沈阳市大气污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度对呼吸系统疾病严重程度的影响

赵容，洪也，郑国峰，张军

1 中国医科大学附属第四医院第二呼吸内科，沈阳 110005；

2 沈阳大气环境研究所环境气象室

近年来全球的大气污染愈发严重，雾霾频发导致人类健康受到严重威胁、医疗费用过度增长。当人体长时间处于大气污染的环境中时，大气中的有害物质包括悬浮颗粒、氮氧化物及硫氧化物等进入到鼻、咽、喉、肺，损坏整个呼吸道系统，导致整个呼吸道防御系统受到破坏，肺通气功能下降，尤其会对合并肺部基础疾病患者的呼吸系统造成不可逆损害。流行病学研究显示，大气污染越严重，其引发的呼吸道疾病发病率和致死率均越高［1-2］。国内外大量研究证实，大气污染与呼吸系统疾病的发病及严重程度均密切相关［3-4］。但是，因为存在地域差别，大气污染的严重程度及类别不同，其对每种呼吸系统疾病的影响程度也是不一样的，这就造成针对性判断当地大气污染所导致的呼吸系统损害程度不够精确。只有通过对国内不同地域进行深入研究，才能够为我国大气污染物与呼吸系统疾病严重程度的关系提供更多流行病学依据［5］。沈阳是东北老工业城市，存在工业污染严重的问题，每年冬季供暖期（11月1日—次年3月31日）的大气污染更是严重，可能会导致呼吸系统疾病患者的病情加重［6-8］。本研究通过基于Poisson分布的广义相加模型（GAM）分析了沈阳市不同大气污染物对呼吸系统疾病严重程度的影响，为进一步定量分析沈阳市大气污染对居民健康的影响奠定基础。

1 资料与方法

1.1 资料来源

1.1.1 临床资料 收集2016 年1 月—2017 年12 月中国医科大学附属第四医院第二呼吸内科HIS系统录入的病历资料2 690份，采用全世界通用的国际疾病分类第10版（ICD-10）［9］进行编码，编码为J00−J99定义为呼吸系统疾病，诊断标准参照《社区获得性肺炎诊断和治疗指南》《中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病诊治指南》《2019 版ERS-ATS 重症哮喘指南》等。患者住院信息完整，包括住院号、性别、年龄、呼吸系统疾病诊断等。2 690 例患者中男1 453 例、女1 237 例，年龄<65 岁1 036 例，年龄≥65 岁1 654例，诊断为呼吸系统疾病重症1 705例，其中慢性阻塞性肺疾病（COPD）468 例、肺炎1 007 例、重症哮喘121 例、肺间质纤维化59 例、其他50 例。呼吸系统疾病重症的判定标准分别参照《中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病诊治指南》《社区获得性肺炎诊断和治疗指南》《2019 版ERS-ATS 重症哮喘指南》等。

1.1.2 大气污染资料 大气污染资料来源于沈阳大气环境研究所监测的大气相关指标，数据依据国家环保局标准，由大气自动监测仪获得［10］；其中，PM2.554.7（26.62，82.7）µg/m3、PM1098.0（53.12，142.88）µg/m3、SO241.22（13.87，68.57）µg/m3、NO2（38.91 ±14.23）µg/m3。

1.1.3 气象资料 气象资料来源于沈阳市气象局，气压（1 016.55±10.06）hpa、气温8.91（−2.7，18.53）℃、湿度（62.57±17.00）RH、风速（2.12±0.94）m/s。

1.2 分析方法

1.2.1 呼吸系统疾病严重程度与大气污染物之间的关系 采用SPSS21.0 统计软件。计量资料采用K-S 正态性检验，呈正态分布的计量资料以±s表示，非正态分布的计量资料以M（P25，P75）表示。呼吸系统疾病严重程度与大气污染物浓度之间的关系采用Spearnman相关性分析。P<0.05为差异有统计学意义。

1.2.2 单污染物模型建立及滞后效应分析 采用R3.2.0 统计软件。基于层间差异检验方法［11-12］，采用GAM 拟合重症患者例数与污染物浓度关系的回归模型［13］，在结合供暖因素、“星期几效应”以及气象作为混杂因素的影响下，构建单污染物模型。单污染物模型的GAM 公式见图1，其中Yk为第k 日呼吸系统疾病重症患者例数，（Yk）为第k 日呼吸系统疾病重症患者例数的期望值，s为非参数样条平滑函数，Time 为时间序列，Zk为第k 日的某种气象因素变量，df 为自由度，β 为回归系数，Xk为第k 日大气污染物浓度，DoW 为“星期几”效应，α 为残差。根据模型估算的单污染物回归系数β 分析呼吸系统疾病重症例数随污染物浓度改变的滞后效应，获得从当天到第4 天不同大气污染物对呼吸系统疾病重症的超额危险度（ER值）及其95%置信区间（CI），当日污染物浓度记为Lag0，第1～4 天到当日的污染物浓度平均值分别记为Lag01、Lag02、Lag03 和Lag04。同时计算在最佳滞后时间下，当污染物浓度增加Δc（10 µg/m3）时呼吸系统疾病严重程度相对危险度（RR），RR=exp（Δc×β）×100%，根据RR计算此时的ER和95%CI，ER=（RR−1）×100%，95%CI=｛exp［Δc×（β±1.95SE）］−1｝×100%。使用DOMINICI 等［8］提出的参考值进行计算，并借鉴ZEKA 等［9］的层间差异检验方法来对年龄、性别不同层间效应值的差别进行95%CI计算，检验其统计学差异。

图1 单污染物模型的GAM公式

1.2.3 双污染物模型建立 将PM2.5、PM10、SO2和NO2中的2 种进行组合构成联合印象因子，带入GAM 公式建立回归关系，见图2，其中Yk、ZK、df、DoW和E（YK）等变量定义与单污染物模型一致。

图2 双污染物模型的GAM公式

2 结果

2.1 呼吸系统疾病严重程度与大气污染物之间的关系 呼吸系统疾病严重程度与PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度均呈正相关关系（r分别为0.629、0.617、0.703、0.637，P均<0.05）。见OSID码图1。

2.2 影响呼吸系统疾病重症的单污染物模型分析结果 单污染物模型分析结果显示，PM2.5、PM10、SO2、NO2影 响 呼 吸 系 统 疾病重症的ER值及95%CI分 别 为1.31（1.21～1.43）、1.29（1.18～1.41）、2.94（2.75～3.14）、5.23（4.91～5.61），P均<0.05。

2.3 呼吸系统疾病重症例数随污染物浓度改变的滞后效应分析结果 PM2.5和NO2影响呼吸系统疾病重症例数的效应在Lag01 达到最大值，PM10在Lag04达到最大值，SO2在Lag03达到最大值，见表1。在最佳滞后时间下，PM2.5、PM10、SO2和NO2的浓度每增加10µg/m3，对应的呼吸系统疾病重症患者例数增 加1.31%（ER=0.96，95%CI：1.21～1.43）、1.29%（ER=0.39，95%CI：1.18～1.41）、2.94%（ER=0.39，95%CI：0.28～0.31）、5.26%（ER=0.39，95%CI：0.49～0.56），P均<0.05。

表1 呼吸系统疾病重症例数随污染物浓度改变的滞后效应分析结果［ER（95%CI）］

2.4 影响呼吸系统疾病重症的双污染物模型分析结果 由于PM2.5和PM10的相关程度最高，在计算多污染物因素时可以参照单污染物分析结果。PM2.5+SO2影响呼吸系统疾病严重程度的ER值及95%CI为3.53（3.24～3.76），PM10+SO2为2.46（2.23～2.70），PM2.5+NO2为5.02（4.46～5.56），PM10+NO2为3.99（3.50～4.44），SO2+NO2为3.34（3.06～3.62），P均<0.01。

3 讨论

近年来全球的大气污染愈发严重，国内外很多地区雾霾频发导致人类健康受到严重威胁、医疗费用过度增长［11］。以往研究显示，沈阳市的主要大气污染物为PM2.5、PM10、NO2、SO2，也是呼吸系统疾病重症患者例数升高的危险因素之一［12-13］。阚海东等［14］、刘迎春等［15］研究显示，随着气温等气象因素及大气污染物浓度的变化，呼吸系统疾病重症患者的例数明显增加，并提示大气污染物与气象因素有关联性。因此，在研究大气污染物对呼吸系统疾病重症患者例数的影响时，气象因素也需要被考虑在内。

本研究采用GAM 对呼吸系统疾病重症患者例数与大气污染物的函数关系进行非线性建模分析，可提高研究结果的可靠性和可比性［16-17］。本研究将对大气污染物浓度影响较大的气象因素带入到该模型中，结果显示呼吸系统疾病严重程度与PM2.5、PM10、SO2、NO2浓度均呈显著正相关关系，且重症患者例数的增加与主要大气污染物之间存在显著的滞后效应；PM2.5和NO2影响呼吸系统疾病重症患者例数的效应在延迟累积2 天达到最大值，PM10在延迟累积5 天达到最大值，SO2在延迟累积4 天达到最大值，提示真实的大气污染物暴露可导致重症呼吸系统疾病患者数量增加在时间上有延迟，对空气污染的治理及医院病例管理方面有一定提示作用；在最佳滞后时间下，PM2.5、PM10、SO2和NO2的浓度每增加10 µg/m3，其对应的呼吸系统疾病重症患者例数均有显著增加，其中以NO2的影响最显著，其对应的呼吸系统疾病重症患者比例升高了5.26%，说明单污染物NO2对呼吸系统的危害最大。分析原因，可能是NO2溶解度低，不容易被上呼吸道吸收，从而进入下呼吸道引起肺损伤、肺水肿等，因此对肺组织的损伤最为严重。由于NO2的主要来源是燃煤废气和机动车尾气排放等，因此如何处理这些废气排放以及减少排放尤为重要，需要从源头消除其引起呼吸系统疾病重症的隐患。本研究双污染物模型分析结果显示，PM2.5+NO2对呼吸系统疾病严重程度的影响最大（ER值最大），表明随着污染物的叠加，呼吸系统疾病重症患者比例明显升高。因此，这些大气污染物对呼吸系统疾病严重程度的影响有协同效应，这为相对应的毒理学、生理学研究提供了病因学线索，也为沈阳市公共卫生决策提供了重要的参考价值。

综上所述，沈阳市主要大气污染物PM10、PM2.5、SO2和NO2浓度升高均可导致呼吸系统疾病患者病情加重，并存在滞后效应，PM2.5联合NO2对呼吸系统疾病严重程度的影响最大。本研究的不足处在于沈阳市环境监测中心监测到的污染物浓度水平很可能无法代表呼吸系统疾病重症患者的真实暴露情况，其分析结果可能存在测量偏倚；此外，大气污染物具体是如何影响呼吸系统疾病的，是否有易感人群，如肺纤维化患者是否面临更高的发病风险，合并心脑血管疾病的患者如何防护等，均需要后续不断深入证实及研究。