火场烟毒性研究进展*

王鑫玉 张金专 金静 刘卓洋 黄文晓 杨云

(1.中国人民警察大学研究生院 河北廊坊 065000； 2.中国人民警察大学侦查学院 河北廊坊 065000；3.海口市消防救援支队 海口 070100)

0 引言

随着新型材料在生活中的应用日益广泛，发生火灾时烟气的成分和含量也更加复杂，加之现代建筑功能多样、密闭性强，一旦发生火灾，烟气的毒害作用会使建筑内人员难以逃生，救援人员难以展开有效救援，易造成巨大的人员伤亡和财产损失。根据国际消防与救援服务协会(CTIF)相关火灾统计显示，欧洲国家火灾死亡人数仍在增加，烟气毒性致死问题也更加突显，火灾烟气毒性是火灾致人死亡和伤害的最大原因。因此，本文对火灾烟气毒性的危害、影响因素及量化评估等方面的研究进展进行了梳理，旨在为烟气系统性研究提供指导和参考。

1 烟气的毒害

火灾产生的烟气阻碍救援人员开展救援工作，严重时片刻即可夺去生命；同时，消防员的癌症死亡率是普通民众的两倍，证明了烟气对人体存在慢性伤害。

1.1 烟气化学毒害

绝大多数可燃物在燃烧时会释放出有毒有害气体，人体吸入后可能导致死亡或者永久性伤害，这些气体包括：①完全氧化产物的混合物，如二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)等；②非完全氧化产物，如一氧化碳(CO)、氰化氢(HCN)或醛；③燃料或燃料降解产物，如脂肪族或芳香族碳氢化合物；④其他稳定的气体分子，如卤化氢。

发生火灾时，血液中二氧化碳的存在和环境中氧气的消耗会刺激人体过度呼吸，加快呼吸速率，进而加快了火灾气体中有毒成分的吸入和意识的混乱甚至丧失。一氧化碳是火灾气体中最具毒理意义的成分之一，它通过形成羧基血红蛋白阻止氧气运输；尼龙、PVC燃烧所产生的氯化氢具有更大的毒性，它可以阻止更广泛的细胞吸收氧气，其毒性大约是一氧化碳的25倍，且作用非常迅速[1]。刺激性气体如氯化氢(HCl)、溴化氢(HBr)在一定的浓度和暴露时间(即剂量)下，通过刺激上呼吸道、眼睛、鼻子、喉咙引起不适和剧烈疼痛；在足够高的浓度下,刺激可以穿透深层进入肺部,引起肺部刺激效应，导致接触后呼吸窘迫和死亡。现代建筑中的多数阻燃剂燃烧会产生有机物烟气[2]，如乙醛、甲醛、苯酚等，美国国家职业安全卫生研究所(NIOSH)认为这些有机物烟气毒性更大，具体的立即威胁生命和健康浓度(IDLH)值如表1所示。

1.2 烟尘颗粒

烟尘颗粒属于烟气的重要组成部分，悬浮于空气中使人视觉模糊、惊慌失措而严重影响逃生，同时还包含许多微粒物质，不仅具有一定的毒性，而且部分微粒可以穿透防护面罩，经过呼吸道到达肺的深处，造成气管堵塞，构成呼吸危害。烟尘颗粒的危害程度与粒径大小有关，当人体吸入粒径<1 μm的烟尘颗粒时，烟尘颗粒能够进入细支气管，进而阻碍肺泡的工作，严重危害人体的呼吸，造成不可修复的损伤。

表1 常见的有机刺激物IDLH值

1.3 烟气灼烧

人员处于火灾现场一般有3种基本的热暴露：①暴露于热空气环境中的对流热；②暴露于火焰或热烟气层的辐射热；③暴露于热烟中的受热物体，如热烟颗粒。可以看出，高温烟气也会造成火灾热损伤，对人体的伤害主要是中暑(高热)、皮肤疼痛烧伤和呼吸道烧伤等。由于口咽部有一层潮湿的粘膜，传热效率高，所以大部分热烟气引起的热烧伤发生在声门以上。若长时间暴露在浓烟和高温蒸汽中，在向组织传递热量之前就会将烟气吸入肺部深处，导致肺泡损伤、肺水肿等难以治疗的烧伤[3]。

2 烟气毒性的影响因素

在火灾环境中，烟气排放的成分取决于许多变量，加之火灾的动态特性，影响烟气毒性的因素非常复杂，其中主要包括可燃物的性质，如可燃物的组成元素、分子构造、添加物成分等；以及燃烧的条件，如通风、氧浓度、温度等对于燃烧过程的影响[4]。

2.1 可燃物性质的影响

材料的化学结构、分子量等在很大程度上决定了其烟气成分，而其他添加物和填料等不可避免地也会对材料燃烧产物产生影响，继而影响其烟气毒性。当可燃物的组成主要为碳、氢和氧时,在火灾中其燃烧的主要产物为二氧化碳和水,同时伴有较少的烟尘颗粒和不完全燃烧产物。当可燃物中含有硫、卤素或磷时，这些元素主要以酸性气体的形式释放出来，如聚氯乙烯塑料燃烧，其中存在的氯大部分以HCl的形式释放。可燃物中的氮主要以N2的形式释放，生成的少量NO进一步氧化为NO2；如果是含有大量氮的聚合物，如尼龙、聚氨酯和聚丙烯腈，很可能产生大量的氰化氢(HCN)、氮氧化物(NOx)和氨，同时，较大火灾也可能使大气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单元主链含苯环的聚合物有较大的产烟趋势[5]。按照国标要求，目前多数建筑材料已经过阻燃处理，而添加的阻燃剂对材料烟毒性有较大影响。有学者对软质聚氨酯泡沫进行不同尺度的实验研究发现，当在泡沫上覆盖阻燃织物时，泡沫将无法持续燃烧且伴随有少量有毒烟气产生；PRICE D等[6]利用磷酸三甲苯酯(TCP)作为阻燃剂，发现TCP可以显著降低聚氨酯泡沫含有-NCO基团的有毒气体，增加CO2气体的含量。阻燃剂的加入也会使可燃物燃烧时释放出更多的有毒有害气体，如基于有机卤素或有机磷化合物的阻燃剂属于气相阻燃剂，通过干扰燃烧的自由基反应破坏燃烧过程，导致气相燃料分子的不完全氧化，最终使不完全燃烧产物的产量提高[7]。有些木材会添加含有重金属的防腐剂铬酸铜，在燃烧的过程中会使其作为重金属氧化物释放，如三氧化铬和三氧化二砷。

2.2 燃烧条件的影响

燃烧产物中烟气的毒害性与燃烧时的外界环境有很大关系。氧气作为燃烧的必要条件之一，决定着燃烧是有焰燃烧还是无焰燃烧。火焰中自由基的高反应性使燃料在有氧气条件下尽可能氧化，此时燃烧所产生的烟气相对较少。当温度低、缺乏通风和没有火焰时，燃烧被认为是不完全燃烧，会形成大量的有毒烟气[8]。温度对燃烧产物也有影响，有研究发现,PU泡沫在环境温度为700～1 000 ℃时燃烧产生大量HCN，在300～800 ℃时燃烧则产生大量CO,可以看出当温度高于800 ℃时HCN占主导地位。

在通风良好的燃烧条件下，充足的氧气与可燃性气体混合，发生充分的氧化还原反应，生成完全燃烧产物二氧化碳和水。在通风不良的燃烧条件下，由于氧气供应不足，燃烧区域温度在300～600 ℃之间，燃烧效率低下，不完全燃烧产物如CO等明显增多[9]。全尺寸的火灾通常会发展成通风不良的有焰燃烧，产生的烟气毒性远高于其他阶段。值得注意的是，虽然无焰阴燃阶段产生的烟气毒性更高，但是其燃烧速度很慢，综合考虑，其火灾危险性仍低于通风不良的有焰燃烧阶段。

胶合板在贫氧状态下燃烧产生烟尘的速率达到了富氧条件下的近5倍；尼龙在贫氧的条件下燃烧产生CO的速率是在富氧条件下的40多倍。总体来看，大多数物质在通风不良的贫氧燃烧状态下产生的有毒有害物质都高于在富氧条件下的若干倍。

3 烟气毒性的评估方法

火灾烟气毒性是火灾风险评估的基本组成部分，为评估燃烧产物的毒性，众多学者通过实验研究评估,提出了N-气体模型，以及在N-气体模型基础上发展的FED模型，即有效剂量分数法。在综合考虑温度、烟气毒性、能见度3个因素的情况下，提出了THVCH模型对火灾烟气的危害性进行评估。THVCH模型与N-气体模型及FED模型在本质上是相似的，也是用常见的少数几种有毒气体来评价烟气的整体毒害性，不同的是其也考虑了烟气能见度、辐射热对火场中人员的影响，更加全面地展现了火灾现场烟气毒害的多样性和复杂性。

随着烟气毒性研究的发展，毒性评估在世界范围内逐渐发生变化，其主要目的是通过3R′s方法(减少、替代和改进)来减少动物实验。3R′s原则已被公认为是动物实验中人道对待和替代方法的科学基础。将人类细胞与体外细胞毒性技术相结合，研究毒物对活细胞的毒性程度，例如MTT和MTS试验[10-12]。在体外细胞毒性方面，常用的毒性表达是50%抑制浓度或导致50%活细胞活性抑制的浓度 (IC50)，IC50与常规动物毒性中的 50%致死剂量(LD50)有一定联系。有研究表明，将使用空气/液体界面直接暴露技术的体外方法产生的IC50值和LC50毒性数据相比较，体外结果显示出比传统动物毒性实验更大的敏感性[12]。体外实验用人肺细胞产生的IC50值与预测的人急性吸入毒性值(LC50人)和动物急性吸入毒性值(LC50动物)的比较表明，体外实验结果与人急性吸入毒性的关系比动物实验更密切[13]。

通过许多关于燃烧刺激性气体毒性的研究可以发现，小鼠和大鼠对于相同的毒性条件尚且表现出不同的敏感性[14]，人类则会表现出更大的差异，因此动物实验不足以作为预测对人类毒性的模型。使用MTT和MTS的体外方法在预测快速作用的化学物质(如酸和碱)的毒性方面更加敏感，特别是在评估燃烧产生的刺激性气体方面，体外方法提供了更准确的毒性信息，有可能取代燃烧毒理学领域的动物实验。

4 结语

烟气的毒害性和复杂性主要是由可燃物的性质和燃烧的外界环境条件两方面决定。不同的可燃物燃烧产生烟气中的毒害物质种类和浓度都是不同的；同一种物质在不同的氧气浓度下燃烧产生烟气中的毒害物质种类和浓度也是不同的。

常规的烟气毒性评估方法如N-气体模型、FED模型和THVCH模型，都是以动物染毒实验作为数据来源。在考虑动物人道对待的前提下，将人类细胞与体外细胞毒性技术相结合，研究毒物对活细胞的毒性程度，可能替代动物活体实验。为完全取代动物实验，未来的研究方向应考虑整合体外方法，有助于在燃烧毒理学领域对火灾危险性进行更全面的风险评估。