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.中國人民警察大學研究生院 河北廊坊 065000； 2.中國人民警察大學偵查學院 河北廊坊 065000；3.海口市消防救援支隊 海口 070100)

0 引言

隨著新型材料在生活中的應用日益廣泛，發生火災時煙氣的成分和含量也更加復雜，加之現代建筑功能多樣、密閉性強，一旦發生火災，煙氣的毒害作用會使建筑內人員難以逃生，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損失。根據國際消防與救援服務協會(CTIF)相關火災統計顯示，歐洲國家火災死亡人數仍在增加，煙氣毒性致死問題也更加突顯，火災煙氣毒性是火災致人死亡和傷害的最大原因。因此，本文對火災煙氣毒性的危害、影響因素及量化評估等方面的研究進展進行了梳理，旨在為煙氣系統性研究提供指導和參考。

1 煙氣的毒害

火災產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 煙氣化學毒害

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

發生火災時，血液中二氧化碳的存在和環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，導致接觸后呼吸窘迫和死亡。現代建筑中的多數阻燃劑燃燒會產生有機物煙氣[2]，如乙醛、甲醛、苯酚等，美國國家職業安全衛生研究所(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，不僅具有一定的毒性，而且部分微粒可以穿透防護面罩，經過呼吸道到達肺的深處，造成氣管堵塞，構成呼吸危害。煙塵顆粒的危害程度與粒徑大小有關，當人體吸入粒徑<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

人員處于火災現場一般有3種基本的熱暴露：①暴露于熱空氣環境中的對流熱；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。可以看出，高溫煙氣也會造成火災熱損傷，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

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

2.1 可燃物性質的影響

材料的化學結構、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物產生影響，繼而影響其煙氣毒性。當可燃物的組成主要為碳、氫和氧時,在火災中其燃燒的主要產物為二氧化碳和水,同時伴有較少的煙塵顆粒和不完全燃燒產物。當可燃物中含有硫、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，很可能產生大量的氰化氫(HCN)、氮氧化物(NOx)和氨，同時，較大火災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的聚合物有較大的產煙趨勢[5]。按照國標要求，目前多數建筑材料已經過阻燃處理，而添加的阻燃劑對材料煙毒性有較大影響。有學者對軟質聚氨酯泡沫進行不同尺度的實驗研究發現，當在泡沫上覆蓋阻燃織物時，泡沫將無法持續燃燒且伴隨有少量有毒煙氣產生；PRICE D等[6]利用磷酸三甲苯酯(TCP)作為阻燃劑，發現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破壞燃燒過程，導致氣相燃料分子的不完全氧化，最終使不完全燃燒產物的產量提高[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

燃燒產物中煙氣的毒害性與燃燒時的外界環境有很大關系。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。火焰中自由基的高反應性使燃料在有氧氣條件下盡可能氧化，此時燃燒所產生的煙氣相對較少。當溫度低、缺乏通風和沒有火焰時，燃燒被認為是不完全燃燒，會形成大量的有毒煙氣[8]。溫度對燃燒產物也有影響，有研究發現,PU泡沫在環境溫度為700～1 000 ℃時燃燒產生大量HCN，在300～800 ℃時燃燒則產生大量CO,可以看出當溫度高于800 ℃時HCN占主導地位。

在通風良好的燃燒條件下，充足的氧氣與可燃性氣體混合，發生充分的氧化還原反應，生成完全燃燒產物二氧化碳和水。在通風不良的燃燒條件下，由于氧氣供應不足，燃燒區域溫度在300～600 ℃之間，燃燒效率低下，不完全燃燒產物如CO等明顯增多[9]。全尺寸的火災通常會發展成通風不良的有焰燃燒，產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生的煙氣毒性更高，但是其燃燒速度很慢，綜合考慮，其火災危險性仍低于通風不良的有焰燃燒階段。

膠合板在貧氧狀態下燃燒產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生CO的速率是在富氧條件下的40多倍。總體來看，大多數物質在通風不良的貧氧燃燒狀態下產生的有毒有害物質都高于在富氧條件下的若干倍。

3 煙氣毒性的評估方法

火災煙氣毒性是火災風險評估的基本組成部分，為評估燃燒產物的毒性，眾多學者通過實驗研究評估,提出了N-氣體模型，以及在N-氣體模型基礎上發展的FED模型，即有效劑量分數法。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模型在本質上是相似的，也是用常見的少數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，更加全面地展現了火災現場煙氣毒害的多樣性和復雜性。

隨著煙氣毒性研究的發展，毒性評估在世界范圍內逐漸發生變化，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基礎。將人類細胞與體外細胞毒性技術相結合，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%抑制濃度或導致50%活細胞活性抑制的濃度 (IC50)，IC50與常規動物毒性中的 50%致死劑量(LD50)有一定聯系。有研究表明，將使用空氣/液體界面直接暴露技術的體外方法產生的IC50值和LC50毒性數據相比較，體外結果顯示出比傳統動物毒性實驗更大的敏感性[12]。體外實驗用人肺細胞產生的IC50值與預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，體外實驗結果與人急性吸入毒性的關系比動物實驗更密切[13]。

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

4 結語

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

常規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據來源。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相結合，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，未來的研究方向應考慮整合體外方法，有助于在燃燒毒理學領域對火災危險性進行更全面的風險評估。