[背景]我国的大气污染一直受到国内外的高度关注。2012年以来,国家实施了一系列大气污染治理措施,在空气质量改善方面取得了良好的效果。2013年-2018年,全国PM10年平均浓度从118μg/m3下降至71μg/m3,PM2.5年平均浓度从72μg/m3下降至39μg/m3,但大气污染的治理任重道远,2018年北京地区PM2.5污染浓度高于100μg/m3的天数仍有110天,占全年的1/3。PM的健康危害不容忽视,流行病学资料显示PM10、PM2.5和PM1与多种疾病的发生、发展和死亡密切相关。小学生是空气污染的敏感人群,其肺部发育不成熟、呼吸速率快,较成人更易受PM的影响。已有研究证实大气污染物尤其是PM2.5与儿童哮喘、久咳、肺炎、支气管炎、鼻炎、上呼吸道感染和下呼吸道感染都有较强的关联。小学生大部分时间在教室度过,教室内人员密集,空间相对密闭,大气污染是教室内空气污染的主要来源,加之人员活动,大气污染较重时小学生的个体暴露浓度可能高于大气污染浓度,而小学生由于肺部发育不成熟,受到的健康危害可能比预期更高。在短期内无法彻底解决空气污染的情况下,采取便捷、科学、有效的防护措施,降低小学生健康危害尤为重要。空气净化器则是重要的防护措施之一。但如何评价空气净化器的防护效果,由于影响因素复杂,一直是科研人员面临的挑战,也是空气污染健康防护中亟需解决的重要科学问题。因此,探讨PM对小学生呼吸系统健康危害,以及空气净化器对小学生的健康防护作用具有重要的公共卫生学意义。通过对文献的系统梳理,发现在大气颗粒物对小学生呼吸系统健康危害研究中,学生活动,家庭环境、饮食等,对研究结果影响较大,需要有效控制混杂因素;暴露评估大部分利用监测站数据,未考虑个体活动及微环境浓度对个体暴露浓度的影响;单项研究纳入的健康效应指标有限,缺乏系统的评价;因此造成不同团队对暴露水平的评价及对健康效应的影响存在偏差,甚至有些研究结论相互矛盾。在有限的空气净化器健康防护效果研究中,往往限制受试者的正常活动,与其真实生活、工作或学习环境存在较大差异。本研究选择一所寄宿小学,采用随访和交叉干预的研究设计,在小学生正常学习、生活情况下,控制混杂因素,准确评估暴露水平,研究污染天气下,PM对小学生呼吸系统健康危害,评估空气净化器对小学生的健康防护效果。通过PM对小学生的有害效应,以及空气净化器使用后对小学生的健康防护作用研究,从正反两方面筛选评价指标,全面系统的评估大气颗粒物对小学生的健康影响及空气净化器的健康防护效果。[目的]本研究旨在严格控制混杂因素,选择较准确的个体暴露评估方法的情况下,建立较完善评价指标体系,全面、系统的研究大气颗粒物(PM10、PM2.5和PM1)对小学生呼吸系统的健康影响,并同时评估空气净化器对大气颗粒物(PM10、PM2.5和PM1)的净化效果及对小学生呼吸系统健康防护效果,为污染天气下小学生呼吸系统健康防护提供充足的科研依据。研究结果可指导学校合理使用空气净化器,降低健康危害,为建立污染天气下特定人群的个性化健康防护措施提供科学依据。[方法]本研究通过随访和随机交叉干预设计开展大气颗粒物对小学生呼吸系统的健康影响研究和空气净化器干预对小学生健康防护研究。以一所全寄宿学校4-5年级小学生为研究对象,首先分别选择低污染和高污染天气开展2次随访研究,每次连续5天(周一至周五)监测室外、室内PM10、PM2.5和PM1浓度,用时间活动模式和微环境浓度推算时间加权个体暴露浓度,在第5天(周五)问卷调查方式了解小学生调查期内呼吸系统症状(咳嗽、咳痰、鼻塞、流涕、咽喉肿痛、发烧和头疼),用FeNO检测仪检测小学生FeNO、肺功能仪检测肺功能(VC、FVC、FEV1、FEV1/FVC、PEF、FEF25%、FEF50%、FEF75%、FEF25%-75%),RtubeTM管收集EBC以及收集清洁中段晨尿,用pH计检测EBC中pH,ELISA法检测EBC和尿液中共16项炎症和氧化应激指标(EBC 8-iso、EBC IL-1β、EBC IFN-α、EBC IFN-γ、EBC TNF-α、EBC MCP-1、EBC IL-6、EBC IL-8、EBC IL-10、EBC IL-12p70、EBCIL-17A、EBCIL-18、EBCIL-23、EBCIL-33、尿 8-OHdG 和尿 4-HNE),用GC-TOF-MS对两次调查EBC样本进行非靶向代谢组学扫描,用Wilcoxon符号秩和检验进行单因素分析,Simca 4.1进行多因素分析,筛出FDR q<0.05以及PLS-DA模型(或OPLS-DA模型)VIP>1.0的差异代谢物。用逻辑混合效应模型和线性混合效应模型分析PM10、PM2.5和PM1与效应指标(包括7项症状指标、9项肺功能指标、18项炎症和氧化应激指标和EBC中差异代谢物)的关联性,筛选敏感效应指标,探索不同PM污染条件下对小学生的健康影响。其次,进行空气净化器交叉干预研究,洗脱期为1个月。将受试对象以班级为单位分为2组,第一阶段一组使用有高效滤芯空气净化器,另一组使用无高效滤芯空气净化器,干预5天后体检并收集样本,一个月后交换空气净化器,进行第二阶段的干预,干预结束后体检并收集样本。为验证并比较随访研究筛选的敏感指标,干预研究PM监测、问卷调查、体检和样本的检测方法均与随访研究一致。用逻辑混合效应模型和线性混合效应模型分析空气净化器干预以及干预后PM浓度下降与效应指标的关联性。最后,对两项研究的指标进行对比分析,探索PM对小学生呼吸系统的健康危害和空气净化器的健康防护作用。[结果](1)2次随访分别纳入了 123名和118名研究对象,2次PM10平均时间加权个体暴露浓度分别为 19.44μg/m3 和 51.76μg/m3,PM2.5 加权浓度分别为 14.86μg/m3 和 41.37μg/m3,PM1加权浓度分别为6.27μg/m3和22.33μg/m3。两样本比较发现咳嗽、咳痰、流涕、VC、FVC、FEV1/FVC、FEF25%、FEF75%、pH、FeNO、EBC 8-iso、EBC IL-33、EBC IL-1β、EBCIFN-α、EBCTNF-α、EBCMCP-1、EBCIL-8、EBCIL-18、尿 8-OHdG 和尿 4-HNE差异有统计学意义。EBC代谢组分析发现FDR q<0.05以及PLS-DA模型VIP>1.0的差异代谢产物共26个。关联性分析发现PM10、经PM10调整后的PM2.5和PM1与流涕、EBC pH、FeNO、EBC 8-iso、EBC IL-1β、EBC IL-6、EBC IL-8、EBC IL-33、4-HNE 和8-OHdG的升高有关联,其中FeNO升高幅度最大,PM10、PM2.5和PM1每升高1Oμg/m3,FeNO 分别升高 10.17%(95%CI:6.63%-13.7%)、12.54%(95%CI:8.12%-16.95%)和 22.17%(95%CI:14.3%-30.04%);与 FVC、FEV1、FEV1/FVC 和 FEF25%下降有关,其中 FEV1 下降幅度最大,PM10、PM2.5和 PM1每升高 10μg/m3,FEV1分别下降 3.25%(95%CI:1.95%-4.56%)、3.93%(95%CI:0.24%-7.62%)和 6.43%(95%CI:3.86%-9.00%)。差异代谢产物中发现PM短期暴露可引起14项代谢产物升高,10项代谢产物降低,其中EBC NA、EBC CBE、EBC MU、EBC PA 16:1N-7 和 EBC OA 与机体炎症反应有关,EBC PA 和 EBC UD与机体氧化应激有关,EBCFA与机体免疫调节有关。同时,研究发现PM有滞后效应,滞后1-2天(lag1-2)效应最强,对男生的影响强于女生。(2)空气净化器交叉干预研究中,干预组和非干预组分别纳入124和116名研究对象,两组PM10平均时间加权个体暴露浓度分别为48.5±0.76μg/m3和71.08±0.21μg/m3,PM2.5加权浓度分别为37.37±7.65μg/m3和62.92±6.28μg/m3,PM1加权浓度分别为28.06±0.79μg/m3和39.08±2.91 μg/m3。研究发现空气净化器可有效降低室内PM10、PM2.5和PM1浓度,对PM2.5的净化率最强,室外浓度PM2.5 115μg/m3～150μg/m3时有最高净化率,为52.83%(50.26%,56.13%)。两样本比较发现干预组流涕发生率、FeNO、EBCIFN-α、EBCMCP-1和尿8-OHdG低于非干预组,差异有统计学意义(P<0.05)。EBC非靶向代谢组学筛出16个潜在差异代谢物。关联分析发现空气净化器干预可有效降低小学生流涕、FeNO、EBCIL-1β、EBCIL-6和尿8-OHdG的浓度,空气净化器干预后,PM10、PM2.5和PM1的降低与流涕、FeNO、EBCIL-1 β、EBCMCP-1、EBCIL-6和尿8-OHdG的降低有关联,其中EBC MCP-1降低幅度最大,调整PM10影响后,PM2.5和PM1每下降10μg/m3,EBC MCP-1 分别下降 5.47%(95%CI:0.65%-10.29%)和 13.56%(95%CI:3.43%-23.7%)。空气净化器干预使EBC中7项差异代谢物下降,3项代谢产物升高,其中EBC L-Ser和EBC LLA与炎症和氧化应激有关,EBCMU与炎症反应有关,EBCPUT与氧化应激有关。两项研究对比发现流涕、FeNO、EBCIL-1β、EBCIL-6、尿8-OHdG和EBCMU与PM(PM10、PM2.5和PM1)和空气净化器干预均有关联。各指标在不同性别小学生中变化不一,流涕、PEF、FEF25%、FeNO、EBCIL-1β、EBCIL-8 和尿 8-OHdG 在男生中变化幅度较大,FEV1、FEV1/FVC、FeNO、EBCIL-6和EBCMU在女生中变化幅度较大。[结论](1)PM短期暴露与小学生呼吸系统炎症和氧化应激有关联,对健康小学生呼吸系统症状、肺功能具有不利影响。PM粒径越小,健康影响越大,且粒径大的颗粒物对粒径小的颗粒物健康影响具有一定的干扰作用,如不扣除其影响,可能会导致高估颗粒物的健康效应,提示应综合考虑不同粒径PM的健康效应。(2)PM有滞后影响,在暴露后1-2天达到最大效应,其影响可持续多日,提示一次污染发生时,人们不仅需要在当下采取通过外出时佩戴口罩,关闭门窗,有条件的在室内开启空气净化器等保护措施,而且在污染发生后的一段时间内都需要注意个体防护。(3)空气净化器可有效降低室内PM浓度,室外PM2.5 115μg/m3-150μg/m3时有最大的净化效能,与此同时,在小学生中观察到干预后,呼吸系统炎症和氧化应激指标发生相应的变化,提示在污染天气发生时,即使是正常学习的过程中,合理开启空气净化器也可对小学生呼吸系统健康产生重要的防护作用。(4)男生较女生更易受PM的影响,在今后的科研以及人群健康防护中应考虑性别因素的影响。(5)两项研究综合分析,发现FeNO、EBC IL-1β、尿8-OHdG,辅以EBC MU是评估PM10对小学生呼吸系统健康影响的敏感指标。FeNO、EBC IL-1β、EBCIL-6、尿8-OHdG,辅以流涕和EBC MU是评估PM2.5和PM1的健康影响和空气净化器对小学生的健康防护效果的敏感指标。(6)评估男生的健康效应时应重点关注流涕、PEF、FEF25%、FeNO、EBC IL-1β、EBC IL-8和尿8-OHdG等的变化,评估女生的健康效应时应重点关注FEV1、FEV1/FVC、FeNO、EBC IL-6 和 EBC MU 等的变化。(7)本研究从正反两方面评估了 PM对小学生呼吸系统健康危害和空气净化器干预的健康防护作用,筛选、建立了较完善的评估指标体系,可为未来在正常生活、学习或工作情况下,开展PM污染健康影响和空气净化器干预健康防护效果评估提供技术手段,也可为污染天气下特定人群的个性化健康防护提供科学依据。