空氣污染背景下運(yùn)動(dòng)之利弊研究進(jìn)展

趙一凡，劉 軍

(西安體育學(xué)院 a.研究生部; b.運(yùn)動(dòng)與健康科學(xué)學(xué)院，西安 710068)

運(yùn)動(dòng)不足是心血管疾病、癌癥和2型糖尿病等慢性非傳染性疾病可干預(yù)的風(fēng)險(xiǎn)因素，世界衛(wèi)生組織稱規(guī)律運(yùn)動(dòng)可通過改善體適能而促進(jìn)身心健康[1]．為提高全民健康水平，國家持續(xù)推進(jìn)《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》和《全民健身計(jì)劃(2021—2025)》，民眾參與運(yùn)動(dòng)的積極性逐年提升．但專業(yè)體育場館建設(shè)的滯后尚無法完全滿足民眾需求.據(jù)2021年6月國家體育總局發(fā)布的《2020年全國體育場地統(tǒng)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)》顯示，我國人均體育場地只有2.20 m2，部分只能選擇在戶外進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的群體和經(jīng)常參與戶外運(yùn)動(dòng)的人群，都存在污染空氣中暴露的風(fēng)險(xiǎn)．調(diào)查顯示，2020年，我國337個(gè)城市中有135個(gè)城市空氣質(zhì)量超標(biāo)，占全部調(diào)查對(duì)象的40.1%[2]．在目前空氣污染沒有得到徹底治理之前，民眾從事運(yùn)動(dòng)時(shí)獲得的健康促進(jìn)效應(yīng)和因此增加的在空氣污染中暴露的風(fēng)險(xiǎn)之間的利弊關(guān)系尚需進(jìn)一步評(píng)估.本文通過綜述國內(nèi)外暴露在不同污染程度的環(huán)境中從事運(yùn)動(dòng)鍛煉的風(fēng)險(xiǎn)和益處，給出當(dāng)前空氣污染背景下民眾鍛煉的建議，為相關(guān)從業(yè)者提供參考．

1 空氣中的主要污染物及其危害

空氣中的主要污染物為細(xì)顆粒物(fine particulate matter,PM2.5)、可吸入顆粒物(particulate matter 10,PM10)、臭氧、二氧化硫、二氧化氮和一氧化碳[2]．空氣污染物可對(duì)人體多個(gè)器官系統(tǒng)產(chǎn)生危害，甚至增加死亡風(fēng)險(xiǎn)．聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《全球環(huán)境展望6》中文版報(bào)告顯示，目前空氣污染每年造成600萬至700萬人早逝，即使到21世紀(jì)中葉，預(yù)計(jì)每年仍會(huì)造成450萬至700萬人早逝[3]．據(jù)研究估算，大約有50萬肺癌患者和160萬慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)患者死因與空氣污染有關(guān).另外，約19%的心血管疾病和21%的中風(fēng)死亡患者也可歸因于空氣污染.除此之外，空氣污染還可影響兒童肺功能發(fā)育，導(dǎo)致認(rèn)知功能下降，增加癡呆風(fēng)險(xiǎn)[4]．

2 暴露于空氣污染中運(yùn)動(dòng)的危害與益處

一定劑量的空氣污染暴露的確會(huì)給身體帶來健康風(fēng)險(xiǎn)，但研究同樣提示，參與運(yùn)動(dòng)可以對(duì)包括體重、血壓、胰島素敏感性、脂糖代謝、心臟功能、血管內(nèi)皮功能和體成分組成等各種心血管危險(xiǎn)因素產(chǎn)生積極影響，還可改善心血管系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，增加心力儲(chǔ)備和神經(jīng)自主調(diào)節(jié)能力，減少冠心病和心肌病的流行[5]．空氣污染危害健康，而科學(xué)運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康，因此需要對(duì)暴露于空氣污染下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的利弊關(guān)系進(jìn)行梳理．

2.1 空氣污染中運(yùn)動(dòng)可能加劇污染物對(duì)人體的危害

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下機(jī)體對(duì)能量的需求增加導(dǎo)致需氧量劇增，加之運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)體對(duì)氧氣攝入利用效率降低，攝入1 L氧由安靜時(shí)需要24 L空氣增加為35 L，每分鐘通氣量由安靜時(shí)的6～8 L增加為80～150 L．而且隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，鼻式呼吸改為口鼻并用式，減少了鼻腔對(duì)空氣污染物的過濾，運(yùn)動(dòng)時(shí)氣體流速和肺部氣體彌散速率增強(qiáng)，使進(jìn)入血液中的污染物增加[6]．運(yùn)動(dòng)時(shí)顆粒物的沉積總數(shù)比安靜時(shí)高出4.5倍以上.口式呼吸時(shí)，顆粒物的沉積數(shù)量更高，沉積數(shù)量會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間延長而增加[7]，運(yùn)動(dòng)時(shí)吸入的污染物明顯超過了安靜狀態(tài).污染物吸入量的增加，可能會(huì)加劇對(duì)人體的危害．

2.1.1 空氣污染可能會(huì)降低運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管系統(tǒng)和心肺功能的益處

研究顯示，在空氣污染嚴(yán)重地區(qū)運(yùn)動(dòng)兒童的最大攝氧量，明顯低于在低污染地區(qū)運(yùn)動(dòng)的兒童，空氣污染會(huì)降低肺功能和運(yùn)動(dòng)能力，使血壓升高，危害心血管系統(tǒng)[8]．PM2.5濃度每增加10 μg/m3，高血壓的發(fā)病率就會(huì)增加11%[9]．動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，在二氧化硫污染的環(huán)境下運(yùn)動(dòng)不僅會(huì)抵消運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管系統(tǒng)的益處，還會(huì)產(chǎn)生更多的不利影響[10]．健康成年人、COPD和缺血性心臟病患者分別在污染較少的公園(4.78 km)和高污染街道(4.62 km)步行2 h后發(fā)現(xiàn)，在低污染的公園步行后，第1秒用力呼氣量(forced expiratory volume in the first second of exhalation ,FEV1)和用力肺活量(forced vital capacity ,FVC)等反應(yīng)肺功能的指標(biāo)均增強(qiáng)，健康成年人動(dòng)脈僵硬度降低，COPD患者和缺血性心臟病患者脈搏波傳導(dǎo)速度(pulse wave velocity,PWV)降低，然而在高污染街道步行后，不僅失去了這些益處，甚至還會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響.作者認(rèn)為產(chǎn)生這種結(jié)果與在街道步行時(shí)暴露于二氧化氮、超細(xì)顆粒和PM2.5的增加有關(guān)[11]．

2.1.2 空氣污染中運(yùn)動(dòng)可能加重炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激

體內(nèi)氧化應(yīng)激增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)體產(chǎn)生系統(tǒng)性的慢性炎癥，進(jìn)而導(dǎo)致血管功能受損和動(dòng)脈粥樣硬化[12]．氧化應(yīng)激損傷和炎性損傷相互關(guān)聯(lián)，氧化應(yīng)激產(chǎn)物能刺激巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞，增加促炎因子腫瘤壞死因子-α(tumour necrosis factor α,TNF-α)和白介素1β(interleukin 1β,IL-1β)等分泌，炎癥反應(yīng)又會(huì)加劇活性氧(reactive oxygen species，ROS)產(chǎn)生，增加氧化應(yīng)激，對(duì)機(jī)體造成傷害[13]．在空氣污染下運(yùn)動(dòng)可加重人體的炎性反應(yīng)，在空氣污染中運(yùn)動(dòng)的受試者，血清中促炎因子TNF-α的含量，顯著高于在空氣污染中不運(yùn)動(dòng)的受試者[14]．PM2.5還可通過損傷支氣管上皮細(xì)胞和肺泡巨噬細(xì)胞，使細(xì)胞分泌的ROS、TNF-α和IL-1β含量升高，并且降低了超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性[15]．

2.2 運(yùn)動(dòng)對(duì)健康的效應(yīng)可能緩解空氣污染中暴露的危害

短期處于PM2.5較高的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，不會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和心肺功能下降，參與者在較高PM2.5(濃度為19.1～42.5 μg/m3)的地方和低PM2.5(濃度為0.6～14.7 μg/m3)的地方進(jìn)行3 200 m跑步試驗(yàn)時(shí)，除了感到呼吸不適外，跑步所用時(shí)間、運(yùn)動(dòng)后即刻心率、FVC和FEV1沒有顯著差異[16]．一項(xiàng)在香港(年平均PM2.5濃度為35 μg/m3)的研究表明，運(yùn)動(dòng)帶來的長期益處不會(huì)因空氣污染而減弱，無論在高濃度(≥35.3 μg/m3)或低濃度(<35.3 μg/m3)的PM2.5環(huán)境下暴露，每周代謝當(dāng)量小時(shí)數(shù)(hours of metabolic equivalent per week，MET-h/week)<1時(shí)，死亡風(fēng)險(xiǎn)較高；當(dāng)每周代謝當(dāng)量小時(shí)數(shù)≥1直至到21MET-h/week以上時(shí)，都會(huì)降低死亡風(fēng)險(xiǎn)[17]．一項(xiàng)對(duì)104 990名參與者的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，即使長期在PM2.5下暴露，運(yùn)動(dòng)均可使心血管疾病、心肌梗死、中風(fēng)死亡率總體風(fēng)險(xiǎn)降低[18]．因此，在空氣污染背景下應(yīng)保持適宜運(yùn)動(dòng)，而不應(yīng)該盲目停止運(yùn)動(dòng)．

2.2.1 運(yùn)動(dòng)可以增強(qiáng)心肺功能,保護(hù)心血管系統(tǒng)

在低污染環(huán)境下，即便是低強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)對(duì)心血管健康也是有益的，可以防止空氣污染對(duì)心血管的不利影響[19]．有研究表明，運(yùn)動(dòng)可通過增加粘液纖毛清除、改善肺功能、增強(qiáng)抗炎反應(yīng)，以降低空氣污染對(duì)心血管和心肺功能的負(fù)面影響,但也應(yīng)避免在諸如靠近交通繁忙的公路等高污染環(huán)境下運(yùn)動(dòng)[20]．在低污染環(huán)境下，進(jìn)行中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)還可以提高肺功能，保護(hù)心血管系統(tǒng)[21]．一項(xiàng)對(duì)31 162名參與者的研究發(fā)現(xiàn)，暴露在高水平空氣污染中，有較高的動(dòng)脈粥樣硬化性心血管疾病(atherosclerotic cardiovascular diseases，ASCVD)風(fēng)險(xiǎn)，在過去10年里，PM2.5、PM10和二氧化氮每增加1 μg/m3，ASCVD風(fēng)險(xiǎn)分別增加9.1%、4.6%和6.4%，然而運(yùn)動(dòng)可以減弱這些風(fēng)險(xiǎn)[22]．PM2.5可增加動(dòng)脈硬化程度，經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的受試者因PM2.5增加的動(dòng)脈硬化程度被緩減，這表明長期規(guī)律運(yùn)動(dòng)可以改善心血管健康，增強(qiáng)心血管系統(tǒng)對(duì)空氣污染物的抵抗力[23]．即使在濃度≤15 μg/m3、15 μg/m3到≤25 μg/m3、25 μg/m3到≤35 μg/m3和>35 μg/m3等4種不同水平的PM2.5(濃度最高值為50.3 μg/m3)中暴露，運(yùn)動(dòng)依然可以預(yù)防高血壓的發(fā)展[24]．

2.2.2 運(yùn)動(dòng)可以調(diào)節(jié)免疫功能、減輕空氣污染導(dǎo)致的炎性反應(yīng)和氧化應(yīng)激

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)動(dòng)可改善PM2.5暴露導(dǎo)致的免疫紊亂，恢復(fù)被PM2.5暴露所破壞的T細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，增強(qiáng)機(jī)體對(duì)PM2.5的抵抗能力，減輕所引起的炎癥反應(yīng)[25]．與非運(yùn)動(dòng)組相比，暴露于PM2.5下進(jìn)行中等強(qiáng)度游泳的大鼠肝臟TNF-α含量明顯降低，而高強(qiáng)度游泳后大鼠肝臟中TNF-α升高[26]，說明除了空氣污染程度，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度也是影響運(yùn)動(dòng)能否獲益的主要因素．運(yùn)動(dòng)還可以增加骨骼肌(如腓腸肌)中的SOD活性，從而減少氧化應(yīng)激，降低脂質(zhì)過氧化[27]．運(yùn)動(dòng)可引起肌肉中白介素6(Interleukin 6，IL-6)、白介素10(Interleukin 10，IL-10)等抗炎因子表達(dá)升高，通過抑制TNF-α，并刺激釋放白介素-1受體拮抗劑(Interleukin 1 receptor antagonist，IL-1ra)，從而限制IL-1β信號(hào)傳導(dǎo)發(fā)揮直接抗炎作用[28]．運(yùn)動(dòng)還可以通過增加腸道微生物多樣性，抑制腸道淋巴細(xì)胞中TNF-α的表達(dá)，增加IL-10的表達(dá)而促進(jìn)抗炎[29]．運(yùn)動(dòng)時(shí)能量消耗加大，誘導(dǎo)線粒體體積和數(shù)量變化，線粒體通過調(diào)節(jié)ROS和活性氮(reactive nitrogen species，RNS)影響腸道微生物組組成；運(yùn)動(dòng)還可通過產(chǎn)生為腸壁上皮細(xì)胞提供能源的短鏈脂肪酸調(diào)節(jié)腸道菌群，腸道菌群組分改變可影響腸道通透性，降低腸道微生物通過腸腔向血液循環(huán)的轉(zhuǎn)移，減少全身炎癥反應(yīng)(圖1)[30-31]．

圖1 運(yùn)動(dòng)可通過調(diào)節(jié)腸道微生物相關(guān)變化減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)

3 空氣污染背景下的運(yùn)動(dòng)建議

研究發(fā)現(xiàn)，在低中濃度PM2.5(濃度<26.43 μg/m3)或PM10(濃度<49.92 μg/m3)中暴露時(shí)，每周代謝當(dāng)量分鐘數(shù)(minutes of MET per week，MET-min/week)≥1 000時(shí)，會(huì)降低患腦血管疾病(cerebrovascular disease，CVD)的風(fēng)險(xiǎn)；每周代謝當(dāng)量分鐘數(shù)如果降為0或者在1-499 MET-min/week時(shí)，會(huì)增加患CVD的風(fēng)險(xiǎn)；而在高PM2.5(濃度≥26.43 μg/m3)或PM10(濃度≥49.92 μg/m3)中暴露，每周代謝當(dāng)量分鐘數(shù)高于1 000時(shí)，患CVD的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)增加[32]．并且在PM2.5濃度為100 μg/m3的地區(qū)，每天騎行90 min或步行10 h以上，危害就會(huì)大于益處[33]．因此，在低濃度或中濃度的空氣污染下運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)對(duì)人體的健康促進(jìn)效益大于空氣污染暴露所帶來的危害；而在高濃度的空氣污染下運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣污染暴露對(duì)人體的危害大于運(yùn)動(dòng)帶來的健康效益．

面對(duì)空氣污染，人們不應(yīng)完全停止運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)前應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)環(huán)境的空氣污染程度和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度．應(yīng)在一天內(nèi)空氣污染濃度較低的時(shí)間，選擇低污染地區(qū)(如避開工廠及公路兩旁)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)．同時(shí)，可以考慮在膳食中增加新鮮果蔬等富含抗氧化劑(維生素E、維生素C、β-胡蘿卜素)的食物，以減少空氣污染對(duì)健康的不利影響．

運(yùn)動(dòng)人群最好能夠關(guān)注當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量指數(shù)(Air Quality Index，AQI)預(yù)報(bào)進(jìn)行選擇性運(yùn)動(dòng)．當(dāng)AQI為0～50(優(yōu))或51～100(良)時(shí)，可進(jìn)行低、中、高任意強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)以促進(jìn)身體健康，但要根據(jù)自身的健康狀況選擇適宜的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷，循序漸進(jìn)；當(dāng)AQI為101～150(輕度污染)時(shí)可進(jìn)行中等強(qiáng)度持續(xù)或間歇運(yùn)動(dòng)，以提高心肺功能，降低空氣污染對(duì)人體造成的損害；當(dāng)AQI為151～200(中度污染)時(shí)可采取措施(比如戴口罩、或者在公園)從事低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)以促進(jìn)身體健康，而不建議盲目停止運(yùn)動(dòng)；當(dāng)AQI為201～300(重度污染)或>300(嚴(yán)重污染)時(shí)則不建議在室外運(yùn)動(dòng)，推薦在空氣質(zhì)量較好的室內(nèi)場館或者居家進(jìn)行運(yùn)動(dòng)．

4 結(jié)論

適宜運(yùn)動(dòng)對(duì)各類人群均有好處，但運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸深度和通氣量的提升，增加了空氣污染物進(jìn)入身體的機(jī)會(huì)和數(shù)量，因此，運(yùn)動(dòng)應(yīng)該充分考慮所處環(huán)境中空氣污染的程度．空氣污染和缺乏運(yùn)動(dòng)都是非傳染性疾病的重要風(fēng)險(xiǎn)因素，但二者之間仍然存在矛盾，患有具體疾病的人群運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)方案尚不明晰．后續(xù)研究應(yīng)傾向于理清各種污染物的致傷機(jī)制和對(duì)人體危害的閾值范圍，便于民眾在空氣污染尚未得到徹底治理之前合理安排運(yùn)動(dòng)，使運(yùn)動(dòng)促進(jìn)健康的效益最大化．