青少年體力活動中環(huán)境健康風險評估的呼吸暴露參數(shù)研究進展

董靜梅夏麗俞益郎佳瑩陳佩杰

1同濟大學運動與健康研究中心（上海 200092）2上海體育學院運動人體科學學院（上海 200092）

青少年體力活動中環(huán)境健康風險評估的呼吸暴露參數(shù)研究進展

董靜梅1夏麗1俞益1郎佳瑩1陳佩杰2

1同濟大學運動與健康研究中心（上海 200092）2上海體育學院運動人體科學學院（上海 200092）

目的：針對中國城市霧霾日益嚴重與青少年體質下降的嚴峻現(xiàn)實，借鑒環(huán)境健康風險評估的方法，探討中國青少年環(huán)境健康暴露參數(shù)的現(xiàn)狀及其要解決的迫切問題。方法：通過文獻綜述法對美國、加拿大、日本等國家的青少年環(huán)境健康評價中暴露參數(shù)的研究內容、測試指標及其方法進行對照。結果：本研究推薦將呼吸速率和活動模式作為空氣污染風險評估的主要呼吸暴露參數(shù)，根據呼吸速率與體力活動的量變關系，提出體力活動是青少年環(huán)境健康風險評估的關鍵性呼吸暴露參數(shù)，其研究可基于污染物特定劑量-反應關系，通過對霧霾濃度的監(jiān)測和人群暴露行為活動模式的調查，建立青少年體力活動時間-活動模式的劑量關系，用一定的風險評估模型預測出特定污染物下的體力活動安全運動強度、運動時間、運動形式的安全界值。結論：鑒于我國環(huán)境與健康風險評估中兒童暴露參數(shù)手冊的缺失，尤其“時間－活動”模式的數(shù)據不足，迫切要求在我國開展兒童呼吸暴露參數(shù)的調查研究，制定不同環(huán)境污染級數(shù)的青少年體力活動指南。

環(huán)境污染；青少年；體力活動；環(huán)境健康風險評估；呼吸暴露參數(shù)；呼吸速率

青少年體質健康問題已經引起社會的廣泛關注，而體力活動不足是引起青少年體質下降的重要因素之一。目前我國青少年體力活動水平達到世界衛(wèi)生組織（WHO）推薦量的比例男生為17.6%，女生僅為7.7%[1]。近幾年日益嚴重的城市霧霾迫使教育部減少或停止中小學生課外體育等戶外活動時有發(fā)生，這無疑為本就體力活動不足的青少年體質健康雪上加霜。

在面對青少年體質下降，又因城市霧霾而不得不減少或停止學生戶外體力活動的矛盾中，我們有必要對青少年體力活動環(huán)境健康風險評估的重要組成因素——暴露參數(shù)進行分析，通過對暴露參數(shù)的組成因素的可控條件與影響青少年體力活動的量變關系的研究，建立我國霧霾環(huán)境與體力活動健康風險的暴露參數(shù)手冊，在城市霧霾環(huán)境惡化的不可控環(huán)境因素中尋求有利于青少年體質健康促進的方法效策，為霧霾天氣時制定我國學生體育課與課外體力活動指南提供理論支持。

1 環(huán)境與健康關系

世界衛(wèi)生組織（WHO）在2009年發(fā)布的研究報告指出，在世界范圍內，因城市空氣顆粒物污染導致大約每年八十萬人死亡[2]。我國每年歸因于環(huán)境相關因素的疾病負擔為21%，比美國高8%[3]。因此WHO也提出了一種全新的大健康觀——“六維健康觀”，這種新型的健康觀念包括身體健康（科學膳食、平衡營養(yǎng)）、心理健康、智力健康、精神健康、社會健康和環(huán)境健康，其中環(huán)境健康是在全球都面臨的環(huán)境惡化的背景下提出并凸顯其在人體健康中的重要作用。尤其是我國城市霧霾嚴重，城市空氣與環(huán)境污染嚴重的情況下，隨著環(huán)境污染因素在影響人群健康風險因素中比例的增加以及各類環(huán)境健康損害事件的日益頻發(fā)，環(huán)境與健康問題逐漸受到了政府和科研工作者的普遍關注，環(huán)境與健康關系研究也越來越深入，與環(huán)境緊密相關的健康風險評估應運而生。

2 環(huán)境健康風險評估的暴露參數(shù)

環(huán)境健康風險評估（health risk assessment，HRA）是把環(huán)境污染與人體健康聯(lián)系起來的一種評價方法，通過估算有害因子對人體發(fā)生不良影響的概率來評價暴露于該因子下人體健康所受的影響，其特點是以風險度作為評價指標，把環(huán)境污染程度與人體健康聯(lián)系起來，定量地描述污染物對人體產生的健康危害[4]。環(huán)境健康風險評估是基于對污染物認識比較清楚的危害特性和劑量-反應關系，通過對環(huán)境暴露濃度的監(jiān)測結果和人群暴露行為的調查，遵循特定的規(guī)程，用一定的風險評估模型預測出特定暴露狀態(tài)下污染物的健康風

險[5]。

暴露參數(shù)（exposure factor）是決定人體對環(huán)境污染物的暴露劑量和健康風險的關鍵性參數(shù)[6]，是用來描述人體經呼吸道、消化道和皮膚暴露于環(huán)境污染物的行為和特征的參數(shù)，因而暴露參數(shù)有呼吸暴露參數(shù)、口腔暴露參數(shù)、皮膚暴露參數(shù)以及行為活動模式暴露參數(shù)。呼吸速率和活動模式是空氣污染健康風險評價中的主要呼吸暴露參數(shù)[7]。

3 空氣污染常用的暴露參數(shù)及其測試指標與方法

3.1呼吸暴露參數(shù)

呼吸暴露參數(shù)是人體經呼吸道對污染物暴露的日均劑量，其計算公式為：

公式（1）中，ADD為經呼吸道暴露某種化合物的劑量[mg/（kg·d）]；C為環(huán)境空氣中該化合物的質量濃度（mg/m3）；IR為呼吸速率（m3/d）；ET為每天暴露時間（min/d）；ED為暴露持續(xù)時間（min）；BW為體質量（kg）；AT為平均暴露時間（d/a）；EF為每天暴露頻率（次/d）；呼吸速率是最主要的呼吸暴露參數(shù)之一。美國暴露參數(shù)（成人版）顯示[8]，呼吸速率研究方法主要有直接測量法、心率-呼吸速率回歸法和人體能量代謝估算法。直接測量法是指在各種活動強度水平下，采用肺活量計和其他裝置直接測量得到。心率-呼吸速率回歸法是選擇具有代表性的人群，同時測量其呼吸速率和心率，通過回歸分析建立二者的一元或多元線性關系模型，然后根據各類人群的心率推測其呼吸速率。這種方法只要樣本選擇得當，適合大規(guī)模的調查。人體能量代謝估算法是根據各類人群每天或每種類型活動單位時間內消耗的能量和耗氧量確定呼吸速率。根據生物化學原理，人體在消耗能量的同時需要吸入氧氣參與體內的生化反應，因此可以根據消耗能量數(shù)據計算消耗的氧氣量，根據空氣中氧氣的含量，核算出吸入的空氣量。因此，呼吸速率（IR，L/min）的計算采用人體能量代謝估算法：

公式（2）中H為消耗單位能量的耗氧量，取0.05 L/kJ；VQ為通氣當量，通常為27；E為單位能量消耗或每種類型活動強度下的單位時間消耗能量，KJ/min，E的計算公式：

公式（3）中，BMR為基礎代謝率，基礎代謝是維持機體生命活動最基本的能量消耗，相當于平躺休息時的活動強度水平，KJ/d或MJ/d；N為各類活動強度水平下的能量消耗量與基礎代謝率的比值，BMR可通過測量確定，但一般情況下主要通過模型計算獲得，其中Schofield公式更適用于估算18～30歲健康成人的基礎代謝率[9]。

18歲以下青少年的BMR采用Shizgal-Rosa公式估算[10]，其中男生計算公式為370+20H+52BW-25A，女生計算公式為1873+13H+39BW-18A[H為身高（cm）；BW為體質量（kg）；A為年齡（歲）]。一般休息時的能量消耗應等于基礎代謝率，活動強度水平不同呼吸速率也有很大差別，從而影響人體對污染物的吸入量。人體休息時的能量消耗率近似于基礎代謝（BMR）率，而輕度強度體力活動（LPA）、中等強度體力活動（MPA）、中高強度體力活動（MVPA）、高強度體力活動（VPA）、極高強度體力活動（VVPA）分別為基礎代謝率的1.2、1.5、4、6和10倍[24]。根據上述方法計算得到的是單一活動強度水平下的呼吸速率，按照平均每天8 h的休息時間，16 h輕微活動時間計算呼吸速率，從而得出青少年不同活動模式的呼吸速率如表1。

表1 我國青少年（6～18歲）不同活動強度下的短期呼吸速率（m3/h）

另有Arcus-Arth等[11]于2007年開展了有限年齡范圍內嬰兒和兒童每日呼吸速率統(tǒng)計分布的研究。Arcus-Arth運用Layton代謝轉化法并通過調整能量攝入量的數(shù)據反映1994～1996年、1998年個人食物攝入量連續(xù)調查（CSFII）中的美國人口，推導有限年齡范圍內的兒童每日呼吸速率。根據Layton常規(guī)方程，基于耗氧量及每日能量消耗量，計算0～18歲兒童呼吸速率，見公式（4）：

式中：VE—每日吸入的空氣量，m3/d；H—產生1 kcal能量的耗氧量（m3/kcal）；VQ—單位時間吸入的氧量與空氣量的比值；EE—每日消耗能量（kcal/d）。

3.2青少年行為模式暴露參數(shù)及其研究方法

行為模式暴露參數(shù)是在描述成人、兒童的時間使

用數(shù)據的定量信息時通常估算的室內和戶外花費的時間及在各類地點進行各類活動所花費的時間等。調查內容包括平均暴露時間（d），暴露持續(xù)時間（a），暴露頻率（d/a）這三個內容，目前行為暴露參數(shù)一般通過行為活動模式調查來進行研究。美國加州進行國家人群活動模式調查（NHAPS）的時間包括室內外停留時間（min/d）、不同戶外活動場所（沙堆、草地、土地等）的停留時間（min/d）、室內不同房間的停留時間（min/d）[12]。其中時間-活動模式暴露參數(shù)的時間-活動數(shù)據一般是通過回憶問卷和日記記錄人的活動和微環(huán)境來獲取[13]。而獲取兒童的暴露時間和活動類別的準確信息具有一定難度，有文獻顯示還可使用全球定位系統(tǒng)（GPS）提供個人的位置信息[14]。

3.3青少年暴露參數(shù)研究方法與測試指標

霧霾污染特征技術指標：空氣質量指數(shù)（air quality index，AQI）PM2.5顆粒物、二氧化磷（PO2）濃度、二氧化氮（NO2）濃度。

活動模式測試指標：暴露時間（ET）、暴露頻率（EF）、持續(xù)暴露時間（ED）、體質量（BW）、平均暴露時間（AT）。

呼吸暴露參數(shù)及其基礎代謝指標：呼吸速率（IR）、最大吸氧量（VO2max）、體表面積（SA）、心率（HR）、呼吸頻率、肺活量（VE）、最大通氣量（VEmax）基礎代謝率（BMR）、能量消耗（METs）。

測試儀器：三軸運動加速度計（Actigraph GT3X），可用于進行24小時青少年日常體力活動能量消耗監(jiān)測、便攜式氣體代謝分析儀（COSMEDK4b2）。

4 青少年呼吸暴露參數(shù)國內外研究現(xiàn)狀

4.1國外研究現(xiàn)狀

美國是世界上最早發(fā)布暴露參數(shù)數(shù)據庫和手冊的國家。1989年出版了第1版《暴露參數(shù)手冊》[8]，后又于1997年進行修訂，2011年美國環(huán)境保護局（USEPA）再次對該手冊進行修訂，現(xiàn)已形成征求意見稿。針對兒童青少年這一特殊人群，USPEA在2002年編寫了專門的《兒童暴露參數(shù)手冊》，并于2008年進行修訂并重新發(fā)布[15]。隨后啟動了專門的“暴露參數(shù)項目”（exposure factors programme），將暴露參數(shù)作為一項常規(guī)性事務工作來推動。加拿大也在2013年發(fā)布了最新的成人暴露參數(shù)手冊[16]。

表2 美國各年齡段兒童青少年活動模式所需時間（min/d）[15]

美國環(huán)保局[15]在1996年開展了國家人類活動模式調查（NHAPS）的研究。這項調查由美國環(huán)保局負責，是目前規(guī)模最大和最有成效的人類活動模式調查。48個州9 386名受訪者24 h日記的數(shù)據按每分鐘收集1次。NHAPS的調查時間為1992年10月～1994年9月，由馬里蘭大學調查研究中心采用計算機輔助電話調查技術CATI收集24 h回顧日記以及個人與暴露有關問題的回答。在82個可能地點以及91種不同類型的活動中收集了詳細的時間-活動模式數(shù)據。使用RDD法隨機選擇參與者。調查的總回應率為63%。如果被選的受訪者年齡太小，則由家中的成人代為接受采訪。每個參與者需要復述他們一整天中全部的日?；顒?。調查收集到選定活動的周期和頻率及在微環(huán)境中經歷的時間等信息數(shù)據，因此，美國關于環(huán)境健康風險評估的暴露參數(shù)的研究包括了1～2月的嬰兒到青少年多個年齡段的時間-活動模式的研究。見表2。

Comp.1 Comp.2 Comp.3 StandardStandard deviation 1.241423 0.9466086 0.7502014

目前美國、日本、加拿大的暴露參數(shù)手冊中都包括了體重、期望壽命、呼吸速率、飲水率、皮膚比表面積、食品暴露、平均暴露時間等主要的暴露參數(shù)，均考慮到了不同暴露介質中的暴露，各個國家都結合自己的人種特點具有各自的特點[17，18]。

4.2我國兒童青少年呼吸暴露參數(shù)研究現(xiàn)狀

我國環(huán)境健康風險評價研究較晚，2010年首次舉行暴露參數(shù)的研討會議，我國衛(wèi)生部、國家體育總局、國家統(tǒng)計局在“十二五規(guī)劃”中已經進行了部署，開展了全國范圍的暴露參數(shù)調查，并于2014年3月14號

由環(huán)境保護部首次公布《中國人群環(huán)境暴露行為模式研究報告（成人卷）》和《中國人群暴露參數(shù)手冊（成人卷）》[19]。

此次我國人群環(huán)境暴露行為模式研究報告及其手冊的發(fā)布為我國管理、科研、技術人員開展健康風險評價工作提供了依據。就目前收集的暴露參數(shù)的信息結果看，這些信息在不同層面可供借鑒[20]。但是在時間-活動模式以及年齡分級方面還有比較大的數(shù)據差距，甚至不足以提供相應的理論支撐。如2012年公布的中國環(huán)境健康報告中只有6歲以下以及6～18歲群體的不同體力活動水平的呼吸速率（見圖1）[21]。這說明我國環(huán)境健康評價的呼吸暴露參數(shù)研究還需要進行不同年齡層次與不同地域的研究。

圖1 我國兒童、青少年不同活動強度下的短期呼吸速率

4.3國內外兒童青少年呼吸暴露參數(shù)比較研究

我國兒童呼吸暴露參數(shù)的研究由于缺少全國范圍內的數(shù)據支持，本文僅對現(xiàn)已發(fā)布的部分地域的數(shù)據與美國、日本的數(shù)據進行比較分析。

圖2 中、美兩國兒童、青少年的長期呼吸速率對比直方圖

5 青少年體力活動與呼吸暴露參數(shù)的關系

根據美國（2011版）[5]暴露參數(shù)報告，呼吸速率可用以下公式（5）來計算：

公式（5）中H代表每消耗1卡氧氣所需要的能量（m3/kcal，L/kcal，L/kJ）；VQ代表單位時間吸入的氧氣占吸入空氣的比例，通常為27；E代表每日能量消耗（kcal/d），可以通過下面的公式（6）計算：

公式（6）中BMR指基礎代謝率（basal metabolic rate）（kJ/d or MJ/d）；N指單位基礎代謝率水平的比率，通常BMR可用下列公式（7）和（8）來計算[23]：

公式（7）、（8）中H指身高（cm）；BW指體重（kg）；A指年齡（歲）。根據公式（1）、（5）、（6）、（7）和（8）的推導可得出呼吸速率的公式（9）[24]：

從公式（9）可以得出當環(huán)境污染發(fā)生時，某一種污染物濃度一定時，呼吸暴露參數(shù)的劑量與呼吸速率成正相關，也與戶外暴露的時間與運動強度成正相關[25]。針對特定人群、特定污染物，C、BW、AT均為不可控制因素，IR、ET、ED、EF分別與體力活動強度、時間、頻率相關，為可控因素，即體力活動強度越大，時間越長，頻率越高，則ADD值越大；反之亦然，即當環(huán)境污染的介質一定時，呼吸速率和活動模式是環(huán)境健康評估的主要決定因素。因此，當環(huán)境污染達到一定劑量時要嚴格控制運動強度和戶外暴露的時間，但目前戶外體力活動及戶外暴露時間與污染劑量關系尚沒有一個具體的效量變化關系的研究。

6 總結

上述文獻報告表明現(xiàn)有的數(shù)據還不足以代表我國青少年種族、地域、年齡的暴露特征，仍然不能從根本上提高暴露參數(shù)和健康風險評價結果的準確性，更不能真正滿足當前和今后城市霧霾嚴重的環(huán)境健康管理的需求。而當下面臨我國如此嚴重的空氣污染，對青少年運動與健康促進的研究，更需要提出一種新的理念，需要從環(huán)境與人的健康關系互動的理念出發(fā)，借鑒環(huán)境與健康研究中的技術手段，通過對環(huán)境健康風險評估中相關的風險因子——呼吸暴露參數(shù)可控性因素的研究，以期在霧霾污染發(fā)生時科學合理安排戶外體育

鍛煉，為制定應對霧霾天氣時青少年體力活動的應急方案提供理論指導，有效促進青少年體質健康。而不同地域、性別、種族、年齡以及社會經濟體制的影響，使兒童青少年的暴露參數(shù)存在不同程度的差異，不能照搬或參考國外現(xiàn)有的暴露參數(shù)的數(shù)據直接用于我國環(huán)境健康風險的評估。

一方面當城市環(huán)境污染的介質一定時，呼吸速率和活動模式是環(huán)境健康評估的主要決定因素；另一方面青少年體力活動水平的強度大小也與體力活動呼吸速率密切相關。因此，迫切需要在全國范圍內開展青少年暴露參數(shù)的調查和研究，了解青少年日常體力活動模式的時間、強度和頻率特征，建立青少年環(huán)境污染指數(shù)與日常體力活動的時間、強度、頻率的量變關系，制定不同環(huán)境污染下學生體力活動指南，并為中國兒童呼吸暴露參數(shù)的研究進行理論與方法的前期積累。由國家環(huán)境保護部門整合現(xiàn)有的研究和調查結果，發(fā)布適合我國青少年的暴露參數(shù)手冊。

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2016.03.08

國家體育總局重點領域科研項目（2014B088），上海市學校體育科研項目：（HJTY-2016-D14）共同資助

陳佩杰，Email：liuqing921970@163.com