空氣污染與大眾健身關系的研究進展

王海英，焦廣發，劉永敬，楊金田

（河北體育學院，石家莊 050041）

目前，空氣污染在全球范圍內對健康構成了嚴重威脅。自1995年成立環境與體育國際奧委會委員會以來，環境與運動健康逐漸成為世界體育界關注的焦點。本文綜合國內外空氣污染與運動的研究資料，探討空氣污染與大眾健身、體育鍛煉環境標準的相關問題，對在空氣污染特殊環境下進行運動健身提出科學的建議。

1 空氣污染與健康

1.1 空氣污染及其來源

隨著社會生產的發展，機動車尾氣和工業排放已經取代了傳統的煤炭和木材燃燒，成為城市空氣污染的主要來源。以煤炭為主要燃料的地區主要是SO2、CO 和顆粒物等還原型污染物，而以石油為主要燃料的地區主要是氧化型的一次污染物CO、NOX、碳氫化合物等，并在陽光照射下發生光化學反應形成以O3為主的二次污染物。

PM 對健康的危害與其顆粒空氣動力學直徑大小有關。PM10主要沉積在上呼吸道，而PM2.5更容易進入肺泡，進行彌散。目前認為直徑小于2.5μm 顆粒主要來自于機動車尾氣、工業廢氣、生活排放的煙塵，其中小于0.1μm 的超微顆粒主要由發動機尾氣排放［1］。汽車尾氣造成的空氣污染危害要大于煤炭造成的污染［2］。

1.2 空氣污染成分對身體機能的影響

國內外研究認為，空氣污染與心肺疾病的發病率和死亡率升高密切相關［3－5］，主要包括肺部的炎癥反應、動脈粥樣硬化、血管功能失調和冠心病等［3］。最新的研究也顯示［6］，糖尿病的發生可能與空氣污染有關。

加拿大成年人的調查顯示［7］，空氣污染與安靜狀態下肺通氣下降和血壓升高有關。由汽車尾氣引起的空氣污染可以引起肺內復雜的反應，包括氧化應激，氧化還原敏感的轉錄因子、炎癥細胞浸潤和前炎癥細胞成分的激活和分泌［3］。這些物質還可以由肺部進入血液，造成全身的炎癥反應，進而引起心血管系統的疾病［5］。1980年美國調查發現，城市居民血液中的COHb含量是鄉村居民的2 倍［8］，說明在空氣污染環境下機體處于長期輕度缺氧狀態，這也可能是心肺疾病的發病基礎。

PM 超過其他污染物成為對健康構成危害的主要因素［9］。隨著PM 體積的減小，在肺內沉積數量增加，且無性別差異［10］。PM 可由吸附的成分造成急性和慢性的危害，其中誘發氣管炎癥的機制為自由基與氧化損傷、轉錄因子及炎癥相關因子的激活、細胞鈣穩態破壞、致纖維化作用和致突變作用［11］。PM 對心血管的毒性主要表現為血液中白細胞和內皮黏附分子增加、凝血活動加強，并可改變心臟正常的電生理活動［12］。在研究健康老年人時發現［13］，處 于PM2.540μg／m3空氣條件下2個小時，監測空氣污染暴露后即刻和24小時后心率變異性（HRV）指標，心電指標發生改變，出現心律異常的風險增大。在PM 暴露后心臟功能改變的同時反映心肌損傷的C 反應蛋白升高［14］。這說明空氣污染能夠引起心臟結構損傷和電生理異常，增加心臟病的發病率和死亡率。PM2.5和PM10均能使心肌缺血發生的風險增加3倍［1］，這也在一定程度上解釋了空氣污染與心血管疾病聯系的病理機制［11］。PM 還可改變神經傳導通路的正常活動，對微循環也有不良的作用［15］，但這些影響還有待于進一步的證實。

丹麥科學家通過觀察長期暴露于交通環境下的空氣污染和糖尿病發病率之間COx回歸模型顯示：長期暴露于交通環境下的空氣污染可能會導致糖尿病的發生（糖尿病發病率為7.8%，確診率為5.5%），尤其是對于生活方式健康、不吸煙的以及體力活動較多的人群更為明顯［3］。德國糖尿病中心調查結果顯示，生活在污染嚴重地區的婦女患Ⅱ型糖尿病風險明顯要高。空氣污染可能誘發Ⅱ型糖尿病患者全身性炎癥反應，增加其發生血管并發癥的風險［16］。

2 空氣污染與成年人健身運動

運動可以增強體質，但是在空氣污染或輕度污染的環境下運動是否還具有這種效果值得懷疑［17］。在紐約交通繁忙的公路邊跑步30分鐘，血液中的空氣污染物會迅速達到有害水平［18］。因此，學者研究在不同的空氣污染條件下進行各種形式的健身運動，觀察機體心肺功能和免疫功能的變化，以判斷空氣污染對健身運動所造成的危害程度。

2.1 空氣污染環境下運動對心肺功能的影響

國內外的研究結果表明，空氣污染情況下運動時機體攝入可吸入顆粒增多，肺通氣和肺換氣效率降低，代謝當量、最大呼氣量、用力肺活量、心肺功能儲備下降。

通過對步行、騎自行車和司機等不同人群的研究發現［19］，在公路邊活動的人比靜坐的人或鄉村的人攝入更多的PM10。人體實驗研究發現［10］，中等強度運動時PM2.5在肺內的沉積是安靜時的5倍。運動中肺內沉積的PM 增多會直接導致肺通氣、肺換氣效率下降。

從2003年到2009年對健康成年人調查發現［20］，運動測試中代謝當量下降與空氣污染物中CO 和NO2有長期和短期的影響，而SO2只有短期影響。這說明空氣污染會對運動時的心肺功能產生危害。登山志愿者在低水平O3和PM2.5空氣污染下進行8小時左右的中等強度徒步登山活動，研究結果經過年齡、性別、環境溫度等因素的校正后，O3濃度每增加50 ppb，第一秒最大呼氣量（FEV1）下降2.6%，用力肺活量（FVC）下降2.2%，PM2.5也導致肺功能輕度下降，而隨著運動時間的延長，O3污染物對肺功能的影響作用增強［21］。運動模式并不影響空氣污染對肺功能的危害，在O3污染下間歇運動2小時和連續運動1小時肺功能的變化相似［22］。在4ppmNO2進行間歇運動1 小時，心血管功能并未發現改變［23］。因此，即使是在低濃度O3污染下進行長時間或劇烈運動，心肺功能都將有可能面臨更多的風險。

對空氣污染區域小樣本男性成人心肺功能和運動機能測試發現［24］：與處于相同條件下運動的人比較，經常參加體育鍛煉的人安靜時心率較低，而肺活量和舒張壓升高，最大攝氧量沒有差異；但運動后心率的恢復較慢。研究還發現，與空氣污染輕的地區不運動人群相比，其心肺功能儲備和最大有氧代謝能力明顯降低。模擬污染空氣下運動的研究結果顯示［25］，運動后擴血管藥物引起的前臂血流FBF減弱，擴張血管藥物的緩激肽引起的血管纖溶酶原激活物釋放減少。但也有研究顯示，城市環境和鄉村環境下訓練，心肺功能都有所提高［26］。

2.2 空氣污染環境下運動對免疫機能的影響

在良好的空氣環境下進行中等強度的體育鍛煉能夠增強人體的免疫能力，然而在空氣污染情況下進行體育鍛煉，會引起機體內白細胞、中性粒細胞、腫瘤壞死因子－α、血清白介素－6升高；血液中巨噬細胞和自然殺傷細胞數量下降。這些指標的變化顯示：在空氣污染的情況下進行體育鍛煉會引起機體對空氣污染物防御能力降低。

在空氣污染區進行規律體育鍛煉的人與不運動的人比較，血清中腫瘤壞死因子－α（TNF－α）顯著升高；而與空氣正常區域不運動人群相比，血清白介素－6（IL－6）也會升高［27］。志愿者分別在城市環境和鄉村環境訓練12周［26］，城市運動志愿者訓練后血液中白細胞、中性粒細胞升高，而鄉村運動的志愿者血液指標無變化。健康志愿者每隔一天在4.0ppmNO2濃度暴露下進行20 分鐘的運動，持續3 周，結果發現肺泡灌洗液中巨噬細胞和自然殺傷細胞數量顯著減少，并且血液中的淋巴細胞減少，說明機體局部器官對污染物的防御能力下降［28］。大學生志愿者在城市空氣污染高的地區進行Cooper測試，白細胞升高［29］。在控制實驗條件的研究中發現［30］，健康成年人在低水平的PM10和PM2.5環境下進行20分鐘中等強度的自行車運動，血液中中性粒細胞增多，IL－6和Clara細胞分泌蛋白無變化。健康成年男性受試者在模擬PM10和NO 城市污染空氣條件下中等強度功率自行車運動1小時，運動后6小時血液中白細胞、中性粒細胞、TNF－α和IL－6等炎癥因子未改變［25］。這提示在空氣污染暴露下運動的時間是影響免疫系統的重要因素。

3 運動場所、運動時間與空氣污染程度對健康的影響

健身運動的時間和地點的選擇對于降低空氣污染對身體的危害十分重要，特別是對于心血管病人的康復運動，即使是在低水平的空氣污染環境下運動，其危害也是較為嚴重的，而最佳的室外運動時間和地點要根據不同地點實際的監測結果才能確定。低水平的空氣污染與運動的強度、時間之間的關系目前還不明確，今后應進行深入的量化關系實驗研究，以確定空氣污染情況下安全的健身運動強度和時間。

隨著運動地點與交通道路距離的增加，空氣中污染物的含量呈指數級的下降。CO 影響運動能力，特別是在交通繁忙的公路邊運動，血液中COHb的含量會很快升高［30］。因此，城市公路主干道附近是極為不理想的運動地點。運動員和健身運動人群應該避免在公路附近進行運動，即使這些地方的空氣污染被認為已經得到了有效的控制［1］。運動地點應該距離主干道250 米以上，才可以避免PM 的危害［31］。對洛杉磯公園和其附近的社區監測發現［32］，公園中NO 和PM2.5污染物的濃度很低，但O3的濃度較高，而公園附近的社區正好相反，空氣中NO 和PM2.5含量較高而O3較低。這說明城市中的公園和社區也不一定全是運動的理想場所。

對加拿大多倫多市的空氣監測顯示，O3、SO2和PM 濃度在中午的時候最高，CO 和NO 濃度在早晨交通高峰期時最高，整體來說空氣污染物的水平在早上7點之前和晚上8點之后最低，因此建議在早晨或晚上進行運動鍛煉［33］。早晨是我國居民主要的鍛煉時間段，但國內的學者認為早晨和傍晚是空氣污染比較重的時間段，不是鍛煉的最佳時間［34］。由于一天內空氣污染物的水平在不斷變化，在什么時間段進行運動最安全是個有爭議的話題，嚴格限定在某一時間段運動顯然是不科學的，因為各地區的空氣污染變化可能相差較大。在北京污染控制與不控制情況下，空氣污染物PM2.5都呈現雙峰態勢，第一個峰值出現在8∶00－10∶00左右，另一個峰值出現在晚20∶00－22∶00左右，這主要與上下班交通高峰導致的尾氣排放污染和道路揚塵污染等有關［35］。而對于參加奧運會的運動員，應盡量在早上或晚上空氣質量好的時候進行訓練［36］。

對2000年和2004年蘭州大氣污染的監測發現，空氣中的SO2、NO2和總懸浮顆粒物（TSP）濃度變化與季節有關，冬春采暖期SO2、NO2濃度較高，而TSP 濃度春季最高，因此市民冬春季節應選擇小強度運動健身［24］。在連續監測2007年至2008年北京市大氣中PM2.5和PM10日均濃度后發現，PM 在4月至9月溫暖季節與循環系統疾病死亡的關聯比寒冷季節時更強［37］。北京奧運期間PM2.5顆粒物濃度與溫度呈顯著正相關，而與風速、相對濕度及降水相關性不顯著［35］。O3對肺功能的影響在盛夏強于夏末［38］，這提示季節也是影響每天空氣污染物變化的因素。所以應該根據各地的空氣污染物的變化規律以及季節的變化推薦最佳鍛煉時間段。

4 運動對空氣污染危害的預防作用

有些研究認為運動對空氣污染引起的危害具有一定的預防作用。對1998年中國香港居民流行病學調查研究發現［39］，65歲以上不運動老年人與經常運動的老年人相比，空氣污染物CO、O3和PM 導致的額外死亡風險分別升高4.31%，1.75%和3.06%。這說明規律性的運動可以降低污染引起的早死。動物實驗研究顯示［40］，小鼠在模擬汽車尾氣環境下進行5周有氧運動，抑制了空氣污染引起的小鼠肺氣管肺泡灌洗液中IL－6、TNF－α和活性氧的升高，抑制了血漿和肺組織中IL－1β、角質細胞誘導因子和TNF－α的升高。這說明有氧運動對空氣污染引起肺的炎癥有抑制作用［41］。前期在清潔環境的運動經歷對空氣污染的危害有預防作用。

5 展望

空氣污染情況下進行體育鍛煉會對身體各系統產生不良的影響，這種不良的影響是一種長效的作用。目前國內對空氣污染與運動健身的影響缺乏系統的研究，僅有的研究也局限于空氣污染對心血管系統、呼吸系統、免疫系統、生殖系統中單個系統的影響，少見對于多個系統的共同影響研究。同時以人作為研究對象進行指標檢測的研究較多，少有對動物實驗的機理作用的研究。在以往的研究中比較關注單一的污染物對人體健康和運動能力的危害，缺少對不同污染物協同效應影響的精確研究，并且空氣污染與運動的長期效應研究不足，今后更應該進行空氣污染物協同效應與運動健身關系的研究，以期能夠做出科學的風險評估，確保運動員和健身鍛煉人群的長期健康。

［1］Dong G H，Zhang P，Sun B，et al.Long－term exposure to ambient air pollution and respiratory disease mortality in Shenyang，China：a 12－year population－based retrospective cohort study［J］.Respiration，2012，84（5）：360－368.

［2］Folinsbee L J.Human health effects of air pollution［J］.Environ Health Perspect，1993，100（4）：45－56.

［3］Pourazar J，Blomberg A，Kelly F J，et al.Diesel exhaust increases EGFR and phosphorylated C－terminal Tyr 1173in the bronchial epithelium［J］.Part Fibre Toxicol，2008（5）：5－8.

［4］戴海夏.大氣顆粒物健康效應生物學機制研究進展［J］.環境與職業醫學，2003，20（4）：308－311.

［5］Poursafa P，Kelishadi R.Air pollution，platelet activation and atherosclerosis［J］.Inflamm Allergy Drug Targets，2010，9（5）：387－392.

［6］Andersen Z J，Rssschou－Nielsen O，Jensen S S，et al.Diabetes Incidence and Long－Term Exposure to Air Pollution：A cohort study［J］.Diabetes Care，2012，35（3）：92－98.

［7］Cakmak S，Dales R，Leech J，et al.The influence of air pollution on cardiovascular and pulmonary function and exercise capacity：Canadian Health Measures Survey（CHMS）［J］.Environ Res，2011，111（8）：1309－1312.

［8］Lee K，Yanagisawa Y，Spengler J D，et al.Carbon monoxide and nitrogen dioxide exposures in indoor ice skating rinks［J］.J Sports Sci，1994，12（3）：279－283.

［9］Tagaris E，Liao K J，Delucia A J，et al.Potential impact of climate change on air pollution－related human health effects［J］.Environ Sci Technol，2009，43（13）：4979－4988.

［10］Daigle C C，Chalupa D C，Gibb F R，et al.Ultrafine particle deposition in humans during rest and exercise［J］.Inhal Toxicol，2003，15（6）：539－552.

［11］劉哲劍，康健，文振中.城市群眾體育鍛煉情況調查研究——以石家莊市為例［J］.河北體育學院學報，2012，26（6）：12－15

［12］Utell M J，Frampton M W.Acute health effects of ambient air pollution：the ultrafine particle hypothesis［J］.J Aerosol Med，2000，13（4）：355－359.

［13］Devlin R B，Ghio A J，Kehrl H，et al.Elderly humans exposed to concentrated air pollution particles have decreased heart rate variability［J］.Eur Respir J Suppl，2003，40（2）：76－80.

［14］Peters A，Frohlich M，Doring A，et al.Particulate air pollution is associated with an acute phase response in men；results from the MONICA－Augsburg Study［J］.Eur Heart J，2001，22（14）：1198－1204.

［15］Rundell K W，Caviston R.Ultrafine and fine particulate matter inhalation decreases exercise performance in healthy subjects［J］.J Strength Cond Res，2008，22（1）：2－5.

［16］Khafaie M A，Salvi S S，Ojha A，et al.Systemic inflammation（C－reactive protein）in type 2diabetic patients is associated with ambient air pollution in Pune City［J］.India Diabetes Care，2013，36（3）：625－630.

［17］Sharman J E，Cockcroft J R，Coombes J S.Cardiovascular implications of exposure to traffic air pollution during exercise［J］.QJM，2004，97（10）：637－643.

［18］Kleinman M T，Mautz W J.The effects of exercise on dose and dose distribution of inhaled automotive pollutants［J］.Res Rep Health Eff Inst，1991，45（3）：1－40.

［19］Carlisle A J，Sharp N C.Exercise and outdoor ambient air pollution［J］.Br J Sports Med，2001，35（4）：214－222.

［20］Steinvil A，Shmueli H，Ben－Assa E，et al.Environmental exposure to combustion－derived air pollution is associated with reduced functional capacity in apparently healthy individuals［J］.Clin Res Cardiol，2013，102（8）：583－591.

［21］Korrick S A，Neas L M，Dockery D W，et al.Effects of ozone and other pollutants on the pulmonary function of adult hikers［J］.Environ Health Perspect，1998，106（2）：93－99.

［22］Adams W C.Effects of ozone exposure at ambient air pollution episode levels on exercise performance［J］.Sports Med，1987，4（6）：395－424.

［23］Langrish J P，Lundback M，Barath S，et al.Exposure to nitrogen dioxide is not associated with vascular dysfunction in man［J］.Inhalation Toxicology，2010，22（3）：192－198.

［24］楊建文，鄭慧芳，張虎祥，等.蘭州市大氣污染變化規律對健身人群的啟示［J］.現代預防醫學，2008，35（22）：4344－4345.

［25］Barath S，Mills N L，Lundback M，et al.Impaired vascular function after exposure to diesel exhaust generated at urban transient running conditions［J］.Part Fibre Toxicol，2011（7）：19－30.

［26］Bos I，De Boever P，Vanparijs J，et al.Subclinical effects of aerobic training in urban environment［J］.Med Sci Sports Exerc，2013，45（3）：439－447.

［27］劉曉莉，宋憲強，喬德才.大氣污染對戶外體育鍛煉人群心肺功能的影響［J］.中國運動醫學雜志，2007，26（6）：692－695.

［28］Sandstrom T，Helleday R，Bjermer L，et al.Effects of repeated exposure to 4ppm nitrogen dioxide on bronchoalveolar lymphocyte subsets and macrophages in healthy men［J］.Eur Respir J，1992，5（9）：1092－1096.

［29］Kargarfard M，Poursafa P，Rezanejad S，et al.Effects of exercise in polluted air on the aerobic power，serum lactate level and cell blood count of active individuals［J］.Int J Prev Med，2011，2（3）：145－150.

［30］Nicholson J P，Case D B.Carboxyhemoglobin levels in New York city runners［J］.Physician and Sportsmedicine，1983（11）：135－138.

［31］Kippelen P，Fitch K D，Anderson S D，et al.Respiratory health of elite athletes－preventing airway injury：a critical review［J］.Br J Sports Med，2012，46（7）：471－476.

［32］Su J G，Jerrett M，Nazelle A，et al.Does exposure to air pollution in urban parks have socioeconomic，racial or ethnic gradients［J］.Environ Res，2011，111（3）：319－328.

［33］Campbell M E，Li Q，Gingrich S E，et al.Should people be physically active outdoors on smog alert days［J］.Can J Public Health，2005，96（1）：24－28.

［34］馮亞鋒，董長雨，韓勤英.論氣象對體育鍛煉的影響［J］.軍事體育進修學院學報，2013，32（1）：24－26.

［35］張菊，歐陽志云，苗鴻，等.奧運前期與奧運期間北京市大氣細顆粒物特征比較分析［J］.環境科學，2013，34（7）：2512－2518.

［36］McKenzie D C，Boulet L P.Asthma，outdoor air quality and the Olympic Games［J］.CMAJ，2008，179（6）：543－548.

［37］董鳳鳴，莫運政，李國星，等.大氣顆粒物（PM10／PM2.5）與人群循環系統疾病死亡關系的病例交叉研究［J］.北京大學學報：醫學版，2013，45（3）：398－404.

［38］Brunekreef B，Hoek G，Breugelmans O，et al.Respira－tory effects of low－level photochemical air pollution in amateur cyclists［J］.Am J Respir Crit Care Med，1994，150（4）：962－966.

［39］Wong C M，Ou C Q，Thach T Q，et al.Does regular exercise protect against air pollution－associated mortality［J］.Prev Med，2007，44（5）：386－392.

［40］Vieira R P，Toledo A C，Silva L B，et al.Anti－inflammatory effects of aerobic exercise in mice exposed to air pollution［J］.Med Sci Sports Exerc，2012，44（7）：1227－1234.

［41］Farah C，Meyer G，Andre L，et al.Moderate exercise prevents impaired Ca2＋handling in heart of CO－exposed rat：implication for sensitivity to ischemia－reperfusion［J］.Am J Physiol Heart Circ Physiol，2010，299（6）：2076－2081.