火灾烟气毒性的定量评价方法评述_童朝阳

(不是 0 或 100%), 且 N -气体值近 似 =1 时 , 表明试验 量接 近于材料的 LC50 ;无 动物 死亡 , 表 明燃 烧 气体 间存 在 拮抗 作 用 ;所有动物都死亡 , 表明可能存在不为人 所知的某种其他毒
性气体 , 或气体间存在毒性协同作用 , 或可 能存在其他逆向因
素 。 根据这种分析 方法 , 目 前人 们已 发现 CO2 和 CO 、NO2 存 在协同作用 , 而 NO2 同 HCN 存 在拮抗作用 。 2.2 FED 或 FEC 评价模 型
式中 Ci 为第 i 种气体的浓度 , LC50(i)t 为 i 种气体的半数致
死浓度与时间的乘积 。
在试验室条件下 , 暴露时间是固定的 , 且浓度随时间变化
较小 , 则上式可简化为
FED
=∑
i
Ci LC50(i)
(3)
于是 FED 模型与 N -气体模型具有相似的形式
FED
=[
m[ CO] CO2] -b
童朝阳 , 阴忆烽 , 黄启斌 , 林福生
(解放军防化研究院第四 研究所 , 北京 102205)
摘 要 :火灾烟气毒性定量评 价是毒理 学研究的 一个新兴 领域 。 烟 气毒性与建筑材料 、燃烧条件 、烟气毒物在 建筑物内 的传播规 律及暴 露时间有关 , 这些都是传统毒理学评价方法难以解决的问题 。 烟气毒 性定量评价的目的是通过建立数学模型, 以最少的动物试验 , 从宏观上 更加定量化 、系统化地评价和预测 火灾烟气毒性 。 本文介绍了国外火 灾烟气毒性定量评价的标准 、烟气定量评价的数学模型 , 评述了这些模 型的适用范围和优缺点 , 分析了火灾烟气毒性定量评价的发展方向 。 关键词 :毒理学 ;火灾 ;烟气毒性 ;定量评价 ;数学模型 中图分类号 :X928.7 ;R992 文献标识码 :A
2.2.2 窒息性气体 FED 模型 窒息性毒性气体模型的基本原理[ 16] 可定义为
n t2
FED =∑ ∑ i =1 t1
(CCti)i Δt
(5)
式中 Ci 为第 i 种窒息 性气体的 浓度 , 10-6 ;(Ct)i 为使 试验
动物失能的某种气体的暴露水平 , 10-6 ×min。
通过测定每种窒息性气体的暴露时间和浓度来计算单一
线非常陡 , 通常认为 , 如果动物死 亡的百分率不是 0 或 100 %, 试验所对应的浓度接近预测 的 LC50 。N -气体 模型的预 测结 果与试验结果较一致 , 在许多研究已经得到了证实 。
N -气体模型还可以分析烟气各 成分气体 的相互作用 ,
如果某种材料 的燃 烧产 物导 致一 部分 比例 的试 验动 物死 亡
t2
∑
t1
[ [
HCN] Ct] HCN
Δt
(8)
3.2.3 刺激性气体 FEC 模型 FEC 模型主要是针对 刺激性 气体的 相对 有效浓 度(Frac-
tional effective concentration)概念 , 是各 种刺激 性气 体浓度 对能 导致暴露试验动物产生效应的浓度的比率之和 。 刺激性气体
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Vol.5 No .4 安 全 与 环 境 学 报 第 5 卷第 4 期
体致死浓度组 合在 一起 的大 量数 据 。 如果 毒性 可以 简 单相
加 , 则 FED 可以定义为
FED =∑
i
∫0i Ci dt LC50(i)t
(2)
2 烟气定量评价数学模型
2.1 N -气体模型
N -气体模型的假设前提是 , 火灾中烟气所产生的毒性效
应是由少数几种气体引起的 。 也就是说 , 烟气中 少数(N)气体 代表着大部分可观察到的毒性效应 。人们可以燃烧一种物品 ,
然后测定 N -气体中每一种的释放速率 , 最后根据试验结果把 多种效应 结合在 一起 。 到目前 为止 , 一般考 虑 7 种气体 :CO , CO2 , RO2(贫氧), HCl, HBr , HCN , NO2[ 13] 。 计算经验公式如下
＊ 收稿日期 :2005-03-31 作者简介 :童朝阳 , 副研究员 , 博 士后 , 从事 生物化学 与分子 毒理 学研究 。 基金项目 :国家重点基础研究发展规划项目(2001CB40960501)
在燃烧炉燃烧后 释放 的烟气 能杀 死 50 %试 验动 物时 的材 料 质量 , g 。 4)IC50(Incapaciatation Concentration)。 表 示使 50%试验 动 物失能的浓度 。 该参数的优点是提供的危 险评价标准更适合 于为现场火灾的中消防 人员及居民提供最佳的逃生时间 。 5)暴露时间 。 LC50 、LL50 、IC50 这些参数的值并不 是固定不 变的 , 它们与暴露时间有 密切的 关系 , 一般情 况下 , 暴露时 间 越长 , 参数 就越 小 , 反 之亦 然 。 多 数 试验 中 , 暴 露时 间 为 30 min , 暴露后观察的时间为 10 min～ 14 d 。在一 些试验中 , 没有 暴露后的观 察 时间 。 通 常测 定 时 , 一 般固 定 暴 露时 间 为 30 min , 暴露后观察时间为 14 d。
N
-气
体值
=[
m[ CO] CO2] -b
+212-1 -LC[5O0(2O] 2)+{LC[5H0(CHNC]N)×
L0C.540[(NNOO2]2)}+{L0C.540[(NNOO2]2)}+
[ HCl] [ HBr] LC50(HC l)LC50(HBr)
(1)
式中 括号内的值代表 这种气体在 30 min 暴露时间内的平均
暴露时间内总 FEC 值高于 FEC 阈值 , 将会对暴露在此 气体浓
度下的人员产生严重 的刺激 作用 , 可能对 居民的 安全逃 生产
生显著的不利影响 。
2.3 TGAS 评价模型 由于还没有火灾 毒性气 体使人失 能的数 据 , 对于灵 长类
动物 , 这方面的数据也非常少 , 对失能的估 计必须依据小动物
1 烟气毒性定量评价标准
烟气毒 性的定量评价 视需要采 取不同 的指标 , 主 要有以 下几种[ 12] 。 1)LC50(Lethal Concentration)。 烟 气毒 性的 衡量 标准 通常 采用 LC50 , 表示使 50%的试验动 物在规 定暴露 时间以 及暴露 后的继续观察时间内产生死亡的烟气浓度 , 一般 以 10-6或 g/ m3 表示 。 2)LT50(Lethal Time)。 定义为在燃烧 炉燃烧 1 g 某 材料释 放的烟气杀死 50%试验动物所需的时间 , min。 3)LL50(Lethal Loading)。 定义为 在固定 暴露时 间内 , 材料
应乘以 一 个 频率 因 子(VCO2)进 行校 正 。 VCO2 与 不 同 浓度 的 CO2 的关系可以用式(7)进行计算 。
VCO2 =exp[
%CO2] 5
(7)
用 VCO 校正式(6), 得 到 2
FED=exp [
%CO2] 5ຫໍສະໝຸດ t2∑t1
[
[
CO] Ct] CO
Δt
+exp
[
%CO2] 5
对呼吸系统 、感官和肺刺 激效应 可以使 用一个 总相对 阈值浓
度概念来评价 。 如果暴 露剂量 超过此 阈值 , 表明可 能会产 生
使人难以忍受的刺激 作用 , 这种严 重的刺 激效应 将会妨 碍和 阻止居民的安全逃生 。 如果每种刺激性气 体的刺激作用具有
可加性 , 则所有刺激 性气 体刺 激效 应的 总 FEC 值可 用 式(9) 表示 。
气体的 FED 值 FEDs , 比较混合气 体的总 FED 值(即各 种气体 FEDs 之 和)和 预测的总 FED 阈 值 , 如 果总累计的 FED 值大于
预测的 FED 阈值 , 在这种浓度下 , 动物不能安 全逃生 。 模型建 立者认为 , 当 氧浓 度不 低于 13%时 , 可 以不 考虑
2.2.1 N -气体模型基础上 的 FED 模型
FED 法依据的是相对有效暴露剂量(Fractional effective exposure dose)概念 。FED 法首先测量燃烧 所释放出 的某些 气体
的数量 , 然后把各测量结果 转换成 它们各 自杀死 某种动 物所
需的总剂量中所占的比例 。 转换依据是根 据一些主要有毒气
FEC
=
[ HCl] ICHCl
+
[ HBr] ICHBr
+
[ HF] ICHF
+
[ SO2] ICSO
+
[ NO2] IC NO
+
2
2
[ CH2 =CH -CHO] ICCH2 =CH -CHO
+[
HCHO] IC HC HO
+∑[
刺
激性气体] IC i
(9)
式中 浓度均用 10 -6表示 。
每种刺激性气 体 FECS 由其不 同的暴 露时间 决定 。 将 每 种刺激性气体 在各自暴露时间内的 FECS 求和 , 并与总 FEC 阈 值进行比较 , 以此来选择 合适的 安全逃 逸标准 。 如 果在任 何
O2 的损 害作用 , 最主要 的窒息 性气体 为 CO 和 HCN , 因此 , 式
(5)可转变为
FED
t2
=∑ t1
[
[
CO] Ct] CO
Δt
t2
+∑ t1
[ [
CHtC] NH]CNΔt
式中 CO 和 HCN 浓度用 10-6表示 。
(6)
当 CO2 浓度超过 2%时 , 会 使动 物高 度换 气而 导致 窒息 性气体吸收 增加 , 此时窒 息性 气体 总 FED 值将 增加 , 上 述式