火場煙毒性研究進展*

王鑫玉 張金專 金靜 劉卓洋 黃文曉 楊云

(1.中國人民警察大學(xué)研究生院 河北廊坊 065000； 2.中國人民警察大學(xué)偵查學(xué)院 河北廊坊 065000；3.?？谑邢谰仍ш??？?070100)

0 引言

隨著新型材料在生活中的應(yīng)用日益廣泛，發(fā)生火災(zāi)時煙氣的成分和含量也更加復(fù)雜，加之現(xiàn)代建筑功能多樣、密閉性強，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙氣的毒害作用會使建筑內(nèi)人員難以逃生，救援人員難以展開有效救援，易造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。根據(jù)國際消防與救援服務(wù)協(xié)會(CTIF)相關(guān)火災(zāi)統(tǒng)計顯示，歐洲國家火災(zāi)死亡人數(shù)仍在增加，煙氣毒性致死問題也更加突顯，火災(zāi)煙氣毒性是火災(zāi)致人死亡和傷害的最大原因。因此，本文對火災(zāi)煙氣毒性的危害、影響因素及量化評估等方面的研究進展進行了梳理，旨在為煙氣系統(tǒng)性研究提供指導(dǎo)和參考。

1 煙氣的毒害

火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣阻礙救援人員開展救援工作，嚴重時片刻即可奪去生命；同時，消防員的癌癥死亡率是普通民眾的兩倍，證明了煙氣對人體存在慢性傷害。

1.1 煙氣化學(xué)毒害

絕大多數(shù)可燃物在燃燒時會釋放出有毒有害氣體，人體吸入后可能導(dǎo)致死亡或者永久性傷害，這些氣體包括：①完全氧化產(chǎn)物的混合物，如二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)等；②非完全氧化產(chǎn)物，如一氧化碳(CO)、氰化氫(HCN)或醛；③燃料或燃料降解產(chǎn)物，如脂肪族或芳香族碳氫化合物；④其他穩(wěn)定的氣體分子，如鹵化氫。

發(fā)生火災(zāi)時，血液中二氧化碳的存在和環(huán)境中氧氣的消耗會刺激人體過度呼吸，加快呼吸速率，進而加快了火災(zāi)氣體中有毒成分的吸入和意識的混亂甚至喪失。一氧化碳是火災(zāi)氣體中最具毒理意義的成分之一，它通過形成羧基血紅蛋白阻止氧氣運輸；尼龍、PVC燃燒所產(chǎn)生的氯化氫具有更大的毒性，它可以阻止更廣泛的細胞吸收氧氣，其毒性大約是一氧化碳的25倍，且作用非常迅速[1]。刺激性氣體如氯化氫(HCl)、溴化氫(HBr)在一定的濃度和暴露時間(即劑量)下，通過刺激上呼吸道、眼睛、鼻子、喉嚨引起不適和劇烈疼痛；在足夠高的濃度下,刺激可以穿透深層進入肺部,引起肺部刺激效應(yīng)，導(dǎo)致接觸后呼吸窘迫和死亡。現(xiàn)代建筑中的多數(shù)阻燃劑燃燒會產(chǎn)生有機物煙氣[2]，如乙醛、甲醛、苯酚等，美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所(NIOSH)認為這些有機物煙氣毒性更大，具體的立即威脅生命和健康濃度(IDLH)值如表1所示。

1.2 煙塵顆粒

煙塵顆粒屬于煙氣的重要組成部分，懸浮于空氣中使人視覺模糊、驚慌失措而嚴重影響逃生，同時還包含許多微粒物質(zhì)，不僅具有一定的毒性，而且部分微?？梢源┩阜雷o面罩，經(jīng)過呼吸道到達肺的深處，造成氣管堵塞，構(gòu)成呼吸危害。煙塵顆粒的危害程度與粒徑大小有關(guān)，當(dāng)人體吸入粒徑<1 μm的煙塵顆粒時，煙塵顆粒能夠進入細支氣管，進而阻礙肺泡的工作，嚴重危害人體的呼吸，造成不可修復(fù)的損傷。

表1 常見的有機刺激物IDLH值

1.3 煙氣灼燒

人員處于火災(zāi)現(xiàn)場一般有3種基本的熱暴露：①暴露于熱空氣環(huán)境中的對流熱；②暴露于火焰或熱煙氣層的輻射熱；③暴露于熱煙中的受熱物體，如熱煙顆粒?？梢钥闯?，高溫?zé)煔庖矔斐苫馂?zāi)熱損傷，對人體的傷害主要是中暑(高熱)、皮膚疼痛燒傷和呼吸道燒傷等。由于口咽部有一層潮濕的粘膜，傳熱效率高，所以大部分熱煙氣引起的熱燒傷發(fā)生在聲門以上。若長時間暴露在濃煙和高溫蒸汽中，在向組織傳遞熱量之前就會將煙氣吸入肺部深處，導(dǎo)致肺泡損傷、肺水腫等難以治療的燒傷[3]。

2 煙氣毒性的影響因素

在火災(zāi)環(huán)境中，煙氣排放的成分取決于許多變量，加之火災(zāi)的動態(tài)特性，影響煙氣毒性的因素非常復(fù)雜，其中主要包括可燃物的性質(zhì)，如可燃物的組成元素、分子構(gòu)造、添加物成分等；以及燃燒的條件，如通風(fēng)、氧濃度、溫度等對于燃燒過程的影響[4]。

2.1 可燃物性質(zhì)的影響

材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量等在很大程度上決定了其煙氣成分，而其他添加物和填料等不可避免地也會對材料燃燒產(chǎn)物產(chǎn)生影響，繼而影響其煙氣毒性。當(dāng)可燃物的組成主要為碳、氫和氧時,在火災(zāi)中其燃燒的主要產(chǎn)物為二氧化碳和水,同時伴有較少的煙塵顆粒和不完全燃燒產(chǎn)物。當(dāng)可燃物中含有硫、鹵素或磷時，這些元素主要以酸性氣體的形式釋放出來，如聚氯乙烯塑料燃燒，其中存在的氯大部分以HCl的形式釋放。可燃物中的氮主要以N2的形式釋放，生成的少量NO進一步氧化為NO2；如果是含有大量氮的聚合物，如尼龍、聚氨酯和聚丙烯腈，很可能產(chǎn)生大量的氰化氫(HCN)、氮氧化物(NOx)和氨，同時，較大火災(zāi)也可能使大氣中的氮形成非常少量的氮氧化物。

有研究表明，芳香和多烯聚合物相比于單元主鏈含苯環(huán)的聚合物有較大的產(chǎn)煙趨勢[5]。按照國標(biāo)要求，目前多數(shù)建筑材料已經(jīng)過阻燃處理，而添加的阻燃劑對材料煙毒性有較大影響。有學(xué)者對軟質(zhì)聚氨酯泡沫進行不同尺度的實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在泡沫上覆蓋阻燃織物時，泡沫將無法持續(xù)燃燒且伴隨有少量有毒煙氣產(chǎn)生；PRICE D等[6]利用磷酸三甲苯酯(TCP)作為阻燃劑，發(fā)現(xiàn)TCP可以顯著降低聚氨酯泡沫含有-NCO基團的有毒氣體，增加CO2氣體的含量。阻燃劑的加入也會使可燃物燃燒時釋放出更多的有毒有害氣體，如基于有機鹵素或有機磷化合物的阻燃劑屬于氣相阻燃劑，通過干擾燃燒的自由基反應(yīng)破壞燃燒過程，導(dǎo)致氣相燃料分子的不完全氧化，最終使不完全燃燒產(chǎn)物的產(chǎn)量提高[7]。有些木材會添加含有重金屬的防腐劑鉻酸銅，在燃燒的過程中會使其作為重金屬氧化物釋放，如三氧化鉻和三氧化二砷。

2.2 燃燒條件的影響

燃燒產(chǎn)物中煙氣的毒害性與燃燒時的外界環(huán)境有很大關(guān)系。氧氣作為燃燒的必要條件之一，決定著燃燒是有焰燃燒還是無焰燃燒?；鹧嬷凶杂苫母叻磻?yīng)性使燃料在有氧氣條件下盡可能氧化，此時燃燒所產(chǎn)生的煙氣相對較少。當(dāng)溫度低、缺乏通風(fēng)和沒有火焰時，燃燒被認為是不完全燃燒，會形成大量的有毒煙氣[8]。溫度對燃燒產(chǎn)物也有影響，有研究發(fā)現(xiàn),PU泡沫在環(huán)境溫度為700～1 000 ℃時燃燒產(chǎn)生大量HCN，在300～800 ℃時燃燒則產(chǎn)生大量CO,可以看出當(dāng)溫度高于800 ℃時HCN占主導(dǎo)地位。

在通風(fēng)良好的燃燒條件下，充足的氧氣與可燃性氣體混合，發(fā)生充分的氧化還原反應(yīng)，生成完全燃燒產(chǎn)物二氧化碳和水。在通風(fēng)不良的燃燒條件下，由于氧氣供應(yīng)不足，燃燒區(qū)域溫度在300～600 ℃之間，燃燒效率低下，不完全燃燒產(chǎn)物如CO等明顯增多[9]。全尺寸的火災(zāi)通常會發(fā)展成通風(fēng)不良的有焰燃燒，產(chǎn)生的煙氣毒性遠高于其他階段。值得注意的是，雖然無焰陰燃階段產(chǎn)生的煙氣毒性更高，但是其燃燒速度很慢，綜合考慮，其火災(zāi)危險性仍低于通風(fēng)不良的有焰燃燒階段。

膠合板在貧氧狀態(tài)下燃燒產(chǎn)生煙塵的速率達到了富氧條件下的近5倍；尼龍在貧氧的條件下燃燒產(chǎn)生CO的速率是在富氧條件下的40多倍?？傮w來看，大多數(shù)物質(zhì)在通風(fēng)不良的貧氧燃燒狀態(tài)下產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)都高于在富氧條件下的若干倍。

3 煙氣毒性的評估方法

火災(zāi)煙氣毒性是火災(zāi)風(fēng)險評估的基本組成部分，為評估燃燒產(chǎn)物的毒性，眾多學(xué)者通過實驗研究評估,提出了N-氣體模型，以及在N-氣體模型基礎(chǔ)上發(fā)展的FED模型，即有效劑量分數(shù)法。在綜合考慮溫度、煙氣毒性、能見度3個因素的情況下，提出了THVCH模型對火災(zāi)煙氣的危害性進行評估。THVCH模型與N-氣體模型及FED模型在本質(zhì)上是相似的，也是用常見的少數(shù)幾種有毒氣體來評價煙氣的整體毒害性，不同的是其也考慮了煙氣能見度、輻射熱對火場中人員的影響，更加全面地展現(xiàn)了火災(zāi)現(xiàn)場煙氣毒害的多樣性和復(fù)雜性。

隨著煙氣毒性研究的發(fā)展，毒性評估在世界范圍內(nèi)逐漸發(fā)生變化，其主要目的是通過3R′s方法(減少、替代和改進)來減少動物實驗。3R′s原則已被公認為是動物實驗中人道對待和替代方法的科學(xué)基礎(chǔ)。將人類細胞與體外細胞毒性技術(shù)相結(jié)合，研究毒物對活細胞的毒性程度，例如MTT和MTS試驗[10-12]。在體外細胞毒性方面，常用的毒性表達是50%抑制濃度或?qū)е?0%活細胞活性抑制的濃度 (IC50)，IC50與常規(guī)動物毒性中的 50%致死劑量(LD50)有一定聯(lián)系。有研究表明，將使用空氣/液體界面直接暴露技術(shù)的體外方法產(chǎn)生的IC50值和LC50毒性數(shù)據(jù)相比較，體外結(jié)果顯示出比傳統(tǒng)動物毒性實驗更大的敏感性[12]。體外實驗用人肺細胞產(chǎn)生的IC50值與預(yù)測的人急性吸入毒性值(LC50人)和動物急性吸入毒性值(LC50動物)的比較表明，體外實驗結(jié)果與人急性吸入毒性的關(guān)系比動物實驗更密切[13]。

通過許多關(guān)于燃燒刺激性氣體毒性的研究可以發(fā)現(xiàn)，小鼠和大鼠對于相同的毒性條件尚且表現(xiàn)出不同的敏感性[14]，人類則會表現(xiàn)出更大的差異，因此動物實驗不足以作為預(yù)測對人類毒性的模型。使用MTT和MTS的體外方法在預(yù)測快速作用的化學(xué)物質(zhì)(如酸和堿)的毒性方面更加敏感，特別是在評估燃燒產(chǎn)生的刺激性氣體方面，體外方法提供了更準(zhǔn)確的毒性信息，有可能取代燃燒毒理學(xué)領(lǐng)域的動物實驗。

4 結(jié)語

煙氣的毒害性和復(fù)雜性主要是由可燃物的性質(zhì)和燃燒的外界環(huán)境條件兩方面決定。不同的可燃物燃燒產(chǎn)生煙氣中的毒害物質(zhì)種類和濃度都是不同的；同一種物質(zhì)在不同的氧氣濃度下燃燒產(chǎn)生煙氣中的毒害物質(zhì)種類和濃度也是不同的。

常規(guī)的煙氣毒性評估方法如N-氣體模型、FED模型和THVCH模型，都是以動物染毒實驗作為數(shù)據(jù)來源。在考慮動物人道對待的前提下，將人類細胞與體外細胞毒性技術(shù)相結(jié)合，研究毒物對活細胞的毒性程度，可能替代動物活體實驗。為完全取代動物實驗，未來的研究方向應(yīng)考慮整合體外方法，有助于在燃燒毒理學(xué)領(lǐng)域?qū)馂?zāi)危險性進行更全面的風(fēng)險評估。