分析（HCA）、代谢物分类统计、单因素统计分析（包括学生t检验）、主成分分析（PCA）、潜在结构正交投影-判别分析（OPLS-DA）等。化合物的差异筛选与鉴定、不同代谢物的层次聚类分析、箱形图分析、不同代谢物的匹配棒图分析、不同代谢物的雷达图分析、不同代谢物的相关性分析、不同代谢物的和弦分析、不同代谢物的KEGG注释、不同代谢物的KEGG富集分析、不同代谢物的通路分析、不同代谢物的网络分析代谢产物。

共鉴定出6725种具有可检测差异的代谢物。其中，3146种代谢物上调，3579种下调。在KEGG数据库上对这些代谢物的映射揭示了它们在55条通路中的分布。

实验结果

7.1 GCMS结果

在GCMS检测报告中，根据MAPs的配方、数量和生长情况，在一年中的不同时间可以找到不同的药用成分、中间体和化合物，这可能与室内空气流动减少、温度和湿度波动、各种化学反应和光催化有关。此外，本研究所用的溶剂中的醇类，可能使一些有机化合物分解或合成，随着样品的老化，化合物成分发生变化。

7.2 网络药理学与分子对接结果

通路富集分析揭示了162个共同靶点中富集度最高的3个通路：“hsa05200：癌症通路”、“hsa05171：冠状病毒病-COVID-19”、“hsa05167：卡波西肉瘤相关疱疹病毒感染”（图3）。

GO富集分析表明，富集的主要生物学过程是“炎症反应”，富集的主要细胞成分是“质膜”，富集的主要分子功能是“酶结合”（图4）。

图4 GO富集分析。

图5显示了蛋白质-蛋白质相互作用网络，并突出了五个主要目标。这些物镜由较大的节点和不同的颜色表示。

图5 蛋白质-蛋白质相互作用网络。

APEHE模型的大气化合物主要与AKT1结合，其次是MMP9和TLR4，由于AKT1广泛分布于各种人体组织中，在包括COVID-19在内的广谱抗病毒疗法中起着至关重要的作用，因此APEHE模型的大气化合物与肺炎有关。

讨论

APEHE实验发现大多数萜烯的生物学作用是未知的；温室环境和田间环境中碳富集的影响和途径还不够清晰；关于精油、真菌和土壤之间关系阈值区间的数据不足；对自然生长植物中挥发物的协同、拮抗和空气复合的理解是有限的，毒理学安全性数据也是如此；已知合成化合物，如扑热息痛和氟比洛芬，会在APEHE环境中形成，其形成机制尚不清楚。

此外，APEHE可能为其他研究方向开辟新途径的可能性。例如：APEHE处理的微生物中PEP的增加是否会影响呼吸免疫，同时，碳饥饿信号是否能表明用APEHE处理的细菌正在进行更多的碳封存。在交叉引用途径“次级代谢物的生物合成”中，有6个基因上调，18个代谢物不同，包括吗啡、咖啡因和可能具有抗肿瘤价值的马红蛋白，这可能为利用细菌产生特定化合物提供新的思路。

宇宙中多环芳烃（PAHs）的流行从排放物中的小分子中形成更大的PAH，生物炭和草酸的组合可以改善土壤中多环芳烃的细菌降解。这些因素之间的联系是否可以为人类寻找关于生命起源的问题开辟更多新视角的可能性。随着芳烃环境工程的各种模型的成熟，能否让它们适应其他星球，也是可以尝试继续研究开发的方向之一。APEHE有可能成为地球系统的杠杆点，并引起积极的连锁反应。尽管本文提出的模型离这些成熟的模型还有很长的路要走，可以预见，通过科学和严谨的研究和论证，全人类可以共同努力，为星球生态系统中的每个参与者找到正确的道路，走上更和谐的道路。

希望APEHE的潜力将在未来改善全人类的生活。

结论

大气中的APEHE有机挥发物主要通过sdhA、scrA和PEP的联合突变来降低细菌耐药性。AKT1是主要靶点，MMP9和TLR4是次要靶点，与挽救细菌耐药性测定的结果一致。AKT1在广谱抗病毒治疗、呼吸系统疾病、癌症等领域具有巨大的治疗潜力，在人体内分布广泛。因此APEHE对人类健康有直接和间接的影响。

但仅仅依靠网络药理学和分子对接来证明优化的空气传播化合物与人体之间的相互作用具有局限性，还需要进一步的研究来证实其机制。此外，需要更多的实验来确定人体呼吸道中的细菌在逆转治疗细菌的耐药性方面是否与体外实验一样有效。APEHE系统有可能提供许多好处，包括增强碳和氮的封存。为了将MAPs重新引入城市和自然环境，考虑科学上适当的方法和配方至关重要。总之，本文从不同角度探讨了APEHE的各种潜力，并通过实验展示了其对人类健康和重要性的潜在影响。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Heliyon期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

Is aromatic plants environmental health engineering (APEHE) a leverage point of the earth system?

▌论文作者：

MengYu Lu

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405844024063539

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e30322

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