PM污染對運動員健康和運動表現(xiàn)的影響

樂生龍，毛麗娟，田 萌，胡 軍

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，空氣污染特別是空氣顆粒物（particulate matters，PM）污染日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為社會普遍關(guān)心的問題[1-3]。PM污染是霧霾天氣污染加重的主要原因。越來越嚴(yán)重的霧霾影響人們的生活和健康。霧霾，特別是PM污染，對于運動的影響也開始受到關(guān)注，例如在霧霾中進(jìn)行的2013年中國網(wǎng)球公開賽。大量研究發(fā)現(xiàn)急性和長期暴露于空氣顆粒污染物中都會給人體呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)帶來不良影響[4-7]。進(jìn)入體內(nèi)的空氣顆粒物會引起機(jī)體產(chǎn)生氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[8-10]。那么，在高空氣顆粒物污染的環(huán)境下進(jìn)行體育運動身體會有什么樣的反應(yīng)？空氣顆粒物對于運動員健康會造成什么影響？對運動表現(xiàn)又會產(chǎn)生什么樣的影響？目前關(guān)于這方面的研究還很少。本文將對已有PM對運動員健康和運動表現(xiàn)的影響方面的研究成果進(jìn)行綜述，以期為有關(guān)研究的開展和高污染環(huán)境下的運動提供借鑒與參考。

1 空氣顆粒物（Particulate Matter，PM）定義與分類

空氣顆粒物是指空氣中存在的各種固態(tài)和液態(tài)的顆粒狀物質(zhì)。根據(jù)空氣動力學(xué)直徑，空氣顆粒物分為：總懸浮顆粒物和可吸入顆粒物。可吸入顆粒物是指空氣動力學(xué)直徑≤10 μm的容易被鼻嘴吸入的大氣顆粒物，通常稱為PM10。PM10進(jìn)一步細(xì)分為：可沉積于上呼吸道的直徑為2.5~10 μm的粗顆粒物；直徑≤2.5μm的微細(xì)顆粒物（PM2.5）；直徑≤0.1 μm的超細(xì)顆粒（PM0.1）。PM2.5和PM0.1可沉積于細(xì)支氣管和肺泡[11]。PM0.1可透過肺泡間質(zhì)進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)[12]?？諝忸w粒物的來源很多。以北京地區(qū)為例，除去氣候因素，可吸入顆粒物污染的主要來源包括汽車尾氣、燃煤污染和揚塵等[13]。

可吸入顆粒物含有諸多有毒物質(zhì)，如多環(huán)芳烴、二氧化硫、硝酸鹽、金屬化合物、放射性物質(zhì)和生物氣溶膠等。其對人體的危害程度主要取決于顆粒物的理化性質(zhì)和來源?？諝忸w粒物的濃度和暴露時間決定吸入量和對機(jī)體的危害程度；顆粒物的粒徑會影響其在呼吸道內(nèi)的滯留與清除。一般情況下，顆粒物粒徑越小，就越容易長時間滯留體內(nèi)，從而使所含有毒物質(zhì)更容易轉(zhuǎn)移到身體其他部位，加劇健康危害。由于PM2.5會進(jìn)入到更深的呼吸道和肺部從而產(chǎn)生更大毒性，人們需要PM2.5單獨細(xì)分出來。而由于PM0.1會部分沉積在肺泡上，并且可能進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，其危害性更大[14,15]。但是環(huán)保部門并沒有將其單獨列入監(jiān)測范圍。大部分PM毒性研究主要關(guān)注PM0.1，實地研究主要測量的則是PM1。

運動可能會加劇PM對人體的危害。一方面，運動會導(dǎo)致PM在肺部沉積量增大。一般情況下吸入體內(nèi)的PM2.5則大約有9%會沉積在肺部[16]。在高PM環(huán)境下運動時，PM尤其是PM0.1在肺部沉積程度將增大。當(dāng)進(jìn)行中等強(qiáng)度運動（每分通氣量為38 l/min）時，PM0.1的肺部沉積量增加4.5倍[15]。另一方面，運動時呼吸加劇導(dǎo)致的呼吸道上皮細(xì)胞損傷可能使PM更易于進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)而對人體產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。這兩方面原因都可能加劇PM對人體的危害。

2 空氣顆粒物的毒性

近年來，關(guān)于PM的研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展。但是，研究人員對PM的毒性機(jī)制仍然沒有完全清晰的認(rèn)識。現(xiàn)階段的研究認(rèn)為PM的主要毒性機(jī)制為：炎癥損傷機(jī)制、氧化應(yīng)激機(jī)制、損傷內(nèi)皮和影響血管舒縮功能[4]。

吸入體內(nèi)的PM首先會與呼吸道上皮襯液發(fā)生接觸。此時機(jī)體可能就發(fā)生最初的PM解毒。體外實驗表明當(dāng)上皮襯液暴露于炭黑之后，其中所含抗氧化物質(zhì)減少[17]。而運動時肺通氣量增大，肺泡內(nèi)濕度減低，使呼吸道表面粘液減少，從而減弱了這種解毒作用，致使PM對呼吸道產(chǎn)生更大的影響。同時，肺部會對PM誘發(fā)的氧化應(yīng)激產(chǎn)生保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)大鼠的肺組織暴露在汽柴油燃燒排放的PM時，其中抗氧化物質(zhì)急劇增加兩倍[18]。由于高PM暴露后肺部上皮細(xì)胞襯液中谷胱甘肽顯著減少（只到暴露前20%）[18]，導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)中硝基谷胱甘肽（S-nitrosoglutathione，GSNO）減少，而GSNO是調(diào)節(jié)哮喘呼吸道中白三烯（leukotriene，LT）的生成的重要因素[19]。GSNO增加，抑制LT生成；GSNO減少，LT生成增加。這可能是PM誘發(fā)的LT生成增加的原因。

高PM暴露下運動會對肺功能造成損傷。運動期間吸入PM可能造成肺功能減弱、哮喘/支氣管痙攣加重、擴(kuò)散容量減小、肺動脈高血壓、心血管反應(yīng)和運動表現(xiàn)變差。McCreanor等比較了哮喘患者在空氣污染嚴(yán)重的繁華街道和空氣質(zhì)量較好的公園道路上步行2 h的肺功能變化[20]，在空氣污染嚴(yán)重的繁華街道上步行2 h之后，被試者的用力肺活量（FVC）和1 s用力呼吸量（FEV1）都顯著減少；而在空氣質(zhì)量較好的公園道路步行2 h之后，肺功能則沒有發(fā)生明顯變化（見圖1）。同時，健康個體在高PM暴露下運動也可能造成肺功能減弱。Kenneth等研究高PM1暴露和低PM1暴露下跑步30 min（85%~90%最大心率）對健康個體肺功能的影響[19]。該研究發(fā)現(xiàn)高PM1暴露下健康個體的肺功能出現(xiàn)輕微的顯著性減弱。另外，高PM暴露下訓(xùn)練和比賽的運動員中哮喘、運動誘發(fā)支氣管痙攣的發(fā)病率很高——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非運動員和低PM暴露的運動員。

高PM暴露下運動會損傷血管內(nèi)皮并影響血管舒縮功能。高PM暴露下運動30 min會引起肱動脈收縮，影響正常血管內(nèi)皮功能、減弱血流調(diào)控舒張反應(yīng)及減弱肌肉微循環(huán)的再氧合[21]。Cutrufello等研究發(fā)現(xiàn)高PM暴露下運動20 min就會造成肺動脈壓增大和血管內(nèi)皮依賴性舒張功能受損[22]。這些變化都可能對肌肉機(jī)能產(chǎn)生影響，從而影響運動員健康和運動表現(xiàn)。

3 運動員的空氣顆粒物暴露情況

圖1 高PM下和低PM下步行2 h哮喘患者肺功能變化圖[20]Figure 1 Lung Function Changes of an Asthma Patient after Two-hour Walk in High PM Environment and Low PM Environment

運動員的高PM暴露主要可能發(fā)生在以下幾種情況：PM高污染地區(qū)、靠近高速公路的體育場、溜冰場、滑雪板打蠟室。

由于工業(yè)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，當(dāng)前我國PM污染非常嚴(yán)重。以上海為例，2003至2005年間，PM2.5年平均濃度為94.6μg·m-3，比美國國家環(huán)保局制定的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高近7倍[1]。運動員在此種環(huán)境下運動，尤其是在室外，必然會暴露于高PM之下。

由于汽柴油燃燒會產(chǎn)生大量的顆粒物，因此汽車尾氣是PM的主要污染來源。位于高速公路旁的體育場館內(nèi)的PM水平較高[23]，在其中訓(xùn)練比賽的運動員會暴露于高PM中。

對于冰上項目運動員，溜冰場中內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的制冰機(jī)工作時會產(chǎn)生大量尾氣，使得空氣中PM含量很高[24]。研究發(fā)現(xiàn)使用電力驅(qū)動制冰機(jī)的溜冰場空氣中PM水平與周邊環(huán)境空氣沒有差別，但使用內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的制冰機(jī)的溜冰場中PM水平比周圍空氣要高約30倍[24]。訓(xùn)練比賽期間反復(fù)吸入低溫干燥的空氣，加上溜冰場的高PM1，冰上項目運動員可能發(fā)生運動誘發(fā)性支氣管痙攣或呼吸道損傷。花樣滑冰運動員、冰球運動員和短道速滑運動員中20%~43%的運動誘發(fā)支氣管痙攣發(fā)病率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國10%的哮喘發(fā)病率和夏季奧運會的運動員的發(fā)病率[25-28]。

對于滑雪運動員，日?；┌宕蛳灝a(chǎn)生的煙霧是PM的主要接觸源之一。當(dāng)前大部分滑雪板用蠟中含有的氟會對肺功能產(chǎn)生不良影響[29]。熱打蠟時空氣中超細(xì)含氟顆粒物，比正常高25倍。這種反復(fù)的高PM暴露，加上訓(xùn)練比賽時吸入大量干燥低溫空氣，可能是北歐滑雪者呼吸道功能失常的發(fā)病原因。

4 空氣顆粒物和運動表現(xiàn)

在高PM環(huán)境下進(jìn)行短時間大強(qiáng)度運動，運動表現(xiàn)會減弱[33,34]。Kenneth和Renee讓15名健康男性冰球運動員分別在低PM環(huán)境下和高PM環(huán)境下進(jìn)行2次6 min盡力功率自行車功率測試。2次測試之間間隔3 d。研究發(fā)現(xiàn)高PM暴露下第1次運動的表現(xiàn)與低PM暴露下的表現(xiàn)沒有差別，但是3 d后第2次運動的表現(xiàn)則減弱（見圖2A）[31]。高PM暴露下進(jìn)行1次單獨的6 min極量運動，其運動表現(xiàn)并不會受到影響，但是，受第1次運動身體產(chǎn)生免疫反應(yīng)的影響，3 d后第2次6 min極量運動的運動表現(xiàn)變差。另一個研究中，16名男性大學(xué)運動員分別在低PM環(huán)境下和高PM環(huán)境下進(jìn)行2次6 min盡力功率自行車功率測試。2次測試之間間隔24 h，每次測試之前在同樣環(huán)境下進(jìn)行20 min 60%最大心率強(qiáng)度的功率自行車騎行。結(jié)果顯示高PM暴露下2次6 min極量運動的運動表現(xiàn)都變差[30]（見圖2B）。前一個研究中6 min測試之前沒有包含20 min的中等強(qiáng)度的運動[31]。由此可見，高PM暴露下20 min中等強(qiáng)度運動就會讓身體產(chǎn)生明顯反應(yīng)。高PM暴露下運動表現(xiàn)減少量分別為大約5%[31]和3%[30]。但是，運動前單獨的高PM暴露似乎不會影響之后立即進(jìn)行的運動表現(xiàn)。Luisa等研究發(fā)現(xiàn)運動前60 mim高PM2.5（300 μg/m3）暴露不會對之后的耐力運動表現(xiàn)產(chǎn)生影響[32]。

圖2 高PM下和低PM下6 min極量運動的功[33,34]Figure 2 Power of 6-minute Exhaustive Exercise in High PM Environment and Low PM Environment

高PM環(huán)境可能會對體育比賽產(chǎn)生影響。最近一個研究對7個美國馬拉松賽過去比賽的男女前三名的成績、比賽日的天氣狀況和空氣污染狀況進(jìn)行分析[33]。該研究發(fā)現(xiàn)空氣污染指標(biāo)中PM10與女性的馬拉松成績存在負(fù)相關(guān)。PM10每增加10 μg/m3，比賽成績下降1.4%。這說明女性可能更加容易受到高PM暴露的影響。因此，當(dāng)人們在高PM環(huán)境下進(jìn)行比賽時，應(yīng)該考慮到這些因素可能對比賽產(chǎn)生的影響，并采取一定措施。

高PM暴露下運動會導(dǎo)致肺部動脈血壓顯著升高[30]、，血流調(diào)控舒張功能減弱[30,31]。而運動表現(xiàn)與血管功能之間明顯相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)健康個體吸入PM0.1在24 h之后，機(jī)體產(chǎn)生的反應(yīng)包括舒張壓升高、心率變異性減小和肱動脈血管舒張受損[21]。同樣的，研究通過近紅外光譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)PM暴露下前臂缺血之后的機(jī)體再氧合速度變慢，這說明微循環(huán)中血管縮窄、血流量顯著減少[21]。運動前高PM暴露會造成影響運動時的肺功能并增大運動時的心率[32]。這些可能都會影響運動表現(xiàn)。另外，PM造成的血管功能失調(diào)可能導(dǎo)致心臟負(fù)擔(dān)增加，從而可能影響心輸出量以及運動表現(xiàn)。

正如在治療哮喘時所起的作用一樣，平喘藥孟魯斯特（Montelukast）可以減弱PM吸入之后肱動脈有關(guān)的血管功能失調(diào)[34]。這種保護(hù)作用可能是改善高PM環(huán)境下運動表現(xiàn)的潛在措施。

5 結(jié)論與展望

現(xiàn)有研究表明高PM環(huán)境下進(jìn)行體育運動會對健康人群和哮喘患者的肺功能和血管功能產(chǎn)生不良影響。在高PM暴露下進(jìn)行高強(qiáng)度運動時，運動表現(xiàn)會變差。由于高PM污染環(huán)境下運動會使得呼吸道和系統(tǒng)性氧化應(yīng)激增強(qiáng)，長期如此可能造成肺功能減弱及血管功能失調(diào)。

盡管已有大量流行病學(xué)和實驗研究表明，空氣顆粒物與呼吸系統(tǒng)疾病、心血管疾病發(fā)病和死亡存在關(guān)聯(lián)，但目前還沒有關(guān)于空氣顆粒物污染下運動對運動員健康和運動表現(xiàn)影響的系統(tǒng)全面的研究，特別是長期在空氣顆粒物污染環(huán)境下進(jìn)行運動，還需要對有關(guān)影響機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步深入研究。我國作為空氣污染較重的國家，對于空氣顆粒物污染環(huán)境下運動的影響機(jī)制的研究將為解決高污染環(huán)境下體育鍛煉問題、運動訓(xùn)練問題及修改制定相關(guān)政策法規(guī)提供科學(xué)依據(jù)。

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