冬季颗粒物暴露对体育教师自觉症状及肺功能健康影响的研究

王轲，李峰

1. 西北工业大学体育部，西安 710072 2. 西安建筑科技大学体育学院，西安 710055

空气污染已成为影响机体健康的主要环境因素之一[1]，在空气污染的环境中进行运动，会加剧颗粒物对人体的伤害，使机体面临更大的健康风险[2]。流行病学研究发现，颗粒物与呼吸系统疾病的发病率密切相关[3]。作为长期在户外工作的体育教育工作者来说，如何评估细颗粒物对呼吸系统的危害及对其他系统的不利影响，是体育环境健康领域需要关注的课题。本研究通过问卷调查和个体颗粒物暴露的研究方法，客观评估不同工作环境、不同教龄和工作时长教师暴露于空气污染的健康风险，为冬季雾霾天气下室外体育教师的风险防范提供理论依据。

1 研究对象与方法(Research subject and methods)

1.1 研究对象

选取西安市高校室外体育教师和室内教学教师各80名，其中男性96名，女性64名。体质健康，无既往呼吸系统病史，分为实验组和对照组，通过问卷调查获得教龄、日工作时间和吸烟史等基本数据(表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 颗粒物采集与浓度计算

研究实验于2017年11月13—17日进行，室外体育教师和室内教师均随身携带PM2.5个体采样器，采样滤膜为直径25 mm的玻璃纤维滤膜，采样流量设定为2 L·min-1，通过8 h不间断测试(08:00 AM—04:00 PM)，对所有受试者的颗粒物的暴露水平进行测定评价，为了模拟人体呼吸带的高度，故将采样器进气口设定高度约1.6 m左右，共测定5 d。采样前、后将采样滤膜恒温、恒湿条件下称重3次，取平均值。测试前对所有采样仪进行统一调试，对教师进行仪器的使用培训，同时，在测试的过程中进行监督指导，确保测定方法和测试流程符合规范。应用滤膜称重法计算PM2.5浓度，计算公式如下。

表1 样本人群人口统计学特征及基本知识调查Table 1 Survey of demographic characteristics and basic knowledge of sample population

式中：c为空气中PM2.5浓度(μg·m-3)，W1为采样前滤膜质量(g)，W2为采样后滤膜质量(g)，V0为换算成标准情况下的采样体积(m3)。

1.2.2 个人自觉症状调查

调查问卷的设计参考美国胸科协会(ATS)-DLD-78-A成人问卷，对呼吸系统疾病结合实际情况进行适当修正。问卷调查的主要内容包括：年龄、呼吸系统症状(咳嗽、咳痰、咽部不适、气喘、鼻部不适症和呼吸困难)、视-听系统个人自觉症状(视力模糊、眼睛发炎、视力疲劳、视力下降、耳鸣、听力减弱和听距下降)与其他指标个人自觉症状(关节疼痛、鼻炎触发率、记忆力下降、易疲劳、情绪多变、睡眠差和感冒次数增多)。调查采用面谈的方式，个人症状指标值的计算均是通过调查问卷中出现症状的人数占总人数的比例所得出，经研究人员对问卷进行审核后抽取1%的进行复核。将收集的资料和问卷调查的结果，经过数学量化转化为特定的指标值，利用SPSS统计软件进行统计计算。

1.2.3 肺通气功能测定

使用意大利Spirolab-IIIMIR便携式肺功能检测仪，受检者取立位，夹鼻深吸气后用力吹至5 s末，测定肺活量(VC)、用力呼气肺活量(FVC)、第1秒用力呼气容量(FEV1)、第1秒用力呼气容量和用力呼气肺活量比值(FEV1/FVC)和每分钟最大通气量(MVV)，每人重复测试肺通气功能3次，每次间隔10 min，取其平均值，所有仪器操作均由经过培训的专人负责测定。

1.3 统计分析

实验结果采用SPSS 19.0统计软件处理，计量指标采用单因素方差分析，计算均值±标准差(X±s)，本实验数据符合正态分布，组间平均值的显著性差异以t检验分析。

2 结果与分析(Results and analysis)

2.1 实验研究期间室内外颗粒物浓度及温湿度数据

2.2 室内外教师日均颗粒物暴露剂量的比较

由表3可知，利用单因素方差分析对不同工作时长教师的日均颗粒物暴露剂量的测定得出，室内教师和室外体育教师在个人的颗粒物暴露剂量上呈现出明显差别。其中，室外工作<3 h和4～6 h的教师的颗粒物暴露组与室内教师工作组比较有显著性差异(P<0.05)；室外6～8 h工作组与室内组相比有显著性差异(P<0.01)。

2.3 室内外教师个人自觉症状调查分析统计

2.3.1 呼吸系统个人自觉症状数据分析

由表4可知，在呼吸系统个人自觉症状中，室外教师在“偶尔咳嗽”、“经常咳嗽”、“偶尔吐痰”和“咽部不适”方面与室内教师相比有显著性差异(P<0.01)；室外组“常咳痰”和“呼吸困难”与室内组相比有显著性差异(P<0.05)。

表2 室内外颗粒物及温湿度的差异Table 2 Differences between indoor and outdoor particulate matter concentrations, temperature and humidity

注：与室内组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

表3 室内外教师日均颗粒物暴露剂量的比较Table 3 Comparison of daily average PM2.5 exposure concentrations of indoor and outdoor teachers

注：与室内组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

表4 呼吸系统个人自觉症状调查统计Table 4 Personal consciousness symptom survey statistics of respiratory system

注：与室内组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

2.3.2 视-听系统个人自觉症状数据分析

由表5可知，在视-听系统中，室外教师在“眼睛发炎”、“耳鸣”、“听力减弱”和“听距下降”方面与室内教师相比有显著性差异(P<0.01)；室外组“视力模糊”、“视力疲劳”和“视力下降”指标也显著性高于室内教师(P<0.05)。

2.3.3 其他指标个人自觉症状数据分析

由表6可知，在其他指标个人自觉症状中，室外教师的“鼻炎触发率”、“记忆力下降”和“情绪多变”指标与室内教师相比有显著性差异(P<0.01)；室外组教师“关节疼痛”、“易疲劳”和“感冒次数增多”等指标与室内教师相比有显著性差异(P<0.05)。

表5 视-听系统个人自觉症状调查统计Table 5 Personal consciousness symptom survey statistics of visual-listening system

注：与室内组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

表6 其他指标个人自觉症状调查统计Table 6 Personal consciousness symptom survey statistics of other indicators

注：与室内组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

2.4 室内外教师肺通气功能的统计分析

2.4.1 颗粒物暴露对不同教龄教师肺通气功能的统计分析

由表7可知，针对于不同的肺功能指标，随着教龄的增加，室外组FVC、MVV和VC的指标测试结果逐渐降低，其中和“<5 a”组相比，“6～10 a”组MVV、“11～20 a”组FVC、MVV和VC，“>20 a”组FVC、VC指标有显著性差异(P<0.05)，MVV有显著性差异(P<0.01)；而室外组FEV1、FEV1/FVC和PEF随着教龄的增加而升高，其中和“<5 a”组相比，“6～10 a”组FEV1、FEV1/FVC，“11～20 a”组PEF有显著性差异(P<0.05)，“>20 a”组FEV1、FEV1/FVC和PEF有显著性差异(P<0.01)。

2.4.2 室内外不同日工作时长教师肺通气功能的统计分析

由表8可知，由于工作时间不同，室内外教师在颗粒物暴露下的肺功能指标也不同，其中和“<3 h”组相比，“4～6 h”组FEV1/FVC和PEF有显著性差异(P<0.05)，“6～8 h”组FEV1/FVC、MVV和PEF有显著性差异(P<0.05)，FVC、FEV1和VC有显著性差异(P<0.01)。

2.4.3 颗粒物暴露下教师吸烟史对肺通气功能的影响

由表9可知，通过单因素方差分析颗粒物暴露下有无吸烟史对各项肺功能指标的影响，结果表明和“有吸烟史”教师相比，“无吸烟史”教师FVC、PEF有显著性差异(P<0.05)；FEV1/FVC、MVV有显著性差异(P<0.01)。

3 讨论(Discussion)

3.1 实验研究期间室内外颗粒物浓度及温湿度数据结果分析

诸多环境毒理学和流行病学研究表明，大气颗粒物污染会对人体健康造成严重危害，其中主要包括呼吸系统疾病以及心血管疾病等[4]。大气颗粒物的健康效应除了慢性毒性以外，雾霾天的急性颗粒物暴露也会引起机体急性毒性反应[5-6]。同时，由于室内外的空气交换行为，室外大气环境的污染，并不能使室内环境成为安全区域，实际上室外大气污染物仍然是威胁室内环境健康的重要因素[7]。对测试时期的颗粒物测试结果进行方差分析发现，室外的PM2.5和室内相比有显著性差异，室内外温度之间有显著性差异。室内外不同的污染浓度差、颗粒物的不均匀性分布及不同人群对污染负荷的承受能力、污染物的迁移转化会产生不同的呼吸暴露风险[8]。

表7 不同教龄教师肺通气功能的统计分析Table 7 Statistical analysis of pulmonary ventilation function in teahers with different teaching experiences

注：FVC表示用力呼气肺活量，FEV1表示第1秒用力呼气容量，MVV表示每分钟最大通气量，VC表示肺活量，PEF表示峰流速值；与“<5 a”组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: FVC stands for forced expiratory vital capacity; FEV1stands for first second forced expiratory volume; MVV stands for maximal voluntary ventilation; VC stands for vital capacity; PEF stands for peak flow rate; compared with “<5 a” group, *P<0.05, **P<0.01.

表8 不同日工作时长教师肺通气功能的统计分析Table 8 Statistical analysis of pulmonary ventilation function in teachers with different daily working time

注：与“<3 h”组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with “<3 h”group, *P<0.05, **P<0.01.

表9 吸烟史对肺通气功能影响的统计分析Table 9 Statistical analysis of the impact of smoking history on pulmonary ventilation function

注：与无吸烟史组比较，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the group without smoking history, *P<0.05, **P<0.01.

3.2 室内外教师日均颗粒物暴露浓度的差异性分析

环境暴露评价主要是评价室内污染物质与对人体健康影响之间的关系[9-10]。由于冬季西安雾霾较为严重，室内、外教师个人的颗粒物暴露浓度具有显著性不同。测定数据显示，室内外教师在个人的颗粒物暴露浓度上差别很大。其中，室外工作<3 h和4～6 h的体育教师暴露组与室内同时间工作组教师比较有显著性差异(P<0.05)；室外6～8 h工作组与室内同时间工作组相比有显著性差异(P<0.01)。由于运动项目和场地的限制，室外体育教师不得不暴露于高浓度的颗粒物环境中；另外，由于体育课程的特殊性，在运动过程中随着呼吸的加深加快，必然会导致更多的细颗粒物摄入和沉积；同时由于颗粒物对人体所造成的健康危害与其理化性质和粒径分布有直接关系[11]，因此，PM2.5可通过上呼吸道到达肺泡沉积下来，再通过肺泡间质进入血液循环中，造成对机体健康的损害[12]。

3.3 室内外不同组别教师呼吸系统个人自觉症状调查结果分析

在颗粒物污染情况下，呼吸系统的表征可以反映机体对污染空气的适应性[13]。研究结果表明，大气中不同粒径的颗粒物，尤其是细颗粒物对呼吸系统的影响，除了与颗粒物的粒径[14]、传播方式[15]、气候条件、个体差异和污染浓度等有关之外，还与个体所处的环境有关。从实验结果来看，由于室内组教师和室外组教师在个人呼吸系统自觉症状调查统计中表现出明显的差异性，尤其是在咳嗽、咳痰和咽部不适等方面具有显著性差异(P<0.01)。这主要是因为在本实验测试期间，西安已进入雾霾天气，空气中细颗粒物的浓度升高，进入呼吸道的大气颗粒物可以刺激和腐蚀肺泡壁，导致教师在长期的户外工作中鼻腔干燥、呼吸不畅和咳嗽等呼吸系统症状发生率增加，呼吸道防御机能受到破坏、肺功能受损，呼吸系统受到慢性损伤。从以往的研究发现，过敏性哮喘和运动诱发支气管炎的患病率与颗粒物浓度之间存在关联[16]。本次户外实验对象主要为体育教师，因此相对于室内上课的教师，户外体育教师的运动量要大于室内教师，而随着运动量的增加，机体的肺通气量也相对增加，单位时间内吸入的颗粒物也相对较多[17]，可以推断出这是户外教师不良呼吸系统症状高于室内教师的原因。同时，在雾霾的环境下进行运动，运动时呼吸模式是从单一的鼻腔到呼吸转变为口-鼻-咽喉的混合呼吸，这会导致鼻腔对空气的过滤作用降低，加重了大气污染物质对人体的危害作用。

3.4 室内外不同组别教师视-听系统个人自觉症状调查分析

颗粒物引起的脑功能损害可能与神经炎症及神经元损伤或丢失有关[18]。本研究结果表明，室外上课教师较室内教师在视力和听觉的功能表现上出现明显下降趋势。机体的视觉系统和听觉系统的功能取决于主客观的因素，主要包括物理因素、化学因素、生物因素和心理因素。机体所处自然环境的优劣，是唤起机体各系统对外界应激做出反应的应激源，长期在空气污染的环境中生活，会显著增加机体视-听系统受损的概率。目前其机制主要有2点：(1)颗粒物进入中枢神经系统引起直接损害[19]；(2)颗粒物引起的系统炎症反应导致间接损害[20]。本实验中眼睛发炎、听力减弱和听距下降3个指标在2组中均表现出显著差异(P<0.01)，说明雾霾天气对室外体育教师的部分机能损伤是比较严重的。

3.5 室内外不同组别教师其他个人自觉症状调查分析

Wen等[21]研究发现，环境污染是影响居民健康状况的重要因素之一，其污染越严重，人们对健康状况感知就越不好。从室内外个人自觉症状调查的其他指标来看，无论感官反应还是机体本体感觉感受器，还是睡眠、心理和情绪等，室外调查数据均高于室内。这说明，冬季雾霾天在室外工作的教师，总体上由于空气质量而导致的身体和心理及其他自觉症状指标的负面值高于室内工作的教师。这是因为，颗粒物对机体的损害作用并不是相互独立的，而是存在损害的连锁效应。比如颗粒物进入肺部后，可以通过肺部的自主神经反射引起其他系统产生炎症反应，肺的自主神经反射直接对心血管系统产生影响[22]；颗粒物在肺局部引起的炎症反应可进一步促进系统炎症的发生[23]，而系统炎症反应可同时反作用于机体的内稳态，导致稳态失衡，对各组织器官产生不良影响。这也提醒室外教师除了要加强个人自我防护之外，相关教育管理部门也应该制定相应的教学管理措施，适当减少或取消雾霾天气室外教学。

3.6 雾霾天对室内外教师肺通气功能影响的差异性分析

Alicia等[24]研究发现，呼吸系统是机体获得氧气的首要通道，同时也是污染物进入的通道。长期处于污染的空气中，可引发器官和支气管痉挛，在增加呼吸道阻力的同时降低呼吸道空气的流速，从而使机体的呼吸功能下降[25]。尤其是长期在室外工作的教师，对空气中细颗粒物的感知敏感度会下降，久而久之就会引起呼吸系统的疾病。

FVC是指尽力最大吸气后，尽力尽快呼气所能呼出的最大气量。该指标用以表征将测定肺活量的气体用最快速呼出的能力。其中，开始呼气第一秒内的呼出气量为1 s用力呼气容积(FEV1)，其临床应用较广，常以FEV1/FVC表示。本实验结果显示，不同教龄和不同日工作时间的教师的FEV1/FVC的数值也不同，二者存在正相关关系。室外教师FEV1/FVC高于室内组教师，说明室外教师呼吸系统防御功能下降。由于空气中的PM2.5经上呼吸道进入肺部后，大部分会在肺泡沉积，颗粒物中所含的有害物质通过免疫反应和基因诱导等途径引起肺部发生炎症反应，造成肺部疾病[26]。通气储备能力试验，用以衡量胸廓肺组织弹性、气道阻力和呼吸肌力量。随着教龄的增加和日工作时间的延长，其MVV的数值降低，二者存在负相关关系。这也许是空气污染对机体损伤的长期效应累积的结果。在体育课授课过程中需要频繁进行身体活动，会使机体代谢增强，呼吸频率加快，气体交换量增多，每分通气量随运动强度加大，在一定范围内逐渐增大。对于户外体育教师来说，随着运动强度的变化，机体的呼吸方式也由单纯的鼻式呼吸转变成为口鼻共用的混合呼吸模式，而混合式呼吸则会在一定程度上减弱鼻腔对空气的过滤功能，空气中的颗粒污染物便会直接通过口腔进入呼吸道，再通过肺换气功能弥散进入血液，明显增加了污染物对人体的危害作用，这也是MVV下降的机制之一。

VC是一次呼吸的最大通气量，在一定意义上可反映呼吸机能的潜在能力，作为肺功能状态的动态生理指标。从室内外教师肺活量的测量结果可以看出，>11 a的教龄和日工作时长>6 h的教师与室内教师有显著性差异。这主要是由于长期的颗粒物在呼吸道经过截留、碰撞、沉降、扩散和静电沉淀等，颗粒物因惯性作用不能随着气流的前进方向而继续前进，而在呼吸道表面沉积下来[27]，从而使颗粒物中富集的有毒有害物质改变呼吸道的生理功能状态，从而干扰肺部的气体交换，直接影响肺的通气功能[28]。

PEF又称呼气流量峰值，是指用力肺活量测定过程中，呼气流量最快时的瞬间流速，主要反映呼吸肌的力量及气道有无阻塞。与FEV1、FEV1/FVC和MVV的数值表现一样，本测试中，PEF的指标变化与教龄和日工作时长有正相关关系，作为FEV1/FVC的有益补充，表明长期暴露于大气污染下的室外教师的呼吸系统防御机能有所下降。

综上所述，冬季雾霾天气室外体育教师个人的自觉症状调查和肺功能生理指标测定均与室内教师有显著性差异。且随着教龄的延长和日工作时间的增加，对空气中细颗粒物的感知敏感度会下降，久而久之就会引起呼吸系统的疾病。同时，相关行政主体部门和监测机构也需要根据不同颗粒污染物在人体呼吸系统的沉积浓度和速度，系统性地对雾霾天气室内外教师的每日呼吸暴露量及其健康风险进行评价，为解决冬季雾霾天气体育教学及健康风险预防提供理论依据，也借此希望引起政府和公众对生活环境大气质量安全的重视。