Mediterranean forests and health: analysing the interactions between forest chemistry and humans

Abstract

Tot i que les investigacions recents destaquen els beneficis dels boscos en diferents sistemes i funcions del cos humà, els mecanismes i les vies per les quals es donen aquests efectes positius estan poc estudiats o els resultats són encara inconclusius. L’objectiu principal d’aquesta tesis és analitzar les interaccions entre els boscos mediterranis i la salut humana. En particular, els objectius específics de la tesi són: A) analitzar quines variables forestals han estat vinculades amb efectes en la salut humana; B) caracteritzar les concentracions de monoterpens en l’aire per sota la copa dels arbres en un bosc mediterrani; C) estudiar l’absorció humana de monoterpens en el bosc; i D) investigar el potencial dels boscos com a reguladors de l’estrès. El capítol 1 parteix d’una revisió sistemàtica de la literatura existent per tal d’analitzar el grau de detall amb què es descriuen els boscos i si s’han observat relacions entre variables forestals i efectes en la salut de les persones. Els resultats subratllen la manca de descripcions dels boscos i una gran heterogeneïtat en la descripció de les variables en els estudis de l’àmbit de recerca. No es van identificar patrons en els articles que correlacionessin la variable forestal “tipus de bosc” amb les variables mèdiques més estudiades (pressió sanguínia, ritme cardíac i nivells de cortisol). El capítol 2 caracteritza les concentracions totals de monoterpenes en l’aire d’un alzinar mediterrani per sota la copa dels arbres. Els resultats reporten una gran variabilitat estacional i diària d’aquestes concentracions amb els pics més alts durant els mesos de juliol i agost. Durant aquests dos mesos, el cicles diaris mostren dos màximes: durant les primeres hores del matí i a primera hora de la tarda. A més a més, les concentracions de terpens en l’aire es mostren fortament correlacionades amb la temperatura de l’aire i la radiació solar. Les concentracions registrades són similar i, fins i tot, superiors a les investigacions prèvies que destaquen els efectes dels boscos en la salut. En el capítol 3, s’analitza l’absorció de monoterpens pels humans durant una estada al bosc. Els resultats no mostren diferències significatives en les concertacions de monoterpens en sang pels grups exposat al bosc o a la ciutat. Es va identificar un relació negativa significativa entre l’absorció i les concentracions basals dels compostos més abundants en el bosc: alfa- i beta-pinè. Es van trobar també correlacions significatives entre l’absorció dels diferents compostos. El capítol 4 estudia l’evolució de diferents marcadors d’estrès durant una estada de 8 hores al bosc. Els resultats mostren: A) una baixada significativa dels nivells de cortisol a partir de les 2 hores d’exposició fins al final en comparació amb els valors basals; B) un augment significatiu de l’activitat de l’alfa-amilasa després de la primera hora d’exposició forestal que es manté estable fins al final de l’estudi; C) una disminució significativa de l’IgA des de la quarta hora d’exposició en comparació amb els nivells basals. Aquests descobriments donen suport al paper dels boscos com a mitigadors de l’estrès tant a nivell fisiològic com psicològic. En conclusió, els resultats d’aquesta tesi subratllen la necessitat d’incorporar la descripció de variables forestals en els estudis d’aquest camp i aboquen al desenvolupament de més recerca en aquest camp interdisciplinari. En referència a la química forestal i a la mitigació de l’estrès, la tesis conclou que els boscos mediterranis poden constituir hàbitats adequats per desenvolupar iniciatives orientades a la medicina preventiva malgrat cal més investigació per avançar en la comprensió de les vies i dels mecanismes involucrats en l’equació boscos i salut humana i així aportar més dades al sector sanitari.

Aunque las investigaciones recientes destacan los beneficios de los bosques en diferentes sistemas y funciones del cuerpo humano, los mecanismos y las vías por las que se dan estos efectos positivos están poco estudiados o los resultados son todavía inconclusius. El objetivo principal de esta tesis es analizar las interacciones entre los bosques mediterráneos y la salud humana. En particular, los objetivos específicos de la tesis son: A) analizar qué variables forestales han sido vinculadas con efectos en la salud humana; B) caracterizar las concentraciones de monoterpenos en el aire por debajo de la copa de los árboles en un bosque mediterráneo; C) estudiar la absorción humana de monoterpenos en el bosque; y D) investigar el potencial de los bosques como reguladores del estrés. El capítulo 1 parte de una revisión sistemática de la literatura existente para analizar el grado de detalle con que se describen los bosques y si se han observado relaciones entre variables forestales y efectos en la salud de las personas. Los resultados subrayan la falta de descripciones de los bosques y una gran heterogeneidad en la descripción de las variables en los estudios del ámbito de investigación. No se identificaron patrones en los artículos que correlacionan la variable forestal "tipo de bosque" con las variables médicas más estudiadas (presión sanguínea, ritmo cardíaco y niveles de cortisol). El capítulo 2 caracteriza las concentraciones totales de monoterpenos en el aire de un encinar mediterráneo por debajo de la copa de los árboles. Los resultados reportan una gran variabilidad estacional y diaria de estas concentraciones con los picos más altos durante los meses de julio y agosto. Durante estos dos meses, el ciclos diarios muestran dos máximas: durante las primeras horas de la mañana y a primera hora de la tarde. Además, las concentraciones de terpenos en el aire se muestran fuertemente correlacionadas con la temperatura del aire y la radiación solar. Las concentraciones registradas son similar y, incluso, superiores a las investigaciones previas que destacan los efectos de los bosques en la salud. En el capítulo 3, se analiza la absorción de monoterpenos por los humanos durante una estancia en el bosque. Los resultados no muestran diferencias significativas en las concertaciones de monoterpenos en sangre por los grupos expuesto en el bosque o en la ciudad. Se identificó un relación negativa significativa entre la absorción y las concentraciones basales de los compuestos más abundantes en el bosque: alfa- y beta-pineno. Se encontraron también correlaciones significativas entre la absorción de los diferentes compuestos. El capítulo 4 estudia la evolución de diferentes marcadores de estrés durante una estancia de 8 horas en el bosque. Los resultados muestran: A) una bajada significativa de los niveles de cortisol a partir de las 2 horas de exposición hasta el final en comparación con los valores basales; B) un aumento significativo de la actividad de la alfa-amilasa después de la primera hora de exposición forestal que se mantiene estable hasta el final del estudio; C) una disminución significativa de la IgA desde la cuarta hora de exposición en comparación con los niveles basales. Estos descubrimientos apoyan el papel de los bosques como mitigadores del estrés tanto a nivel fisiológico como psicológico. En conclusión, los resultados de esta tesis subrayan la necesidad de incorporar la descripción de variables forestales en los estudios de este campo y vierten el desarrollo de más investigación en este campo interdisciplinario. En referencia a la química forestal ya la mitigación del estrés, la tesis concluye que los bosques mediterráneos pueden constituir hábitats adecuados para desarrollar iniciativas orientadas a la medicina preventiva a pesar necesario más investigación.

Although the current body of literature has underlined the benefits of these ecosystems on different human body systems and functions, studies on the mechanisms and pathways leading to the health outcomes are still scarce and inconclusive. The main goal of this thesis is to assess to what extend Mediterranean forests can be linked to human health. More particularly, the specific aims of the thesis are: A) analysing which forest variables have been linked with effects on human health; B) characterising the Mediterranean forest air monoterpene concentrations below the canopy; C) studying the human absorption of monoterpenes in the forest; and D) investigating the potential of forests to regulate human stress markers. Chapter 1 is articulated from a systematic review of the current literature to assess the extent to which forests have been studied and described in detail and the extent to which relationships between forest variables and health effects have been reported. The analysis underlines the lack of forest descriptions as well as the high heterogeneity of forest variables’ description. Patterns among the articles could not be identified correlating the broader forest variable (forest type) and the most studied health variables identified (blood pressure, pulse rate or/and cortisol levels). The growing body of research on this topic, has argued that biogenic volatile organic compounds (BVOCs), particularly monoterpenes, may be potential determinants of the human health effects induced by forest exposure. Chapter 2 characterizes the total monoterpene air concentrations at nose height in a Mediterranean holm oak forest. Results show a strong variability of the total monoterpene air concentrations in season and daytime with its peak during July and August. These two months displayed two average maxima in their diel cycles; during early morning and at early afternoon. Monoterpene air concentrations were strongly related with temperature and solar radiation. The concentrations registered are similar or higher than in previous ex situ studies showcasing the effects of forests on human health. In chapter 3, we step further in the chemical bonds between forest and people by analysing the monoterpene absorption by humans during forest exposure. Results showed no significant changes in monoterpene blood concentrations for the forest and control group. However, a negative significant relationship between absorption and baseline blood concentration of the most abundant forest air monoterpenes, alpha-pinene and beta-pinene, was found in individuals visiting the forest, i.e. higher absorption was found the lower the baseline blood concentration was. We also found significant correlations between the absorption of the different monoterpene compounds. Finally, chapter 4 studies the evolution of human stress markers during an 8-hours exposure. Our results show: A) a significant decrease in cortisol saliva concentrations since the second hour until the end compared to basal time; B) a significant increase of alpha amylase activity after the first hour of exposure compared to basal time that remained stable during the rest of the study; C) a significant decrease of IgA from the fourth hour of exposure compared to the basal time. The findings of this chapter support the physiological and psychological relaxing effects of forest exposure. Overall, the findings of this thesis underline the need to incorporate forest variables descriptions in the ongoing studies and call for the development of more interdisciplinary research teams. Considering our results regarding forest chemistry and stress mitigation, we conclude that Mediterranean forests can constitute suitable habitats for preventive health initiatives although further research is essential to advance the comprehension of the mechanisms an pathways involved in the equation forests-human health to provide valid data for the healthcare community, civil society and policy makers.