江苏省大气污染对儿童肺通气功能的短期效应研究*

张文静 王彦文 杜鹏 丁震 李湉湉

1.南京医科大学公共卫生学院，南京，211166

2.中国疾病预防控制中心环境与人群健康重点实验室，中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所，北京，100021

3.江苏省疾病预防控制中心环境与健康所，南京，210009

1 引言

空气污染严重影响人类健康（Pope Ⅲ，et al，2006；Grigg，2009；Weinmayr，et al，2010；GBD 2019 Risk Factors Collaborators，2020；Strak，et al，2021），尤其会导致呼吸道和肺相关疾病的发生（Howell，et al，2019；Zhang，et al，2019；Abdolahnejad，et al，2017）。由于儿童的肺部正在生长发育，且儿童拥有更高强度的体力活动以及尚不成熟的免疫系统（Kajekar，2007；Nicholas，et al，2017），因此被认为是最易受到空气污染不利影响的人群之一。肺功能是评估呼吸系统健康程度的客观指标（Pellegrino，et al，2005），可用来评估空气污染对儿童呼吸系统的影响（Miller，et al，2010）。

据报道，短期暴露于污染环境的儿童可能会出现肺通气功能（FVC）下降。美国西雅图的定群研究（Trenga，et al，2006）发现，细颗粒物（PM2.5）短期暴露浓度每升高10 μg/m3，第一秒用力呼气容积（FEV1）降低16.12（95%置信区间（95%CI）：-10.37—42.61）mL，最大呼气流量（PEF）降低2.19（95%CI：-2.12—6.49）L/min。Jacobson 等（2014）在巴西进行的定群研究同样发现PM2.5短期暴露浓度每升高10 μg/m3，最大呼气流量降低0.54（95%CI：0.14—0.94）L/min。Chau 等（2020）于美国近期开展的队列研究表明，PM2.5短期暴露浓度升高10 μg/m3，用力肺活量降低122（95%CI：25—260）mL，第一秒用力呼气容积降低131（95%CI：35—232）mL。虽然流行病学研究表明，儿童肺通气功能下降与空气污染物间存在一定的相关，但大多数研究是在污染水平较低的发达国家开展，且以细颗粒物影响为主。不同地区、不同空气污染物特征、不同人群特征的危害效应可能不同。

本研究通过对中国江苏省的7 个城市（南京、常州、苏州、无锡、徐州、盐城和镇江）1081 名3—5 年级儿童在秋冬季进行肺功能重复测量，分析两种大气污染物（PM2.5、O3）短期暴露对儿童肺通气功能的影响，同时考虑其他因素的效应修饰作用，试图为保护儿童呼吸系统健康提供指导方案。

2 数据和方法

2.1 研究人群

2014—2015 年，选择江苏省7 个城市作为监测点。在监测点内选择1—2 所小学的3—5 年级学生，采用整群随机抽样方法，抽取部分学生进行健康影响问卷调查，在参加问卷调查的学生中随机抽取个体开展肺功能测试。接受2 次或2 次以上肺功能测试的受试者被纳入研究，共纳入1081 名受试者。本次数据再分析获得中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所伦理委员会批准（批准通知书编号：202102）。参与研究的受试者父母签署了参与研究的知情同意书。

2.2 肺功能测定

本研究的肺功能检测指标为用力肺活量，可用来反映气道通气功能。肺功能测试由受过专业培训的医生进行，所有测试均要求使用相同型号的电子肺活量计，并严格遵守美国胸科学会（The American thoracic society，ATS）的指南（Miller，et al，2005）。在肺功能测试之前，测试儿童需经过多次自身练习。在检查过程中，每位受试者站立并夹紧鼻夹，并以最佳结果为标准重复测试。

2.3 污染物及气象数据的收集

污染物数据包括PM2.5和O3日均浓度，来自离每所学校最近的环境空气质量国控自动监测站（两者距离小于5 km）。温度和相对湿度数据来自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）再分析网格数据集日均值（https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/），按照学校位置的经纬度匹配每位受试者的温度和相对湿度信息。

2.4 问卷数据收集

问卷数据主要为个人基本信息、生活居住环境以及健康状况。其中个人基本信息包括性别、年龄、体重指数、母亲的教育水平（初中及以下、高中及以上）；生活居住环境包括冬季烹饪使用的主要燃料（清洁能源：天然气、液化石油气、天然气管道、电力；非清洁能源：煤炭、稻草）、被动吸烟情况（是、否）、饲养宠物情况（是、否）；健康状况包括呼吸道疾病史（是、否，通过询问“你是否在过去一年被诊断为反复呼吸道感染、肺炎、哮喘，气管炎、过敏性鼻炎？”）和过敏史（是、否，通过询问“过去一年你是否对食物、药物、花粉、灰尘、尘螨和其他物质过敏？”）。由于本研究是一项重复测量的研究，除了年龄和体重指数根据每次肺功能测试的记录数据变化外，其他信息均为每位儿童第一次问卷调查内容。

2.5 统计分析

采用线性混合效应模型研究急性PM2.5和O3暴露与肺功能参数的关联关系。该模型中调整了上述个人信息、生活居住环境以及健康状况（Trenga，et al，2006；Da Silva Viana Jacobson，et al，2014；Chau，et al，2020；Xu，et al，2020）。开展与PM2.5暴露的关联分析时，对O3暴露进行调整，反之亦然。除了这些协变量之外，研究参与者也被纳入随机效应，以解释每位受试者的多重测量。利用该模型，分析当日（lag0）和累积滞后（lag01、lag02、lag03、lag04、lag05、lag06 和 lag07）的PM2.5暴露与肺功能间的关联。lag01 是指1 天累积的污染物平均暴露量（当日和肺功能测量前1 天的污染物平均浓度）。研究结果表示为PM2.5和O3浓度每升高10 μg/m3，肺功能的变化情况。

同时对性别、体重指数（消瘦、正常、超重、肥胖，根据中国儿童青少年体重指数分类标准）、母亲教育水平、冬季烹饪的主要燃料方式、被动吸烟、饲养宠物、呼吸道疾病史、过敏史和温度（均温以下、均温以上）进行分层分析，采用两样本方差分析以探讨各协变量分组中大气污染物与肺功能参数的相关关系差异。在分析模型中，通过删除母亲的教育水平、冬季烹饪的主要燃料种类、被动吸烟、饲养宠物、呼吸道疾病史、过敏史、臭氧暴露以及温度和相对湿度中的其中一项进行敏感性分析。

所有统计检验均为双侧检验，P＜0.05 为具有统计学意义。使用R 软件3.5.1 版本和lmerTest 软件包进行数据分析。

3 结果分析

3.1 基本特征

表1 是研究人群的特征和肺功能指标。数据分析包括1081 名参与者和2184 次肺功能测量。学生平均年龄为9.3 岁，体重指数为18.1 kg/m2，男生占52.5%，女生占47.5%，学生的母亲高中以上文化程度者占69.5%，经历被动吸烟者占16.5%，家庭使用非清洁能源烹饪的占18.9%，家庭养宠物的占12.3%，有呼吸道疾病和过敏史的分别占17.1%和14.9%。肺功能指标（FVC）平均为1890.0 mL。

表1 测试儿童个人特征及污染和气象要素暴露水平Table 1 Personal characteristics,air pollution and meteorological exposure levels of children participating the study

3.2 空气污染物与气象要素

2014—2015 年研究区域的空气污染物平均浓度以及气象要素情况见表1。调查期间PM2.5的平均浓度为73.3 μg/m3，O3的平均浓度为79.7 μg/m3，平均温度9.1℃，平均相对湿度73.8%。

3.3 大气污染物对儿童肺功能指标的影响

当日和不同滞后时间PM2.5和O3暴露与肺功能指标间存在明显的急性效应。当日的PM2.5和O3浓度每升高10 μg/m3，FVC 分别降低8.8（95%CI：4.0—13.7）mL 和21.1（95%CI：13.8—28.4）mL。lag05 的PM2.5对FVC 影响最大，PM2.5浓度每升高10 μg/m3，FVC 降低35.9（95%CI：17.7—54.0）mL。lag07 的O3对FVC 影响最大，O3浓度每升高10 μg/m3，FVC 降低30.2（95%CI：13.3—47.1）mL（图1）。

图1 儿童肺功能与不同滞后时间PM2.5（a）和O3（b）暴露下的相关性分析结果（95%置信区间）Fig.1 Correlation analysis between lung function and exposure to PM2.5（a）and O3（b）with different lag time in children（95%CI）

本研究表明PM2.5和O3短期暴露可导致儿童肺通气功能指标的显著降低，且存在累积滞后效应。对浙江省金华市848 名学龄儿童的前瞻性定群研究（Xu，et al，2020）通过PM2.5单污染物模型以及PM2.5与O3的双污染模型的分析表明，空气污染对儿童FVC 存在影响且在污染物1 d 累积平均暴露时影响达到最大。北京市的大气污染对学龄儿童FVC 的短期效应研究（王欣等，2010）结果显示存在累积滞后效应，在污染物累积滞后2 d 的平均暴露浓度关联最强。一项来自于墨西哥的小学生队列研究（Barraza-Villarreal，et al，2008）表明，FVC 降低与PM2.5和O3浓度的升高显著相关，同时两种污染物累积滞后5 d 的平均暴露浓度导致FVC 下降最明显。本研究结果与上述研究的结果基本一致，提示污染物当日及累积滞后暴露浓度的升高导致FVC 明显降低。但是暴露的最强关联累积滞后天数之间存在差异，这可能是由于研究人群、地区等不同所致。

PM2.5和O3暴露与肺功能通气指标的生物学机制已有部分解释。动物实验研究表明，PM2.5暴露可通过产生自由基和消耗抗氧化剂及相关酶诱导氧化应激、炎症和肺损伤（Riva，et al，2011），而O3暴露同样会诱导气道或肺部炎症、呼出气流阻塞以及氧化应激升高（李锋等，2014）。且有研究提出污染暴露参与人体肺部炎症（Ghio，et al，2000）或氧化应激升高（Hatzis，et al，2006）的可能性。提示PM2.5和O3暴露可能通过影响气道、肺部以及呼出气流，从而导致通气功能指标的降低。通过补充抗氧化剂可以保护人们免受空气污染对肺功能的有害影响（Salvi，2007）。

3.4 敏感性分析

敏感性分析结果显示，当调整分析模型中的协变量（模型1—8）时，PM2.5和O3暴露对肺功能的影响值与主要模型分析的结果相似（表2）。表明主模型研究结果可靠。

表2 调整模型变量时PM2.5 和O3 短期暴露对江苏省儿童肺功能的影响Table 2 Effects of short-term PM2.5 and O3 exposure and children's lung function in Jiangsu province after the model is adjusted

3.5 分层分析

对性别、体重指数、母亲的教育水平等的分层分析结果（表3）显示，PM2.5对男孩FVC 的影响较女孩大，对有过敏史的儿童较无过敏史的儿童影响大，差异具有统计学意义（P＜0.05），O3对家庭中使用清洁能源进行烹饪的儿童较使用非清洁能源的影响大，差异有统计学意义（P＜0.05）。两种污染物在体重指数、被动吸烟、母亲教育水平、养宠物、呼吸系统疾病以及温度不同组之间未观察到有统计学意义的组间差异。

表3 PM2.5 短期暴露与江苏省儿童肺功能指标的分层分析结果Table 3 Stratified analysis of short-term PM2.5 exposure and lung function indexes of children in Jiangsu province

首先，研究发现PM2.5和O3暴露对男孩的肺通气功能影响明显强于女孩，下降更明显。根据《中国人群暴露参数手册（儿童卷：6—17 岁）》（赵秀阁等，2016），6—12 岁男孩每天的室外活动时间比女孩多5%左右，这可能导致男孩有更多的机会暴露在空气污染中，更多的接触和吸入污染物可能使肺功能明显下降（Künzli，et al，2003）。

其次，研究结果表明家庭中使用清洁能源进行烹饪的儿童肺通气功能受空气污染的影响更加严重。非清洁能源主要包括煤炭和稻草，煤炭和稻草的燃烧会产生大量气态污染物及颗粒物，会导致肺功能的显著降低（Rinne，et al，2006），使室内源的大气污染物影响成为主导，从而削弱了室外大气环境污染物对肺功能的影响。这可能是文中使用清洁能源进行烹饪家庭中的儿童受室外空气污染影响更严重的原因。

最后，本研究结果还显示过敏会加重细颗粒物对儿童肺功能的影响。与未有食物、药物或花粉等过敏史的儿童相比，有过敏史的儿童肺通气功能下降更明显。已有研究发现，食物或药物等过敏会增加气道气流阻塞的风险，加强空气污染与儿童肺功能指标下降的关联（Gruzieva，et al，2015；Sherenian，et al，2018），本研究结果与其一致。这提示过敏体质儿童在重污染天气更应加强个人防护，以减轻对肺功能的损伤。

4 结论和讨论

2014—2015 年，选择江苏省7 个城市1081 名3—5 年级的儿童，对其进行肺通气功能重复测量和问卷调查。根据学校地址收集最近监测站空气污染和欧洲中期天气预报中心气象再分析数据，采用线性混合效应模型分析大气污染物与肺功能的关联关系，并对性别、体重指数等进行分层分析。结果显示：

（1）当日和累积滞后的PM2.5和O3暴露浓度的增加会导致FVC 出现显著降低。FVC 是反映肺气道通气功能的重要指标，结果提示PM2.5和O3急性暴露与儿童肺通气功能降低存在显著关联，且有明显累积滞后效应。降低的可能机制是暴露诱导气道或肺部炎症，呼出气流阻塞，导致气道通气功能受阻。补充抗氧化剂可以保护人们免受空气污染对肺通气功能的有害影响。

（2）对性别、过敏史以及家庭烹饪所用能源类型进行分组分析时，当日PM2.5或O3暴露浓度升高，男孩和过敏体质儿童的肺功能降低程度较女孩、非过敏体质儿童更明显，差异具有统计学意义，且室内源的大气污染物可能削弱了室外大气环境污染物对肺功能的影响。研究结果突出了受暴露影响的敏感人群。

但本研究也存在一定的不足。（1）本研究制定了统一的肺功能测试方案，同时为测试人员提供统一的培训，并在模型中调整了区域变量，但由于测试时间长、城市多，难免存在测试差异。（2）文中研究所选城市有就近入学政策，因此，学校附近的污染物暴露浓度可为儿童暴露于室外空气污染提供一定的评估，但文中将空气污染数据按照学校地址进行匹配，不能完全代表儿童在整个期间暴露于室外空气污染的情况。（3）文中测试学生年龄相仿，作息规律、运动情况可能近似，但未考虑儿童周期性运动频率和强度在暴露与肺功能研究中所起的作用。（4）本研究考虑了影响室内空气污染的最重要决定因素，即家庭成员吸烟以及烹饪燃料（Balakrishnan，et al，2002），但未全面考虑室内空气污染和个人空气污染暴露水平。

在这项针对江苏省7 个城市儿童的研究中，研究结果为空气污染暴露与儿童呼吸健康的短期影响提供了新的证据，并提示男孩和过敏体质儿童更易感。建议相关部门发布并实行适当的防护政策控制空气污染，保护儿童呼吸健康。