大氣污染顆粒物對有氧運動機體呼吸系統(tǒng)的影響與相關機制

李加鵬 林景蘭

（1.福建中醫(yī)藥大學體育部，福建 福州 350122；2.福州大學至誠學院，福建 福州 350001）

前言

近幾年我國大氣污染現(xiàn)狀呈現(xiàn)出波及范圍廣、持續(xù)時間長、空氣重污染級別高的態(tài)勢，在大氣污染的懸浮顆粒污染物中對人體危害最大是直徑2.5μm ≤污染顆粒物，其組成成分復雜多變，主要包含有硫酸鹽、硝酸鹽、鈉鹽、銨鹽、元素碳、有機碳等，另外由于各類可燃物的不充分燃燒以及燃燒產物中富含的鉛（Pb）、砷（As）、鉻（Cr）等以及多環(huán)芳烴（PAHs），再加上空氣中的細菌、真菌、病毒、粉塵對顆粒物的附著等對人體危害極大。由于污染顆粒物具有直徑小，各類成分復雜且性質易變的特性，在人體吸入后可直接通過呼吸道支氣管到達肺泡并沉積，長期暴露在污染環(huán)境中，大量吸入污染顆粒后極易引起呼吸系統(tǒng)病變，誘發(fā)鼻炎、喉炎、氣管炎、肺炎、哮喘等疾病。近十年的流行病學研究發(fā)現(xiàn)，機體長時間處于大氣污染環(huán)境中會提高呼吸系統(tǒng)的各類慢性疾病發(fā)病率，同時還會降低機體免疫力，誘發(fā)癌癥，提高死亡率，嚴重危害人類健康。

1 有氧運動時機體呼吸系統(tǒng)的生理變化

有氧運動的活動強度相對較低，機體能量消耗大，持續(xù)時間較長，運動代謝產物積累相對較少，機體的內環(huán)境變化較小，因此機體對有氧運動的耐受程度較好，再加上有氧運動具有對改善心肺功能、促進機體新陳代謝、增強機體運動能力等多方面的積極功效，因此被廣大體育鍛煉者所青睞。機體在進行有氧運動時，呼吸系統(tǒng)會產生一系列生理變化以適應運動強度的需要，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1.1 有氧運動時呼吸方式的變化

正常機體在安靜狀態(tài)下采用鼻式呼吸，可對空氣進行凈化過濾及濕潤的作用。當機體進行有氧運動時，隨著機體對氧氣需求的提高，鼻式呼吸難以滿足有氧運動的需求，當每分通氣量達20-30L/min 時，呼吸方式由鼻式呼吸轉變?yōu)榭谑胶粑蚩诒鞘胶粑?，以減少呼吸道對空氣的阻力，增加通氣量，但相對缺少了鼻式呼吸的凈化過濾作用。

1.2 有氧運動時的呼吸頻率

呼吸頻率方面，正常成年人在安靜狀態(tài)下的呼吸頻率為12-18 次/min，受運動前條件反射、中樞神經系統(tǒng)調節(jié)、二氧化碳代謝增多、乳酸代謝增強、氫離子濃度變化等因素的影響，為提高氧氣含量降低二氧化碳及體內酸性代謝產物呼吸頻率劇增，在進行有氧運動時，呼吸頻率的增加可達3-4倍。

1.3 有氧運動時肺通氣量的變化

肺通氣量是檢驗機體呼吸系統(tǒng)的一個重要指標，機體在進行有氧運動時，肺通氣量急劇增加，以保證機體在有氧運動時對氧氣的需求。研究發(fā)現(xiàn)，在安靜狀態(tài)下正常成人肺通氣量平均約為6-8L/min，在有氧運動中隨著呼吸頻率的加快，呼吸深度的加深，通氣量也在不斷增加，其中最大通氣量正常男性約120-140L/min，正常女性約為70-120L/min。[1]

1.4 有氧運動時呼吸系統(tǒng)血流量的變化

機體運動時為保證運動器官的供氧需求，機體通過血流量的再分配功能，減少不參與運動器官的血流量，轉而提高肌肉、心臟、肺部等部位血流量，以保證機體運動器官的氧氣及能量供應；另一方面，機體在進行有氧運動時，心率明顯增加，心肌收縮能力加強，心臟博輸出量增加，心臟泵血功能加強，此時呼吸系統(tǒng)內，特別是肺部血壓增高，血流量加大，肺泡內血流量增加，機體在肺泡內的氧氣彌散加強，動靜脈氧差每百毫升氧含量可達15 毫升。

1.5 有氧運動時肺泡的變化

運動引起機體的呼吸自我調節(jié)，即通過神經和體液調節(jié)，如代謝產物中酸增強，血液中PH 下降，代謝產物二氧化碳濃度增高，反射性引起呼吸中樞神經興奮，呼吸性支氣管擴張，肺泡膜細血管前括約肌擴張，呼吸頻率加快、呼吸深度加深，肺泡通氣數(shù)量劇增，擴張程度加大，參與氣體交換的肺泡面積增加；另一方面，肺泡的毛細血管網被更多的激活，肺泡血流量的增加，再加上肺泡擴張，呼吸膜的氣體彌散阻力下降，促進了氧氣和二氧化碳在肺泡的交換，此時，氧氣的攝取和二氧化碳的排出可達到安靜狀態(tài)的25 倍。[1]

2 大氣污染顆粒物對有氧運動機體呼吸系統(tǒng)的影響

2.1 不同直徑大氣污染顆粒物在呼吸系統(tǒng)的運動軌跡

人體生理結構針對外物入侵具有自我防護的功能，如呼吸系統(tǒng)中鼻毛有阻擋大顆粒物的作用，呼吸道黏膜具有對顆粒物的吸附作用，鼻內纖毛具有推送轉移附著異物的作用，肺泡內吞噬細胞具有吞噬作用，B 細胞具有免疫抗體作用等。依據(jù)人體生理特性，當空氣中的顆粒物直徑在2.5-10μm范圍內時，會被呼吸道有效阻擋攔截，并通過噴嚏、咳嗽、纖毛推送等排出機體；當顆粒物直徑≤2.5μm 時，這些顆粒物可隨氣流輕而易舉的到達肺泡并沉積附著在肺泡壁上；當顆粒物＜0.1μm時，細微顆粒物可直接透過氣血屏障，進入到血液循環(huán)而影響到其他組織或器官。[2]由此可見，對機體危害最大的主要為直徑2.5μm ≤大氣污染顆粒物。

2.2 大氣污染顆粒物對有氧運動機體呼吸系統(tǒng)的影響

當機體在空氣污染環(huán)境下進行有氧運動時，呼吸頻率、通氣量劇增，呼吸道自我防御系統(tǒng)能力下降，機體對大氣中有害顆粒物的易感性增強，[2]此時大氣污染物顆粒可長驅直入，再加上肺泡內的氣血屏障洞開等諸多不利因素可對呼吸系統(tǒng)產生一系列直接或間接損傷。

2.2.1 大氣污染顆粒物對有氧運動機體呼吸道的影響

（1）大氣污染顆粒物對鼻腔的影響

機體在進行有氧運動時，此時肺通氣量劇增，大顆粒污染物在經過鼻腔時在鼻黏膜和鼻毛的作用下被阻擋粘附后排出。但當機體進行持續(xù)的長時間的有氧運動時，鼻腔內黏膜局部免疫球蛋白IgA 濃度降低，自我清除能力降低，大量大氣污染顆粒物隨空氣吸入，部分富含化學刺激性浮塵、真菌附著在鼻腔黏膜上，當這些抗原附著在鼻黏膜介質細胞表面，促使機體處于致敏狀態(tài)，鼻腔黏膜分必物增多，誘發(fā)陣發(fā)性噴嚏、鼻黏膜水腫、血腫導致鼻塞。機體長時間暴露在高濃度空氣污染環(huán)境中進行有氧運動時，鼻黏膜反復受到刺激，極易誘發(fā)鼻炎、鼻竇炎，對鼻腔黏膜造成傷害；另外污染顆粒物還會導致鼻腔黏膜纖毛受損出現(xiàn)數(shù)量減少，排列不規(guī)律，粘連等現(xiàn)象，不利于纖毛正常生理功能的發(fā)揮。研究證實，過敏性鼻炎患者數(shù)量與大氣污染污染物中SO2、NO2及PM10 濃度提升呈顯著性相關；過多吸入還會導致鼻腔分泌物中IL-5、IL-8、CCL17、 eotax-in 等細胞因子分泌增加，Th1 型細胞因子IFN-γ 減少，誘發(fā)局部炎癥，對鼻腔黏膜造成損傷，導致上皮細胞結構受到破壞，黏膜脫落，固有層發(fā)生水腫、血腫，并出現(xiàn)炎性細胞浸潤等現(xiàn)象。[3]

（2）大氣污染顆粒物對咽的影響

當鼻毛、鼻黏膜對外界氣體的過濾功能下降，鼻黏膜分泌黏液對氣體中顆粒異物的吸附功能降低時，[4]氣體中包含的有害顆粒物可長驅直入進入下一級呼吸通道。[5]當大氣污染顆粒物通過口鼻后到達咽部，在咽部黏膜吸附作用下沉積，進而刺激損傷咽部黏膜上皮和腺體；另一方面，機體在進行有氧運動時采用口鼻或口式呼吸，吸入的氣體缺少了濕潤功能，導致運動機體時常產生咽部灼熱、干燥、瘙癢，嚴重者出現(xiàn)干咳、疼痛、異物感。長時間處于大氣污染環(huán)境中機體會出現(xiàn)明顯的咽部黏膜水腫充血，黏液腺分泌增多的現(xiàn)象，極易誘發(fā)急性咽炎，當機體在反復刺激作用下還會誘導炎癥侵犯鼻腔黏膜、喉、氣管、支氣管等呼吸道，誘發(fā)鼻炎、鼻竇炎、咽炎、咽喉炎、氣管炎等疾病，反復的刺激損傷還可能誘發(fā)鼻咽癌等其他疾病。

（3）大氣污染顆粒物對氣管、支氣管的影響

機體在進行有氧運動時大氣污染顆粒物對氣管、支氣管的影響主要通過以下幾種途徑：1）在運動中由于呼吸頻率和呼吸方式的改變，機體吸入的氣流量急劇增大，大量干燥的空氣在快速的氣體交換過程中飛速流動，導致黏膜表層的水分流失，使得黏膜黏液濃度增加，在污染顆粒物的吸附作用下各類硫酸鹽、硝酸鹽促使上皮細胞受損，表現(xiàn)為急性咳嗽、干咳甚至嘔吐癥狀，嚴重者出現(xiàn)充血水腫，當氣管、支氣管被反復炎癥刺激后便會誘發(fā)氣管哮喘、肺氣腫等其他并發(fā)癥的出現(xiàn)；2）由于大量酸性鹽粉塵被黏膜吸附后，纖毛呈粘連狀，纖毛的擺動推送能力受到影響，氣管、支氣管的自我清除機制受限，使得各類污染顆粒大量附著沉積誘發(fā)炎癥損傷和氧化應激損傷。研究發(fā)現(xiàn)，當大氣污染顆粒物中攜帶的具有刺激性的硫酸鹽、硝酸鹽、粉塵以及附著的細菌、病毒附著在呼吸道黏膜上后可直接作用與T 細胞中的配體激活轉錄因子AHR，促進TH17 的分化，繼而產生大量的IL-17，上皮細胞和內皮細胞在IL-17 的刺激產生IL-6、IL-8等炎性因子，誘發(fā)炎癥反應，[6]這也是誘發(fā)氣管炎、支氣管炎等疾病的重要因素之一；3）當大量的污染顆粒物附著在氣管黏膜上后，其中的化學成分會促使支氣管上皮細胞出現(xiàn)增生、纖維化，直接或間接的誘發(fā)氣管炎、支氣管炎等疾病的發(fā)生。[7]

2.2.2 大氣污染顆粒物對肺的影響

機體在進行有氧運動時，呼吸頻率、呼吸深度、肺通氣量、肺部血流量、肺泡動用數(shù)量、氣血屏障氣體彌散阻力等多方面會產生積極的適應性變化，以保障機體的運動需求。但與此同時，呼吸系統(tǒng)在有氧運動時對外界污染空氣顆粒物的過濾防御功能下降，[8]細微的污染顆粒長驅直入到達肺泡后，在重力沉積、氣流推動、氣體彌散、黏膜吸附的作用下，吸附在肺泡上對機體產生影響，研究表明進行中等強度的有氧運動時，顆粒物的沉積量將大大增加，顆粒直徑小于0.1μm 的污染物沉積量是安靜狀態(tài)下的4.5 倍。[9]

（1）肺部炎癥反應的影響

當空氣污染顆粒到達肺泡內時，污染顆粒物會激活肺巨噬細胞的免疫、吞噬作用，主動將侵入的粉塵顆粒、細菌病毒等空氣污染物顆粒吞噬并轉變?yōu)榧毎|中含有大量粉塵顆粒的塵細胞，之后一部分塵細胞通過肺泡內纖毛的推送作用和黏液的流動作用經支氣管、氣管、咽、口鼻排出體外；另外，大量污染顆粒物被吸入后還會引起巨噬細胞的吞噬作用降低，再加上污染顆粒物自身具有的自由基活性，導致肺部細胞內ROS 升高，[10]誘發(fā)肺泡黏膜發(fā)生氧化應激反應，導致炎癥發(fā)生；大量污染顆粒吸附在肺泡壁上后會激活NF-kB 炎癥信號通路，導致肺部炎性細胞浸潤，分泌物增多，致使肺泡換氣功能受限，誘發(fā)哮喘、肺氣腫、慢性阻塞性肺疾?。粴庋琳系臍怏w彌散阻力下降等不利因素，當污染物顆粒到達肺部后，部分沉積在肺泡壁上，顆粒直徑更細微的則透過氣血屏障直接進入到血液循環(huán)系統(tǒng)對人體其他器官或系統(tǒng)造成損傷。[11]

（2）肺癌變

癌癥嚴重影響著人類健康，其中肺癌目前已成為我國城鄉(xiāng)居民發(fā)病率最高的癌癥，這與大氣污染越來越嚴重的工業(yè)社會發(fā)展密切相關。流行病學的調查已經證實，空氣污染顆?？稍黾臃伟┑陌l(fā)病率，污染物致突變性檢測證實，城市中的顆粒污染物可致細菌基因點突變，[12]這些大氣致癌物質中主要包括：內燃機燃燒排放物、工業(yè)污染氣體排放等，當隨著空氣被吸入到肺內后，首先與肺內巨噬細胞、肺泡內上皮細胞發(fā)生反應，導致肺部炎癥反應，細胞外基質中的纖維蛋白活化的刺激后，特別是受到轉化生長因子-β（可改變纖維細胞生長特性）、TNF-α（腫瘤壞死因子）、表皮生長因子等細胞增生和細胞分裂出現(xiàn)紊亂，造成肺部組織纖維化，[13]肺部易出現(xiàn)基因突變；另外在大氣污染顆粒物被吸入肺后，會誘導肺內產生大量自由基，而自由基可直接作用于細胞，促使DNA 出現(xiàn)氧化損傷，引起基因突變，[14]如抑癌基因p53 發(fā)生病變，致癌基因與抑癌基因平衡被打破，此時變異導致肺部癌癥的發(fā)生。[15][16]

（3）誘發(fā)肺部的其它疾病

在供暖、氣候、排放等多層因素的影響下，霧霾天氣在北方城市，特別是在冬季多常見，其影響范圍巨大，危害程度在不斷加深，后期危害效果不斷顯現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，機體長時間暴露在污染環(huán)境中哮喘的發(fā)病率、就診率及住院率與大氣污染程度和暴露時間密切相關，其中發(fā)病群體以兒童和老年人為主；[17]有氧運動的機體長時間內處于大氣重度污染環(huán)境中，在沒有防護措施的情況下大量吸入含有污染顆粒物的空氣后在支氣管末端、肺泡里長時間沉淀積存，超出機體自我清除的能力時，引起肺部出現(xiàn)纖維化灶，[18]出現(xiàn)慢性阻塞性肺疾病，嚴重危害人類健康。

3 結論與建議

有氧運動健身對改善心血管系統(tǒng)，調節(jié)人體成分，增加瘦體重，促進睡眠，調節(jié)情緒，提高機體免疫，促進機體新陳代謝，預防肌肉衰退，保持肌力等多方面均具有積極的促進作用。運動環(huán)境特別是大氣污染對機體的影響巨大，當機體在污染環(huán)境下進行有氧運動會導致機體大量吸入污染顆粒物引起氧化應激和各類炎癥反應，降低免疫能力，同時可激活炎性信號通路，直接或間接影響細胞核內DNA 轉錄，誘發(fā)基因突變，導致癌癥發(fā)生，嚴重危害人類健康。因此機體在大氣污染環(huán)境下進行有氧運動不但機體得不到相應的鍛煉，還會適得其反對機體造成損害，特別是會對呼吸系統(tǒng)造成損傷，引發(fā)呼吸系統(tǒng)疾病。

針對當前大氣污染的現(xiàn)狀，首先要加強人們對大氣污染危害的認識，實現(xiàn)大氣污染數(shù)據(jù)的共享與推廣，避免在霧霾天進行室外有氧運動；熟知各類大氣污染源，在機體進行各類有氧運動時，盡量避免在大氣污染嚴重的區(qū)域如車流量大的路邊廣場及易揚塵區(qū)域；再次掌握大氣污染在每天不同時段的污染程度，如在每天的早晨和晚上污染程度會高于其他時間段，機體在進行運動時盡量避開污染濃度高的時間段；最后，做好自我防護措施，如在環(huán)境條件相對較差時，在運動中盡量選配高級別的防塵口罩，在家進行運動時增配高級別空氣凈化監(jiān)測設備。