生物质燃烧与呼吸和心血管系统疾病关系的研究进展

刘晓利，梁 乐，宿俊杰，唐超智，王文晟

1 引言

生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物的能再生物质。生物质燃烧包括以下形式：秸秆和薪柴作为炊事和采暖燃料的燃烧；农田废弃秸秆的露天焚烧；森林和草原火灾等[1]。生物质在燃烧过程中可产生对暴露人群健康不利的成分，如有机化合物、无机化合物和不溶性颗粒等[2]。生物质燃烧释放的有机化合物包括诱变剂、免疫系统抑制剂、剧烈刺激剂、血液毒素、致炎因子、中枢系统抑制剂、纤毛毒素、内分泌干扰剂和神经毒素等，还有多种致癌性化合物(如多环芳烃)。生物质燃烧释放的有毒无机化合物可引起窒息、死产、婴儿死亡、心脏病及严重的急、慢性肺病[3]。不溶性颗粒物的自由基活性或氧化能力在引起炎性反应的过程中发挥着重要作用。有研究表明，从自然环境中直接收集的不溶性颗粒物可引起大鼠肺脏、大鼠细胞系和人细胞系的炎性反应[4-6]。

农作物秸秆焚烧是生物质燃烧的主要组成部分[1]。McCarty[7]在2003—2007年对美国本土秸秆焚烧情况进行分析，结果显示美国本土秸秆焚烧平均每年释放20.9 Gg(1 Gg=109g)可入肺颗粒物(PM2.5：即动力学当量直径≤2.5 μm的颗粒物)和28.5 Gg可吸入颗粒物(PM10：即动力学当量直径≤10 μm的颗粒物)。我国拥有丰富的农作物秸秆资源，其中玉米、小麦和水稻秸秆是3大最主要的农作物秸秆资源。近年来，每年夏收和秋收季节，我国多地会出现不同程度的露天焚烧秸秆现象，而由其产生的烟雾对当地及周边地区的环境造成了严重污染，并且对暴露人群的身心健康产生了不利影响。

本文着重总结了生物质燃烧对人体呼吸和心血管系统的影响，以便提高国人在生物质燃烧(尤其秸秆焚烧)对健康危害方面的认识，进而增强人们的环保意识。

2 生物质燃烧与呼吸和心血管系统疾病的关系

2.1 生物质燃烧与呼吸系统疾病的关系 有关文献报道，生物质燃烧释放的有毒物质可引起严重的急、慢性肺病，如慢性阻塞性肺疾病(COPD)和哮喘等[2]。

2.1.1 生物质燃烧与肺脏呼吸功能的关系 为了研究秸秆焚烧对肺功能的影响，Agarwal等[8]对征集的50名健康受试者(13～53岁)进行了肺功能测验(PFTs)。结果发现，在小麦和水稻秸秆焚烧过程中，悬浮微粒物质(PM)大量增加，暴露人群的肺功能显著下降。在秸秆焚烧量降低的月份中，PFTs显示用力肺活量(FVC)和第1秒用力呼气容积(FEV1)并未完全恢复，而最大呼气流量(PEF)和25%～75%间强迫肺活量时用力呼气量(FEF25%～75%)在秸秆焚烧期结束后显示部分恢复，且秸秆焚烧对PEF的影响大于对FEF25%～75%的影响。高龄人群(>40岁)和低龄人群(<18岁)与青年人群(18～40岁)相比更易受到秸秆焚烧的影响。PM的粒径与肺功能呈负相关，小粒径颗粒物(如PM2.5)对肺功能降低的影响最大。

2.1.2 生物质燃烧与哮喘的关系 Lipsett等[9]美国加利福尼亚州圣克拉拉县冬季环境中的PM10浓度每立方米上升10 μg(该时期PM10的主要来源是住宅木材燃烧烟雾)，则哮喘相关急诊患者增加6.0%；Norris等[10]在西雅图研究发现，PM10的浓度每立方米上升11 μg(1993年木材燃烧是PM10污染的主要来源)，则哮喘相关急诊患者增加1.2%。Long等[11]对428位暴露于农业生物质(稻草和秸秆)燃烧环境的受试者呼吸道症状进行评估，结果发现在24 h暴露期，PM10的平均浓度由每立方米15～40 μg增加至80～100 μg，63%的受试者因空气污染导致呼吸道症状恶化，有哮喘和慢性支气管炎的受试者受到的影响最大。Arbex等[12]研究的甘蔗产区生物质燃烧对健康的影响结果表明，总悬浮颗粒物(TSP)对哮喘的发生有急性促进作用，5 d内TSP的浓度平均每立方米增加10 μg，则因哮喘入院的患者增加11.6%。

2.1.3 生物质燃烧与支气管炎和COPD的关系 研究表明，生物质燃烧烟雾与支气管炎和慢性气道阻塞关系密切[13]。da Silva等[14]对生物质燃烧与液化石油气燃烧进行了对比研究，考察了部分生物质燃烧产生的PM2.5的暴露与肺脏功能的相关性，结果表明，受试者暴露在生物质燃烧环境中可导致呼吸道症状恶化、肺功能降低和COPD的发展；且其对呼吸道症状的影响与受试者暴露的时间和程度有关。一个包含多个国家的15个流行病学研究结果的Meta分析发现，暴露在生物质燃烧烟雾中的人群发展为COPD的比值比(OR)为2.44[15]。说明暴露在生物质燃烧烟雾中的人群较未暴露人群发展为COPD的危险度高。González-García等[16]对暴露在木材燃烧和烟草燃烧烟雾中的女性COPD患者的支气管高反应性进行了对比研究，结果发现暴露在木材燃烧烟雾中的女性COPD患者的支气管高反应性较暴露在烟草燃烧烟雾中的女性COPD患者更严重。

鉴于流行病学研究显示，生物质燃烧烟雾是COPD发生的风险因素，但缺乏试验性的数据支持。Hu等[17]对大鼠暴露在生物质燃烧烟雾环境中是否可以诱发病理变化和系统性氧化应激(病理变化和系统性氧化应激可以发展成肺气肿和慢性支气管炎)进行研究。结果发现，暴露在生物质燃烧烟雾中的大鼠出现了系统性氧化应激，肺泡灌洗液中的炎性细胞数量增加，肺平均内衬间隔(MLI)增加，平均肺泡数(MAN)减少，同时可见大鼠肺脏出现慢性支气管炎和支气管周围纤维化，且谷氨酸半胱氨酸连接酶催化亚基(GCLC)的蛋白表达水平升高。

2.1.4 生物质燃烧与支气管炭末沉着症的关系 Gupta等[18]通过回顾性调查研究发现，农村地区的老年家庭主妇多数伴有支气管炭末沉着症。而支气管炭末沉着症与肺结核、COPD、肺炎和恶性肿瘤存在密切关系[18-20]。

2.1.5 生物质燃烧与肺脏组织的病理学关系 为考察长期暴露在生物质燃烧烟雾环境中对肺脏组织的病理学影响，Gunbatar等[21]对42名不抽烟但有多年生物质燃烧烟雾暴露史的女性进行了案例分析。结果发现，42%的暴露者放射性检查有影像学变化，31%有网状小结节阴影，26%有纵隔淋巴病，19%有胸膜实质纤维变性，14%有肺动脉变宽，11%有毛玻璃样变化，9%有镶嵌性灌注，9%有肺实变，7%有肺段或亚段不张，7%有支气管扩张；患者肺癌、间质性肺疾病、肉瘤样病、肺结核、COPD、慢性支气管炎和肺转移的诊断率分别为35%、7%、9%、9%、4%、9%和4%；支气管镜检查可见菌毛、水肿、红斑、支气管变窄、支气管内肿瘤、黏膜不齐、血管增生、深蓝色炭肺斑和脓性分泌物；支气管活组织检查可见血管周围、细支气管周围和肺泡隔有中性粒细胞和淋巴细胞浸润，结缔组织轻度增加，基底膜变厚，肺泡隔变厚，血管壁内膜和中层变厚，血管腔变窄，细支气管上皮细胞间炭末沉着。提示生物质燃烧烟雾可对肺脏实质、间质和脉管产生不利影响，甚至会导致恶性肿瘤的发生。

2.2 生物质燃烧与心血管系统疾病的关系 有关研究表明，急性暴露在汽车尾气和高浓度颗粒物环境中可产生急性血管收缩、血压升高、动脉僵硬度增加、血管内皮功能障碍、心肌缺血和心脏自律性改变[22]。Nunes等[23]研究发现，居住在巴西亚马逊河流域(曾发生森林大火)的老年人群在当地环境中的暴露(以PM2.5为指标)与心血管系统疾病的死亡率有很强的相关性。Lee等[24]针对中国成年人研究发现，室内固体染料(包括煤炭或生物质)燃烧烟雾的暴露可能会使高血压、冠心病和卒中的发病风险增加。Sandoval等[25]研究表明，木材燃烧烟雾的长期慢性吸入与肺源性心脏病的发生有关。

2.2.1 生物质燃烧与高血压的关系 Baumgartner等[26]考察了经常暴露在PM2.5(主要源于室内生物质燃烧)环境中对中国云南农村女性血压的影响，结果发现PM2.5浓度增加一个对数单位(即1-log μg/m3)所有受试女性的收缩压和舒张压分别平均升高2.2 mm Hg(1 mm Hg=0.133 kPa)和0.5 mm Hg；按年龄分组分析发现，50岁以上的女性在PM2.5浓度增加一个对数单位时收缩压和舒张压分别平均升高4.1 mm Hg和1.8 mm Hg。因此生物质燃烧PM2.5的暴露可能是导致血压升高的风险因素。

肺性高血压是COPD的常见并发症且与患者存活率的降低有关。Sertogullarindan等[27]对烟草烟雾暴露相关的COPD患者与肺性高血压的关系进行研究发现，生物质燃烧烟雾暴露相关的COPD女性患者较烟草燃烧烟雾暴露相关的COPD男性患者肺性高血压发生率更高。

2.2.2 生物质燃烧与动脉粥样硬化的关系 暴露在生物质燃烧烟雾中可产生由肺脏介导的炎症和氧化应激反应，而炎症和氧化应激反应可能会增加动脉粥样硬化的风险。Unosson等[22]对14名健康受试者进行随机双盲研究发现，受试者暴露在木材燃烧烟雾中〔平均浓度为(314±38) μg/m3〕可使中央动脉的硬度增加，同时使患者心率增加、心率变异性降低。Painschab等[28]对秘鲁266名成年人(≥35岁)进行横向研究发现，使用生物质燃料人群和使用清洁燃料人群接触PM2.5的平均浓度分别为280 μg/m3和14 μg/m3；使用生物质燃料人群颈动脉内中膜厚度(CIMT)(0.66 mm)、颈动脉斑块发生率(26%)和收缩压(118 mm Hg)均高于使用清洁燃料人群(分别为0.60 mm，14%，111 mm Hg)，且在进行多变量分析后上述变化均值差异更大。因此，长期慢性暴露在生物质燃烧烟雾环境中与CIMT和粥样硬化斑块的增加及血压升高有关，生物质燃烧烟雾可被视为心血管系统疾病的风险因素。

3 结语

由生物质燃烧生成的烟雾是人为造成空气污染的世界性问题。生物质燃烧可使周围环境中的有机化合物、无机化合物和不溶性颗粒物等污染物显著增加。几个世纪以来，人类多暴露在因做饭、取暖等生物质燃烧过程中释放的烟雾环境中，而该现象在不发达地区依然存在。近年来，我国多地在夏收和秋收季节更是出现了有害无益且屡禁不止的秸秆焚烧现象。通过对国内外文献资料的分析总结发现，生物质燃烧烟雾可对人的肺脏呼吸功能产生影响，与哮喘、慢性支气管炎和慢性气道阻塞等呼吸系统疾病密切相关，且可能造成多种类型的肺脏组织病理学变化。长期慢性暴露在生物质燃烧烟雾环境中与血管内膜增厚和粥样硬化斑块的增加及血压的升高有关。随着国内外对生物质燃烧烟雾产生的健康危害研究的深入，可能会发现越来越多的疾病与暴露在生物质燃烧烟雾环境中相关。因此，我国需要通过多种途径(如加强宣传力度等)提高国人，尤其是农业从业人员的环保和健康意识；同时国家需要提供有力的技术支持和惠农政策(如积极探索有效的方法和技术，从根本上解决秸秆焚烧问题)以使农业生物质燃烧造成的健康危害逐渐降低。

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