青少年体力活动中环境健康风险评估的呼吸暴露参数研究进展

董静梅夏丽俞益郎佳莹陈佩杰

1同济大学运动与健康研究中心（上海 200092）2上海体育学院运动人体科学学院（上海 200092）

青少年体力活动中环境健康风险评估的呼吸暴露参数研究进展

董静梅1夏丽1俞益1郎佳莹1陈佩杰2

1同济大学运动与健康研究中心（上海 200092）2上海体育学院运动人体科学学院（上海 200092）

目的：针对中国城市雾霾日益严重与青少年体质下降的严峻现实，借鉴环境健康风险评估的方法，探讨中国青少年环境健康暴露参数的现状及其要解决的迫切问题。方法：通过文献综述法对美国、加拿大、日本等国家的青少年环境健康评价中暴露参数的研究内容、测试指标及其方法进行对照。结果：本研究推荐将呼吸速率和活动模式作为空气污染风险评估的主要呼吸暴露参数，根据呼吸速率与体力活动的量变关系，提出体力活动是青少年环境健康风险评估的关键性呼吸暴露参数，其研究可基于污染物特定剂量-反应关系，通过对雾霾浓度的监测和人群暴露行为活动模式的调查，建立青少年体力活动时间-活动模式的剂量关系，用一定的风险评估模型预测出特定污染物下的体力活动安全运动强度、运动时间、运动形式的安全界值。结论：鉴于我国环境与健康风险评估中儿童暴露参数手册的缺失，尤其“时间－活动”模式的数据不足，迫切要求在我国开展儿童呼吸暴露参数的调查研究，制定不同环境污染级数的青少年体力活动指南。

环境污染；青少年；体力活动；环境健康风险评估；呼吸暴露参数；呼吸速率

青少年体质健康问题已经引起社会的广泛关注，而体力活动不足是引起青少年体质下降的重要因素之一。目前我国青少年体力活动水平达到世界卫生组织（WHO）推荐量的比例男生为17.6%，女生仅为7.7%[1]。近几年日益严重的城市雾霾迫使教育部减少或停止中小学生课外体育等户外活动时有发生，这无疑为本就体力活动不足的青少年体质健康雪上加霜。

在面对青少年体质下降，又因城市雾霾而不得不减少或停止学生户外体力活动的矛盾中，我们有必要对青少年体力活动环境健康风险评估的重要组成因素——暴露参数进行分析，通过对暴露参数的组成因素的可控条件与影响青少年体力活动的量变关系的研究，建立我国雾霾环境与体力活动健康风险的暴露参数手册，在城市雾霾环境恶化的不可控环境因素中寻求有利于青少年体质健康促进的方法效策，为雾霾天气时制定我国学生体育课与课外体力活动指南提供理论支持。

1 环境与健康关系

世界卫生组织（WHO）在2009年发布的研究报告指出，在世界范围内，因城市空气颗粒物污染导致大约每年八十万人死亡[2]。我国每年归因于环境相关因素的疾病负担为21%，比美国高8%[3]。因此WHO也提出了一种全新的大健康观——“六维健康观”，这种新型的健康观念包括身体健康（科学膳食、平衡营养）、心理健康、智力健康、精神健康、社会健康和环境健康，其中环境健康是在全球都面临的环境恶化的背景下提出并凸显其在人体健康中的重要作用。尤其是我国城市雾霾严重，城市空气与环境污染严重的情况下，随着环境污染因素在影响人群健康风险因素中比例的增加以及各类环境健康损害事件的日益频发，环境与健康问题逐渐受到了政府和科研工作者的普遍关注，环境与健康关系研究也越来越深入，与环境紧密相关的健康风险评估应运而生。

2 环境健康风险评估的暴露参数

环境健康风险评估（health risk assessment，HRA）是把环境污染与人体健康联系起来的一种评价方法，通过估算有害因子对人体发生不良影响的概率来评价暴露于该因子下人体健康所受的影响，其特点是以风险度作为评价指标，把环境污染程度与人体健康联系起来，定量地描述污染物对人体产生的健康危害[4]。环境健康风险评估是基于对污染物认识比较清楚的危害特性和剂量-反应关系，通过对环境暴露浓度的监测结果和人群暴露行为的调查，遵循特定的规程，用一定的风险评估模型预测出特定暴露状态下污染物的健康风

险[5]。

暴露参数（exposure factor）是决定人体对环境污染物的暴露剂量和健康风险的关键性参数[6]，是用来描述人体经呼吸道、消化道和皮肤暴露于环境污染物的行为和特征的参数，因而暴露参数有呼吸暴露参数、口腔暴露参数、皮肤暴露参数以及行为活动模式暴露参数。呼吸速率和活动模式是空气污染健康风险评价中的主要呼吸暴露参数[7]。

3 空气污染常用的暴露参数及其测试指标与方法

3.1呼吸暴露参数

呼吸暴露参数是人体经呼吸道对污染物暴露的日均剂量，其计算公式为：

公式（1）中，ADD为经呼吸道暴露某种化合物的剂量[mg/（kg·d）]；C为环境空气中该化合物的质量浓度（mg/m3）；IR为呼吸速率（m3/d）；ET为每天暴露时间（min/d）；ED为暴露持续时间（min）；BW为体质量（kg）；AT为平均暴露时间（d/a）；EF为每天暴露频率（次/d）；呼吸速率是最主要的呼吸暴露参数之一。美国暴露参数（成人版）显示[8]，呼吸速率研究方法主要有直接测量法、心率-呼吸速率回归法和人体能量代谢估算法。直接测量法是指在各种活动强度水平下，采用肺活量计和其他装置直接测量得到。心率-呼吸速率回归法是选择具有代表性的人群，同时测量其呼吸速率和心率，通过回归分析建立二者的一元或多元线性关系模型，然后根据各类人群的心率推测其呼吸速率。这种方法只要样本选择得当，适合大规模的调查。人体能量代谢估算法是根据各类人群每天或每种类型活动单位时间内消耗的能量和耗氧量确定呼吸速率。根据生物化学原理，人体在消耗能量的同时需要吸入氧气参与体内的生化反应，因此可以根据消耗能量数据计算消耗的氧气量，根据空气中氧气的含量，核算出吸入的空气量。因此，呼吸速率（IR，L/min）的计算采用人体能量代谢估算法：

公式（2）中H为消耗单位能量的耗氧量，取0.05 L/kJ；VQ为通气当量，通常为27；E为单位能量消耗或每种类型活动强度下的单位时间消耗能量，KJ/min，E的计算公式：

公式（3）中，BMR为基础代谢率，基础代谢是维持机体生命活动最基本的能量消耗，相当于平躺休息时的活动强度水平，KJ/d或MJ/d；N为各类活动强度水平下的能量消耗量与基础代谢率的比值，BMR可通过测量确定，但一般情况下主要通过模型计算获得，其中Schofield公式更适用于估算18～30岁健康成人的基础代谢率[9]。

18岁以下青少年的BMR采用Shizgal-Rosa公式估算[10]，其中男生计算公式为370+20H+52BW-25A，女生计算公式为1873+13H+39BW-18A[H为身高（cm）；BW为体质量（kg）；A为年龄（岁）]。一般休息时的能量消耗应等于基础代谢率，活动强度水平不同呼吸速率也有很大差别，从而影响人体对污染物的吸入量。人体休息时的能量消耗率近似于基础代谢（BMR）率，而轻度强度体力活动（LPA）、中等强度体力活动（MPA）、中高强度体力活动（MVPA）、高强度体力活动（VPA）、极高强度体力活动（VVPA）分别为基础代谢率的1.2、1.5、4、6和10倍[24]。根据上述方法计算得到的是单一活动强度水平下的呼吸速率，按照平均每天8 h的休息时间，16 h轻微活动时间计算呼吸速率，从而得出青少年不同活动模式的呼吸速率如表1。

表1 我国青少年（6～18岁）不同活动强度下的短期呼吸速率（m3/h）

另有Arcus-Arth等[11]于2007年开展了有限年龄范围内婴儿和儿童每日呼吸速率统计分布的研究。Arcus-Arth运用Layton代谢转化法并通过调整能量摄入量的数据反映1994～1996年、1998年个人食物摄入量连续调查（CSFII）中的美国人口，推导有限年龄范围内的儿童每日呼吸速率。根据Layton常规方程，基于耗氧量及每日能量消耗量，计算0～18岁儿童呼吸速率，见公式（4）：

式中：VE—每日吸入的空气量，m3/d；H—产生1 kcal能量的耗氧量（m3/kcal）；VQ—单位时间吸入的氧量与空气量的比值；EE—每日消耗能量（kcal/d）。

3.2青少年行为模式暴露参数及其研究方法

行为模式暴露参数是在描述成人、儿童的时间使

用数据的定量信息时通常估算的室内和户外花费的时间及在各类地点进行各类活动所花费的时间等。调查内容包括平均暴露时间（d），暴露持续时间（a），暴露频率（d/a）这三个内容，目前行为暴露参数一般通过行为活动模式调查来进行研究。美国加州进行国家人群活动模式调查（NHAPS）的时间包括室内外停留时间（min/d）、不同户外活动场所（沙堆、草地、土地等）的停留时间（min/d）、室内不同房间的停留时间（min/d）[12]。其中时间-活动模式暴露参数的时间-活动数据一般是通过回忆问卷和日记记录人的活动和微环境来获取[13]。而获取儿童的暴露时间和活动类别的准确信息具有一定难度，有文献显示还可使用全球定位系统（GPS）提供个人的位置信息[14]。

3.3青少年暴露参数研究方法与测试指标

雾霾污染特征技术指标：空气质量指数（air quality index，AQI）PM2.5颗粒物、二氧化磷（PO2）浓度、二氧化氮（NO2）浓度。

活动模式测试指标：暴露时间（ET）、暴露频率（EF）、持续暴露时间（ED）、体质量（BW）、平均暴露时间（AT）。

呼吸暴露参数及其基础代谢指标：呼吸速率（IR）、最大吸氧量（VO2max）、体表面积（SA）、心率（HR）、呼吸频率、肺活量（VE）、最大通气量（VEmax）基础代谢率（BMR）、能量消耗（METs）。

测试仪器：三轴运动加速度计（Actigraph GT3X），可用于进行24小时青少年日常体力活动能量消耗监测、便携式气体代谢分析仪（COSMEDK4b2）。

4 青少年呼吸暴露参数国内外研究现状

4.1国外研究现状

美国是世界上最早发布暴露参数数据库和手册的国家。1989年出版了第1版《暴露参数手册》[8]，后又于1997年进行修订，2011年美国环境保护局（USEPA）再次对该手册进行修订，现已形成征求意见稿。针对儿童青少年这一特殊人群，USPEA在2002年编写了专门的《儿童暴露参数手册》，并于2008年进行修订并重新发布[15]。随后启动了专门的“暴露参数项目”（exposure factors programme），将暴露参数作为一项常规性事务工作来推动。加拿大也在2013年发布了最新的成人暴露参数手册[16]。

表2 美国各年龄段儿童青少年活动模式所需时间（min/d）[15]

美国环保局[15]在1996年开展了国家人类活动模式调查（NHAPS）的研究。这项调查由美国环保局负责，是目前规模最大和最有成效的人类活动模式调查。48个州9 386名受访者24 h日记的数据按每分钟收集1次。NHAPS的调查时间为1992年10月～1994年9月，由马里兰大学调查研究中心采用计算机辅助电话调查技术CATI收集24 h回顾日记以及个人与暴露有关问题的回答。在82个可能地点以及91种不同类型的活动中收集了详细的时间-活动模式数据。使用RDD法随机选择参与者。调查的总回应率为63%。如果被选的受访者年龄太小，则由家中的成人代为接受采访。每个参与者需要复述他们一整天中全部的日常活动。调查收集到选定活动的周期和频率及在微环境中经历的时间等信息数据，因此，美国关于环境健康风险评估的暴露参数的研究包括了1～2月的婴儿到青少年多个年龄段的时间-活动模式的研究。见表2。

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

目前美国、日本、加拿大的暴露参数手册中都包括了体重、期望寿命、呼吸速率、饮水率、皮肤比表面积、食品暴露、平均暴露时间等主要的暴露参数，均考虑到了不同暴露介质中的暴露，各个国家都结合自己的人种特点具有各自的特点[17，18]。

4.2我国儿童青少年呼吸暴露参数研究现状

我国环境健康风险评价研究较晚，2010年首次举行暴露参数的研讨会议，我国卫生部、国家体育总局、国家统计局在“十二五规划”中已经进行了部署，开展了全国范围的暴露参数调查，并于2014年3月14号

由环境保护部首次公布《中国人群环境暴露行为模式研究报告（成人卷）》和《中国人群暴露参数手册（成人卷）》[19]。

此次我国人群环境暴露行为模式研究报告及其手册的发布为我国管理、科研、技术人员开展健康风险评价工作提供了依据。就目前收集的暴露参数的信息结果看，这些信息在不同层面可供借鉴[20]。但是在时间-活动模式以及年龄分级方面还有比较大的数据差距，甚至不足以提供相应的理论支撑。如2012年公布的中国环境健康报告中只有6岁以下以及6～18岁群体的不同体力活动水平的呼吸速率（见图1）[21]。这说明我国环境健康评价的呼吸暴露参数研究还需要进行不同年龄层次与不同地域的研究。

图1 我国儿童、青少年不同活动强度下的短期呼吸速率

4.3国内外儿童青少年呼吸暴露参数比较研究

我国儿童呼吸暴露参数的研究由于缺少全国范围内的数据支持，本文仅对现已发布的部分地域的数据与美国、日本的数据进行比较分析。

图2 中、美两国儿童、青少年的长期呼吸速率对比直方图

5 青少年体力活动与呼吸暴露参数的关系

根据美国（2011版）[5]暴露参数报告，呼吸速率可用以下公式（5）来计算：

公式（5）中H代表每消耗1卡氧气所需要的能量（m3/kcal，L/kcal，L/kJ）；VQ代表单位时间吸入的氧气占吸入空气的比例，通常为27；E代表每日能量消耗（kcal/d），可以通过下面的公式（6）计算：

公式（6）中BMR指基础代谢率（basal metabolic rate）（kJ/d or MJ/d）；N指单位基础代谢率水平的比率，通常BMR可用下列公式（7）和（8）来计算[23]：

公式（7）、（8）中H指身高（cm）；BW指体重（kg）；A指年龄（岁）。根据公式（1）、（5）、（6）、（7）和（8）的推导可得出呼吸速率的公式（9）[24]：

从公式（9）可以得出当环境污染发生时，某一种污染物浓度一定时，呼吸暴露参数的剂量与呼吸速率成正相关，也与户外暴露的时间与运动强度成正相关[25]。针对特定人群、特定污染物，C、BW、AT均为不可控制因素，IR、ET、ED、EF分别与体力活动强度、时间、频率相关，为可控因素，即体力活动强度越大，时间越长，频率越高，则ADD值越大；反之亦然，即当环境污染的介质一定时，呼吸速率和活动模式是环境健康评估的主要决定因素。因此，当环境污染达到一定剂量时要严格控制运动强度和户外暴露的时间，但目前户外体力活动及户外暴露时间与污染剂量关系尚没有一个具体的效量变化关系的研究。

6 总结

上述文献报告表明现有的数据还不足以代表我国青少年种族、地域、年龄的暴露特征，仍然不能从根本上提高暴露参数和健康风险评价结果的准确性，更不能真正满足当前和今后城市雾霾严重的环境健康管理的需求。而当下面临我国如此严重的空气污染，对青少年运动与健康促进的研究，更需要提出一种新的理念，需要从环境与人的健康关系互动的理念出发，借鉴环境与健康研究中的技术手段，通过对环境健康风险评估中相关的风险因子——呼吸暴露参数可控性因素的研究，以期在雾霾污染发生时科学合理安排户外体育

锻炼，为制定应对雾霾天气时青少年体力活动的应急方案提供理论指导，有效促进青少年体质健康。而不同地域、性别、种族、年龄以及社会经济体制的影响，使儿童青少年的暴露参数存在不同程度的差异，不能照搬或参考国外现有的暴露参数的数据直接用于我国环境健康风险的评估。

一方面当城市环境污染的介质一定时，呼吸速率和活动模式是环境健康评估的主要决定因素；另一方面青少年体力活动水平的强度大小也与体力活动呼吸速率密切相关。因此，迫切需要在全国范围内开展青少年暴露参数的调查和研究，了解青少年日常体力活动模式的时间、强度和频率特征，建立青少年环境污染指数与日常体力活动的时间、强度、频率的量变关系，制定不同环境污染下学生体力活动指南，并为中国儿童呼吸暴露参数的研究进行理论与方法的前期积累。由国家环境保护部门整合现有的研究和调查结果，发布适合我国青少年的暴露参数手册。

[1]中国学生体质与健康研究组.2010年中国学生体质与健康研究报告.北京：中国高等教育出版社，2014：143-235.

[2]World Health Organization.The World Health Report 2002：Reducing risks，promoting healthy life[EB/OL].World health report，http：//www.who.int/whr/2002/en/.2002-10-09.

[3]World Health Organization.Quantification of the disease burden attributable to environmental riskfactors.China country profile[R].Geneva：World Health Organization，2009.

[4]Nicholas JA，Alejandro A，Thomas B，et al.Human health risk assessment（HHRA）for environmental development and transfer of antibiotic resistance[J].Environ Health Perspect，2013，121（9）：993-1001.

[5]Markus JE，Melanie M，Anne CN，et al.Exposure to environmental microorganisms and childhood asthma[J].N Engl J Med，2011，364（3）：701-709.

[6]United States Environmental Protection Agency.Exposure factors handbook[S].EPA/600/R-090/052F.Washington DC：USEPA，2011，349-352.

[7]United States Environmental Protection Agency.Children's environmental health research[MP/OL].Washington DC：USEPA.https：//hero.epa.gov/hero/index.cfm/content/assessment.2008-12-20.

[8]United States Environmental Protection Agency.Risk assessment guidance for superfund volumeI：human health evaluation manual（PartA）[S].Washington DC：USEPA，1989，236-322.

[9]李可基，屈宁宁.中国成人基础代谢率实测值与公式预测值的比较[J].营养学报，2004，26（4）：244-248.

[10]梁洁，蒋卓勤.中国健康成人基础代谢率估算公式的探讨[ J].中国校医，2008，22（4）：372-374.

[11]Arcus-Arth A，Blaisdell RJ.Statistical distributions of daily breathing rates for narrow age groups of infants and children [J].Risk Anal，2007，279（3）：97-110.

[12]Brochu P，Ducré-Robitaille J，Brodeur J.Physiological daily inhalation rates for free-living individuals aged 1 month to 96 years，using data from doubly labeled water measurements：a proposal for air quality criteria，standard calculations and health risk assessment[J].Hum Ecol Risk Assess，2006，12（6）：675-701.

[13]United States Environmental Protcction Agency.Descriptive statistics tables from a detailed analysis of the National Human Activity Pattern Survey（NHAPS）data[R].Washington DC：Office of Research and Development，1996，23-29.

[14]Elgethun K，Fenske RA，Yost MG，et al.Time-location analysis for exposure assessment studies of children using a novel global positioning system instrument[J].Environ Health Perspect，2003，111（3）：115-122.

[15]United States Environmental Protection Agency.Child-specific exposure factors handbook[S].Washington DC：USEPA，2008，234-347.

[16]G.Mark Richardson.2013 Canadian exposure factors hand book[R].Toxicology Centre.University of Saskatchewan，http// www.usask.ca/toxicology.2013-08-14.

[17]National Institute of Advanced Industrial Science and Technology.Japanese exposure factors handbook[S/OL].http：// unit.aist.go.jp/riss/crm/exposurefactors/english_summary.ht ml. 2007-09-07.

[18]Lezirtzoglou C，Dekas K，Charvalos E.Climate changes，environment and infection：facts，scenarios and growing awareness from the public health community within Europe[J].Anaerobe，2011，17（2）：337-40.

[19]中国环境保护部.环境保护部发布中国人群环境暴露行为模式研究成果[EB/OL].中国政府门户网站.http：//www.gov. cn/xinwen/2014-03/14/content_2639154.htm.2014-03-14.

[20]王叶晴，段小丽，李天昕，等.空气污染健康风险评价中暴露参数的研究进展[J].环境与健康杂志，2012，29（2）：104-107.

[21]中华人民共和国卫生部.2012中国卫生统计年鉴[M].北京：中国协和医科大学，2012：323-343.

[22]Yang Y，Yu YunJiang，Yang J，et al.Exposure parameters of human activity pattern in Taihu Lake Basin[J].J Enviro Health，2012，30（3）：230-234.

[23]Wang ZS，Duan XL，Li P，et al.Human exposure factors of chinese people in environmental health risk assessment[J]. Research of Environmental Sciences，2009，22（4）：1164-1170.

[24]段小丽，黄楠，王贝贝，等.国内外环境健康风险评价中的暴露参数比较[J].环境与健康杂志，2012，29（2）：99-104.

[25]Yang Y，Yu YJ，Li DL，et al.Study of residents’breath exposure parameter in wenling area[J].J Envion Health，2011，28（3）：698-701.

2016.03.08

国家体育总局重点领域科研项目（2014B088），上海市学校体育科研项目：（HJTY-2016-D14）共同资助

陈佩杰，Email：liuqing921970@163.com