冬季顆粒物暴露對體育教師自覺癥狀及肺功能健康影響的研究

王軻，李峰

1. 西北工業大學體育部，西安 710072 2. 西安建筑科技大學體育學院，西安 710055

空氣污染已成為影響機體健康的主要環境因素之一[1]，在空氣污染的環境中進行運動，會加劇顆粒物對人體的傷害，使機體面臨更大的健康風險[2]。流行病學研究發現，顆粒物與呼吸系統疾病的發病率密切相關[3]。作為長期在戶外工作的體育教育工作者來說，如何評估細顆粒物對呼吸系統的危害及對其他系統的不利影響，是體育環境健康領域需要關注的課題。本研究通過問卷調查和個體顆粒物暴露的研究方法，客觀評估不同工作環境、不同教齡和工作時長教師暴露于空氣污染的健康風險，為冬季霧霾天氣下室外體育教師的風險防范提供理論依據。

1 研究對象與方法(Research subject and methods)

1.1 研究對象

選取西安市高校室外體育教師和室內教學教師各80名，其中男性96名，女性64名。體質健康，無既往呼吸系統病史，分為實驗組和對照組，通過問卷調查獲得教齡、日工作時間和吸煙史等基本數據(表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 顆粒物采集與濃度計算

研究實驗于2017年11月13—17日進行，室外體育教師和室內教師均隨身攜帶PM2.5個體采樣器，采樣濾膜為直徑25 mm的玻璃纖維濾膜，采樣流量設定為2 L·min-1，通過8 h不間斷測試(08:00 AM—04:00 PM)，對所有受試者的顆粒物的暴露水平進行測定評價，為了模擬人體呼吸帶的高度，故將采樣器進氣口設定高度約1.6 m左右，共測定5 d。采樣前、后將采樣濾膜恒溫、恒濕條件下稱重3次，取平均值。測試前對所有采樣儀進行統一調試，對教師進行儀器的使用培訓，同時，在測試的過程中進行監督指導，確保測定方法和測試流程符合規范。應用濾膜稱重法計算PM2.5濃度，計算公式如下。

表1 樣本人群人口統計學特征及基本知識調查Table 1 Survey of demographic characteristics and basic knowledge of sample population

式中：c為空氣中PM2.5濃度(μg·m-3)，W1為采樣前濾膜質量(g)，W2為采樣后濾膜質量(g)，V0為換算成標準情況下的采樣體積(m3)。

1.2.2 個人自覺癥狀調查

調查問卷的設計參考美國胸科協會(ATS)-DLD-78-A成人問卷，對呼吸系統疾病結合實際情況進行適當修正。問卷調查的主要內容包括：年齡、呼吸系統癥狀(咳嗽、咳痰、咽部不適、氣喘、鼻部不適癥和呼吸困難)、視-聽系統個人自覺癥狀(視力模糊、眼睛發炎、視力疲勞、視力下降、耳鳴、聽力減弱和聽距下降)與其他指標個人自覺癥狀(關節疼痛、鼻炎觸發率、記憶力下降、易疲勞、情緒多變、睡眠差和感冒次數增多)。調查采用面談的方式，個人癥狀指標值的計算均是通過調查問卷中出現癥狀的人數占總人數的比例所得出，經研究人員對問卷進行審核后抽取1%的進行復核。將收集的資料和問卷調查的結果，經過數學量化轉化為特定的指標值，利用SPSS統計軟件進行統計計算。

1.2.3 肺通氣功能測定

使用意大利Spirolab-IIIMIR便攜式肺功能檢測儀，受檢者取立位，夾鼻深吸氣后用力吹至5 s末，測定肺活量(VC)、用力呼氣肺活量(FVC)、第1秒用力呼氣容量(FEV1)、第1秒用力呼氣容量和用力呼氣肺活量比值(FEV1/FVC)和每分鐘最大通氣量(MVV)，每人重復測試肺通氣功能3次，每次間隔10 min，取其平均值，所有儀器操作均由經過培訓的專人負責測定。

1.3 統計分析

實驗結果采用SPSS 19.0統計軟件處理，計量指標采用單因素方差分析，計算均值±標準差(X±s)，本實驗數據符合正態分布，組間平均值的顯著性差異以t檢驗分析。

2 結果與分析(Results and analysis)

2.1 實驗研究期間室內外顆粒物濃度及溫濕度數據

2.2 室內外教師日均顆粒物暴露劑量的比較

由表3可知，利用單因素方差分析對不同工作時長教師的日均顆粒物暴露劑量的測定得出，室內教師和室外體育教師在個人的顆粒物暴露劑量上呈現出明顯差別。其中，室外工作<3 h和4～6 h的教師的顆粒物暴露組與室內教師工作組比較有顯著性差異(P<0.05)；室外6～8 h工作組與室內組相比有顯著性差異(P<0.01)。

2.3 室內外教師個人自覺癥狀調查分析統計

2.3.1 呼吸系統個人自覺癥狀數據分析

由表4可知，在呼吸系統個人自覺癥狀中，室外教師在“偶爾咳嗽”、“經常咳嗽”、“偶爾吐痰”和“咽部不適”方面與室內教師相比有顯著性差異(P<0.01)；室外組“常咳痰”和“呼吸困難”與室內組相比有顯著性差異(P<0.05)。

表2 室內外顆粒物及溫濕度的差異Table 2 Differences between indoor and outdoor particulate matter concentrations, temperature and humidity

注：與室內組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

表3 室內外教師日均顆粒物暴露劑量的比較Table 3 Comparison of daily average PM2.5 exposure concentrations of indoor and outdoor teachers

注：與室內組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

表4 呼吸系統個人自覺癥狀調查統計Table 4 Personal consciousness symptom survey statistics of respiratory system

注：與室內組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

2.3.2 視-聽系統個人自覺癥狀數據分析

由表5可知，在視-聽系統中，室外教師在“眼睛發炎”、“耳鳴”、“聽力減弱”和“聽距下降”方面與室內教師相比有顯著性差異(P<0.01)；室外組“視力模糊”、“視力疲勞”和“視力下降”指標也顯著性高于室內教師(P<0.05)。

2.3.3 其他指標個人自覺癥狀數據分析

由表6可知，在其他指標個人自覺癥狀中，室外教師的“鼻炎觸發率”、“記憶力下降”和“情緒多變”指標與室內教師相比有顯著性差異(P<0.01)；室外組教師“關節疼痛”、“易疲勞”和“感冒次數增多”等指標與室內教師相比有顯著性差異(P<0.05)。

表5 視-聽系統個人自覺癥狀調查統計Table 5 Personal consciousness symptom survey statistics of visual-listening system

注：與室內組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

表6 其他指標個人自覺癥狀調查統計Table 6 Personal consciousness symptom survey statistics of other indicators

注：與室內組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with indoor group, *P<0.05, **P<0.01.

2.4 室內外教師肺通氣功能的統計分析

2.4.1 顆粒物暴露對不同教齡教師肺通氣功能的統計分析

由表7可知，針對于不同的肺功能指標，隨著教齡的增加，室外組FVC、MVV和VC的指標測試結果逐漸降低，其中和“<5 a”組相比，“6～10 a”組MVV、“11～20 a”組FVC、MVV和VC，“>20 a”組FVC、VC指標有顯著性差異(P<0.05)，MVV有顯著性差異(P<0.01)；而室外組FEV1、FEV1/FVC和PEF隨著教齡的增加而升高，其中和“<5 a”組相比，“6～10 a”組FEV1、FEV1/FVC，“11～20 a”組PEF有顯著性差異(P<0.05)，“>20 a”組FEV1、FEV1/FVC和PEF有顯著性差異(P<0.01)。

2.4.2 室內外不同日工作時長教師肺通氣功能的統計分析

由表8可知，由于工作時間不同，室內外教師在顆粒物暴露下的肺功能指標也不同，其中和“<3 h”組相比，“4～6 h”組FEV1/FVC和PEF有顯著性差異(P<0.05)，“6～8 h”組FEV1/FVC、MVV和PEF有顯著性差異(P<0.05)，FVC、FEV1和VC有顯著性差異(P<0.01)。

2.4.3 顆粒物暴露下教師吸煙史對肺通氣功能的影響

由表9可知，通過單因素方差分析顆粒物暴露下有無吸煙史對各項肺功能指標的影響，結果表明和“有吸煙史”教師相比，“無吸煙史”教師FVC、PEF有顯著性差異(P<0.05)；FEV1/FVC、MVV有顯著性差異(P<0.01)。

3 討論(Discussion)

3.1 實驗研究期間室內外顆粒物濃度及溫濕度數據結果分析

諸多環境毒理學和流行病學研究表明，大氣顆粒物污染會對人體健康造成嚴重危害，其中主要包括呼吸系統疾病以及心血管疾病等[4]。大氣顆粒物的健康效應除了慢性毒性以外，霧霾天的急性顆粒物暴露也會引起機體急性毒性反應[5-6]。同時，由于室內外的空氣交換行為，室外大氣環境的污染，并不能使室內環境成為安全區域，實際上室外大氣污染物仍然是威脅室內環境健康的重要因素[7]。對測試時期的顆粒物測試結果進行方差分析發現，室外的PM2.5和室內相比有顯著性差異，室內外溫度之間有顯著性差異。室內外不同的污染濃度差、顆粒物的不均勻性分布及不同人群對污染負荷的承受能力、污染物的遷移轉化會產生不同的呼吸暴露風險[8]。

表7 不同教齡教師肺通氣功能的統計分析Table 7 Statistical analysis of pulmonary ventilation function in teahers with different teaching experiences

注：FVC表示用力呼氣肺活量，FEV1表示第1秒用力呼氣容量，MVV表示每分鐘最大通氣量，VC表示肺活量，PEF表示峰流速值；與“<5 a”組比較，*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 不同日工作時長教師肺通氣功能的統計分析Table 8 Statistical analysis of pulmonary ventilation function in teachers with different daily working time

注：與“<3 h”組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with “<3 h”group, *P<0.05, **P<0.01.

表9 吸煙史對肺通氣功能影響的統計分析Table 9 Statistical analysis of the impact of smoking history on pulmonary ventilation function

注：與無吸煙史組比較，*P<0.05、**P<0.01。
Note: Compared with the group without smoking history, *P<0.05, **P<0.01.

3.2 室內外教師日均顆粒物暴露濃度的差異性分析

環境暴露評價主要是評價室內污染物質與對人體健康影響之間的關系[9-10]。由于冬季西安霧霾較為嚴重，室內、外教師個人的顆粒物暴露濃度具有顯著性不同。測定數據顯示，室內外教師在個人的顆粒物暴露濃度上差別很大。其中，室外工作<3 h和4～6 h的體育教師暴露組與室內同時間工作組教師比較有顯著性差異(P<0.05)；室外6～8 h工作組與室內同時間工作組相比有顯著性差異(P<0.01)。由于運動項目和場地的限制，室外體育教師不得不暴露于高濃度的顆粒物環境中；另外，由于體育課程的特殊性，在運動過程中隨著呼吸的加深加快，必然會導致更多的細顆粒物攝入和沉積；同時由于顆粒物對人體所造成的健康危害與其理化性質和粒徑分布有直接關系[11]，因此，PM2.5可通過上呼吸道到達肺泡沉積下來，再通過肺泡間質進入血液循環中，造成對機體健康的損害[12]。

3.3 室內外不同組別教師呼吸系統個人自覺癥狀調查結果分析

在顆粒物污染情況下，呼吸系統的表征可以反映機體對污染空氣的適應性[13]。研究結果表明，大氣中不同粒徑的顆粒物，尤其是細顆粒物對呼吸系統的影響，除了與顆粒物的粒徑[14]、傳播方式[15]、氣候條件、個體差異和污染濃度等有關之外，還與個體所處的環境有關。從實驗結果來看，由于室內組教師和室外組教師在個人呼吸系統自覺癥狀調查統計中表現出明顯的差異性，尤其是在咳嗽、咳痰和咽部不適等方面具有顯著性差異(P<0.01)。這主要是因為在本實驗測試期間，西安已進入霧霾天氣，空氣中細顆粒物的濃度升高，進入呼吸道的大氣顆粒物可以刺激和腐蝕肺泡壁，導致教師在長期的戶外工作中鼻腔干燥、呼吸不暢和咳嗽等呼吸系統癥狀發生率增加，呼吸道防御機能受到破壞、肺功能受損，呼吸系統受到慢性損傷。從以往的研究發現，過敏性哮喘和運動誘發支氣管炎的患病率與顆粒物濃度之間存在關聯[16]。本次戶外實驗對象主要為體育教師，因此相對于室內上課的教師，戶外體育教師的運動量要大于室內教師，而隨著運動量的增加，機體的肺通氣量也相對增加，單位時間內吸入的顆粒物也相對較多[17]，可以推斷出這是戶外教師不良呼吸系統癥狀高于室內教師的原因。同時，在霧霾的環境下進行運動，運動時呼吸模式是從單一的鼻腔到呼吸轉變為口-鼻-咽喉的混合呼吸，這會導致鼻腔對空氣的過濾作用降低，加重了大氣污染物質對人體的危害作用。

3.4 室內外不同組別教師視-聽系統個人自覺癥狀調查分析

顆粒物引起的腦功能損害可能與神經炎癥及神經元損傷或丟失有關[18]。本研究結果表明，室外上課教師較室內教師在視力和聽覺的功能表現上出現明顯下降趨勢。機體的視覺系統和聽覺系統的功能取決于主客觀的因素，主要包括物理因素、化學因素、生物因素和心理因素。機體所處自然環境的優劣，是喚起機體各系統對外界應激做出反應的應激源，長期在空氣污染的環境中生活，會顯著增加機體視-聽系統受損的概率。目前其機制主要有2點：(1)顆粒物進入中樞神經系統引起直接損害[19]；(2)顆粒物引起的系統炎癥反應導致間接損害[20]。本實驗中眼睛發炎、聽力減弱和聽距下降3個指標在2組中均表現出顯著差異(P<0.01)，說明霧霾天氣對室外體育教師的部分機能損傷是比較嚴重的。

3.5 室內外不同組別教師其他個人自覺癥狀調查分析

Wen等[21]研究發現，環境污染是影響居民健康狀況的重要因素之一，其污染越嚴重，人們對健康狀況感知就越不好。從室內外個人自覺癥狀調查的其他指標來看，無論感官反應還是機體本體感覺感受器，還是睡眠、心理和情緒等，室外調查數據均高于室內。這說明，冬季霧霾天在室外工作的教師，總體上由于空氣質量而導致的身體和心理及其他自覺癥狀指標的負面值高于室內工作的教師。這是因為，顆粒物對機體的損害作用并不是相互獨立的，而是存在損害的連鎖效應。比如顆粒物進入肺部后，可以通過肺部的自主神經反射引起其他系統產生炎癥反應，肺的自主神經反射直接對心血管系統產生影響[22]；顆粒物在肺局部引起的炎癥反應可進一步促進系統炎癥的發生[23]，而系統炎癥反應可同時反作用于機體的內穩態，導致穩態失衡，對各組織器官產生不良影響。這也提醒室外教師除了要加強個人自我防護之外，相關教育管理部門也應該制定相應的教學管理措施，適當減少或取消霧霾天氣室外教學。

3.6 霧霾天對室內外教師肺通氣功能影響的差異性分析

Alicia等[24]研究發現，呼吸系統是機體獲得氧氣的首要通道，同時也是污染物進入的通道。長期處于污染的空氣中，可引發器官和支氣管痙攣，在增加呼吸道阻力的同時降低呼吸道空氣的流速，從而使機體的呼吸功能下降[25]。尤其是長期在室外工作的教師，對空氣中細顆粒物的感知敏感度會下降，久而久之就會引起呼吸系統的疾病。

FVC是指盡力最大吸氣后，盡力盡快呼氣所能呼出的最大氣量。該指標用以表征將測定肺活量的氣體用最快速呼出的能力。其中，開始呼氣第一秒內的呼出氣量為1 s用力呼氣容積(FEV1)，其臨床應用較廣，常以FEV1/FVC表示。本實驗結果顯示，不同教齡和不同日工作時間的教師的FEV1/FVC的數值也不同，二者存在正相關關系。室外教師FEV1/FVC高于室內組教師，說明室外教師呼吸系統防御功能下降。由于空氣中的PM2.5經上呼吸道進入肺部后，大部分會在肺泡沉積，顆粒物中所含的有害物質通過免疫反應和基因誘導等途徑引起肺部發生炎癥反應，造成肺部疾病[26]。通氣儲備能力試驗，用以衡量胸廓肺組織彈性、氣道阻力和呼吸肌力量。隨著教齡的增加和日工作時間的延長，其MVV的數值降低，二者存在負相關關系。這也許是空氣污染對機體損傷的長期效應累積的結果。在體育課授課過程中需要頻繁進行身體活動，會使機體代謝增強，呼吸頻率加快，氣體交換量增多，每分通氣量隨運動強度加大，在一定范圍內逐漸增大。對于戶外體育教師來說，隨著運動強度的變化，機體的呼吸方式也由單純的鼻式呼吸轉變成為口鼻共用的混合呼吸模式，而混合式呼吸則會在一定程度上減弱鼻腔對空氣的過濾功能，空氣中的顆粒污染物便會直接通過口腔進入呼吸道，再通過肺換氣功能彌散進入血液，明顯增加了污染物對人體的危害作用，這也是MVV下降的機制之一。

VC是一次呼吸的最大通氣量，在一定意義上可反映呼吸機能的潛在能力，作為肺功能狀態的動態生理指標。從室內外教師肺活量的測量結果可以看出，>11 a的教齡和日工作時長>6 h的教師與室內教師有顯著性差異。這主要是由于長期的顆粒物在呼吸道經過截留、碰撞、沉降、擴散和靜電沉淀等，顆粒物因慣性作用不能隨著氣流的前進方向而繼續前進，而在呼吸道表面沉積下來[27]，從而使顆粒物中富集的有毒有害物質改變呼吸道的生理功能狀態，從而干擾肺部的氣體交換，直接影響肺的通氣功能[28]。

PEF又稱呼氣流量峰值，是指用力肺活量測定過程中，呼氣流量最快時的瞬間流速，主要反映呼吸肌的力量及氣道有無阻塞。與FEV1、FEV1/FVC和MVV的數值表現一樣，本測試中，PEF的指標變化與教齡和日工作時長有正相關關系，作為FEV1/FVC的有益補充，表明長期暴露于大氣污染下的室外教師的呼吸系統防御機能有所下降。

綜上所述，冬季霧霾天氣室外體育教師個人的自覺癥狀調查和肺功能生理指標測定均與室內教師有顯著性差異。且隨著教齡的延長和日工作時間的增加，對空氣中細顆粒物的感知敏感度會下降，久而久之就會引起呼吸系統的疾病。同時，相關行政主體部門和監測機構也需要根據不同顆粒污染物在人體呼吸系統的沉積濃度和速度，系統性地對霧霾天氣室內外教師的每日呼吸暴露量及其健康風險進行評價，為解決冬季霧霾天氣體育教學及健康風險預防提供理論依據，也借此希望引起政府和公眾對生活環境大氣質量安全的重視。