摘要:阐述了泡沫灭火剂生物降解原理、一般过程及作用机制，分析了影响其生物降解性的主要因素，并对包括OECD301系列标准在内的可用于泡沫灭火剂生物降解测试的方法和标准进行了综述，进而对目前国内外该领域的研究现状进行比较和分析。基于目前泡沫灭火剂生物降解性能的研究较为缺乏，不同种类泡沫灭火剂生物降解性差异较大的现状，提出了基于生物降解性能筛选的泡沫灭火剂优化体系的建立方法，并分析了其未来研究方向。

关键词:环境学;泡沫灭火剂;环境影响;表面活性剂;生物降解;快速生物降解性

引言

泡沫灭火剂是由表面活性剂和其他功能助剂混合制成的水溶液体系。它借助专用的泡沫产生设备形成灭火泡沫，通过泡沫的覆盖作用以及一定的窒息和冷却作用，实现对各类固体和液体可燃物火灾的快速扑救。由于其组分来源广泛、复杂，且在生产、储存、使用和废弃的整个生命周期内存在不经任何处理即排向自然环境的情况，如不加以科学评估、开发和使用，将会造成极大的环境负担和环境风险。因此作为一种消防安全产品，泡沫灭火剂的环境安全性，尤其是生物降解性需要引起关注和重视。

目前对泡沫灭火剂生物降解性及环境影响的研究主要集中于具有环境持久性、难以生物降解的全氟辛烷磺酸盐(Perfluorooctane Sulfonate，PFOS)这一水成膜泡沫灭火剂常用组分上，对其环境分布和毒理作用已经有比较深入和广泛的研究。PFOS及其盐类已被列入斯德哥尔摩公约受控物质名单。对于其他泡沫灭火剂组分可能对环境造成的影响，目前国内未有关注。生物降解性能是评价化学物质对环境影响的重要因素，考察泡沫灭火剂的生物降解性是评估泡沫灭火剂环境风险的重要方面。国外学者已经利用BOD/COD方法对泡沫灭火剂的生物降解性进行了研究，国内还没有相关报道。本文通过对相关文献及试验方法的综述，提出基于生物降解性能筛选的泡沫灭火剂优化体系，以期为相关试验方法的建立及泡沫灭火剂生物降解性能评估提供参考。

一、泡沫灭火剂的组成成分

泡沫灭火剂一般以泡沫浓缩液形式存在，浓缩液主要由水、表面活性剂、溶剂等组成。其中表面活性剂是泡沫灭火剂的主要组分，在泡沫浓缩液中所占比例为5%～20%，一般为阴离子、两性或者非离子碳氢表面活性剂、氟表面活性剂等;有机助溶剂一般为丙二醇、2-丁醚、乙醇等醇和醚类;另外为了满足泡沫灭火剂的储存、输送和灭火要求，还会加入一定比例的缓蚀剂、防腐剂、促泡沫流动剂(一般为氟表面活性剂，添加量为015%～2%)、稳泡剂、抗溶(醇)剂等。

二、泡沫灭火剂生物降解机理

泡沫灭火剂中除了大部分的水之外，其余组分基本都是有机化合物，对环境产生潜在危害的也主要是这些有机化合物。泡沫灭火剂的生物降解主要是指这类有机化合物通过微生物代谢作用的分解过程。

2.1一般机理分析

泡沫灭火剂的可生物降解性是指其组分中的有机化合物在微生物作用下转变成较简单小分子化合物的可能性。泡沫灭火剂生物降解过程一般可以描述为:1)初级降解，即组成成分的母体结构消失，特性发生变化;2)次级降解，即降解得到的产物不再导致环境污染，亦称为环境可接受的生物降解;3)最终降解，即泡沫灭火剂中的组成成分完全转化为CO2、NH3、水等无机物。具体的生物降解过程一般通过ω-氧化、β-氧化和芳环氧化3种氧化方式实现。以常用作泡沫灭火剂中发泡剂组分的阴离子表面活性剂直链烷基苯磺酸钠(LA)S为例，其降解的第1阶段为烷基链末端甲基通过ω-氧化作用，经过醇、醛最终形成羧酸;第2阶段为磺酸基团的分解脱硫，脱下的亚硫酸盐在环境中氧化成硫酸盐;第3阶段为LAS脱去烷基与磺酸基后，剩余的苯乙酸经微生物氧化形成反丁烯二酸和乙酰乙酸，苯转化为儿茶酚，这些物质经过一系列的生化反应最终形成CO2、水、矿质盐等成分。

2.2主要影响因素

影响泡沫灭火剂生物降解的主要因素包括以下3个方面:1)泡沫灭火剂化学组成成分的结构和性质;2)泡沫灭火剂释放到自然环境时，其所在环境的微生物种类和数量;3)影响降解过程的环境因素，如温度、湿度、溶解氧、pH值、盐度等。

其中泡沫灭火剂化学组分的结构和性质对于泡沫灭火剂生物降解的难易程度影响较大。以用于泡沫灭火剂发泡剂的碳氢表面活性剂为例，其分子结构与生物降解性之间的相互关系为:1)表面活性剂的生物降解性主要由疏水基团决定并随疏水基线性程度增加而增加;2)表面活性剂亲水基性质对生物降解性也有影响;3)烷基苯磺酸盐的初级生物降解度随磺酸基和疏水基末端之间距离的增加而增大。

虽然以上影响因素已较为熟知，但是在泡沫灭火剂产品开发时，仍旧主要注重产品的灭火性能，在成分筛选时较少考虑其生物降解难易程度。基于组成成分生物降解性筛选的泡沫灭火剂开发技术尚未应用。

三、泡沫灭火剂生物降解性测试方法

泡沫灭火剂进入环境后，如果能够在短时间内分解，则对环境介质的负面影响及对生物的毒害作用较小。因此，对泡沫灭火剂生物降解性能的考察主要集中于它们的快速生物降解性能。目前还没有针对泡沫灭火剂的快速生物降解性测试方法。但对于单一化学品，已经形成了一套成熟、可靠的快速生物降解性能评估试验方法，可以为泡沫灭火剂生物降解性测试方法提供参考。

经济合作与发展组织(OECD)针对化学品快速生物降解性能，设置了6个不同的方法(OECD301A-F)，并为相关标准等同采用。表1列出了化学快速生物降解性测试方法和适用范围。

目前已有国外泡沫灭火剂产品标准采用上述快速生物降解测试方法。美国农业部《森林维护规范5100-307—用于森林火、飞行器或地面设施火灾的灭火泡沫规范》要求按照美国环保署(USEPA)OPPTS83513110快速生物降解第O部分(密闭瓶法，等同于OECD301D)，对泡沫浓缩液进行为期42d的生物降解性评估。美国消防协会(NFPA)颁布的《NFPA1150:用于A类可燃物火灾的泡沫灭火剂标准》规定，按照OPPTS83513110快速生物降解第M部分(二氧化碳产生法，等同于OECD301B)进行测试，泡沫浓缩液42d之内必须有至少60%进行生物降解。

鉴于泡沫灭火剂的自身特点，采用上述试验方法考察灭火剂的生物降解性时，需要对相关的试验方法进行改进和优化，从整体考察泡沫灭火剂的生物降解性能。

四、泡沫灭火剂生物降解性研究现状

目前国内还没有针对泡沫灭火剂生物降解性的研究，在泡沫灭火剂国家标准中也没有生物降解性能测试的相关内容及要求。国外的相关研究也较少。Ruppert利用BOD20/COD的比值(20d生化需氧量与化学需氧量的比值)来评价6种市售不同类型泡沫灭火剂的生物降解性能，得出的生物降解性能结果见图1。

根据OECD301及其他测试导则的规定，BOD/COD比值大于60%即可判断该化学品是可快速生物降解的。由图1可以看出，水成膜泡沫灭火剂(AFFF)、抗溶水成膜泡沫灭火剂(AFFF/AR)、抗溶氟蛋白泡沫灭火剂(FP/AR)的生物降解率在70%～90%;而氟蛋白泡沫灭火剂(FP)及蛋白泡沫(P)生物降解率均在50%以下，表明这些泡沫的生物降解性能较差;A类泡沫灭火剂(ClassAFoam)生物降解率略小于60%，其快速生物降解能力一般。该研究只考察了少数几种选定泡沫灭火剂的生物降解性能，并不能据此推断各类泡沫灭火剂的生物降解能力。Bernard根据OECD301F方法(呼吸计量法)对欧洲市售的40种不同泡沫灭火剂进行了为期20d的生物降解性试验，得到各类泡沫灭火剂的生物降解能力(见图2)。

由图2可以看出，快速生物降解性能最高的泡沫是合成类泡沫灭火剂(S)，其次是水成膜泡沫灭火剂(AFFF)及A类泡沫灭火剂(ClassAFoam)。这3类泡沫的生物降解率一般在50%以上。尽管水成膜泡沫灭火剂中含有在环境中无法生物降解的全氟表面活性剂，但由于这类物质在泡沫中所占比重较小(一般不超过5%)，其对水成膜泡沫灭火剂生物降解性能的影响有限。生物降解性能较差的4种泡沫分别是抗溶水成膜泡沫灭火剂(AFFF/AR)、成膜氟蛋白泡沫灭火剂(FFFP)、氟蛋白泡沫灭火剂(FP)和蛋白泡沫灭火剂(P)。它们的生物降解率在60%以下，表明这些泡沫均较难生物降解。其中最难降解的3类均为蛋白型泡沫灭火剂，这与Ruppert的研究结论一致。试验结果与人们普遍认为的“蛋白型泡沫灭火剂基料为动植物水解蛋白，其相比于合成泡沫更易生物降解”的观点相矛盾。Devonshire指出，造成蛋白泡沫较难生物降解的原因可能是:

1)蛋白型泡沫灭火剂中含有较多的硫酸亚铁、氯化锌、己二醇等，这类物质对微生物具有一定毒害作用，会导致试验过程中接种微生物种群数量的降低;

2)为了防止蛋白泡沫在储存过程中因微生物分解变质而加入的防腐剂同样会导致接种微生物的死亡，从而导致测试时的蛋白类泡沫灭火剂生物降解性降低。合成泡沫通常由更易生物降解的溶剂和表面活性剂组成，一般不含有杀菌防腐类物质，因而试验测得的生物降解性能较高。

五、基于生物降解性能筛选的泡沫灭火剂优化体系

目前对于泡沫灭火剂的环境影响关注较少，且关注点主要集中于PFOS组分对环境及生物的影响。消防行业中大量使用的泡沫灭火剂对环境造成的影响及其潜在的环境风险尚未引起重视。为了减轻消防活动对环境的破坏，实现消防产业的可持续发展，需要评估泡沫灭火剂对环境的影响，考察其生物降解性能，并且建立基于生物降解性能筛选的泡沫灭火剂优化体系。具体需要在以下三个方面展开工作。

1)基于泡沫灭火剂本身的性质特点，建立和完善快速、准确的泡沫灭火剂生物降解性能测试方法及评价体系。泡沫灭火剂作为一种由多种化学成分组成的化学制品，不同用途、不同厂家的组分和含量各不相同，且厂家一般不公布具体组分。

因此无法根据其组分和含量来判定其生物降解性能，只能通过测试整体的降解性能来进行评价。目前评价泡沫灭火剂生物降解性主要参考OECD301系列试验方法，但不同方法的试验条件和适用的化合物各不相同，因此在应用时，需要考虑泡沫灭火剂自身的物理化学性质，对试验方法进行优化。

2)评估目前在我国市场上销售和使用的泡沫灭火剂的生物降解性，从总体上明确当前泡沫灭火剂产品的生物降解性能，考察其对环境影响的大小。综合评估泡沫灭火剂的灭火性能及生物降解性能，筛选出经试验证实难降解的泡沫灭火剂，对其考虑限制使用或者进行替代。

3)为从根本上保证泡沫灭火剂具有较高的生物降解性能，且对环境的影响较小，在前期的泡沫灭火剂研发过程中，就需要对所用组分进行筛选。以往的泡沫灭火剂研发中只注重组分的灭火性能，未考虑其生物降解性能。基于生物降解性能筛选的泡沫灭火剂优化体系，要求在考察所选组分灭火性能的同时，兼顾其生物降解性能，选用灭火性能及降解性能均优异的物质。

六、结论

泡沫灭火剂的广泛使用会给环境带来潜在的负面影响和环境风险。为保护环境，实现消防产业的可持续发展，需要建立统一、准确的泡沫灭火剂生物降解性能检测方法和评估体系，以评估灭火剂的环境影响。同时需要从灭火剂的研发环节出发，在组分的选择上进行生物降解性能的筛选，建立基于生物降解性能筛选的泡沫灭火剂优化体系，从而将泡沫灭火剂对环境的影响降到最低。

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本文主要内容来自于：张宪忠1，2，包志明1，傅学成1，王荣基1，夏建军1，陈涛1

(1公安部天津消防研究所，天津300381;2南开大学环境污染过程与基准教育部重点实验室，天津300071)

中图分类号:X592文献标识码:A   DOI:1013969/j.issn.100926094120121031019    文章编号:100926094(2012)0320077204

版权归属于原作者。

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