Teknik och forskning | 2 jan 2024

Livsnödvändig – men hur skadlig är koldioxiden?

Utan koldioxid stannar fotosyntesen och allt liv dör ut. Samtidigt: Den ökade koldioxidhalten i atmosfären för oss gradvis närmare en klimatkatastrof. Längst ner i lungalveolerna är koldioxidhalten normalt cirka 40 000 ppm. Att försöka vädra ut den koldioxiden genom att hyperventilera kan bli mycket obehagligt.

När blir lungornas koldioxid­nivå för hög? Hur mycket CO2 tål vi i omgivningsluften? I artikeln ”Koldioxid – indikator eller gränsvärde?” av Göran Stålbom (Energi & Miljö nr 9/2023) fanns en gammal tabell som visade att under 10 000 ppm skulle den fysiologiska toleransen för CO2 vara ”obegränsad”. Men senare tids forskning tyder på att kroppen påverkas i lägre koncentrationer än vad man trott tidigare.

Att befinna sig i ett rum med högre CO2-nivå skulle alltså vara jämförbart med att se på film sittande på en pinnstol istället för i en bekväm biofåtölj

De flesta av oss vet ju att luften känns dålig när många samlas i ett rum med dålig ventilation. Grundat på forskning sedan 1800-talet (Pettenkofer), forskning som upprepats flera gånger sedan dess med liknande resultat, upplevs luftkvaliteten som allt sämre när ventilationen minskar och CO2-nivån ökar. I en europeisk standard från 1992 har man fastslagit 1 000 ppm som en övre gräns för god luftkvalitet. Vid den nivån är cirka 20 procent av utomstående besökare missnöjda med luftkvaliteten [1]. CO2 uppfattas i standarden bara som en indikator för de mer svårmätta bioeffluenter som också avges av människor: aldehyder, organiska syror, olika alkoholer, merkaptaner, ammoniak, hudflagor, med mera. Själva CO2-gasen bedöms sakna betydelse och 1 000 ppm ses endast som ”komfortgräns”. Att befinna sig i ett rum med högre CO2-nivå skulle alltså vara jämförbart med att se på film sittande på en pinnstol istället för i en bekväm biofåtölj.

Det handlar inte bara om komfort

Det finns en ökad medvetenhet inom forskarvärlden om att koldioxid kanske inte är en så oskyldig gas trots allt. En amerikansk forskargrupp

(Allen, 2016) utsatte 24 vuxna personer för olika CO2-nivåer under sex sextimmarspass i ett laboratorium [2]. Under dagarna gjorde försökspersonerna vanligt kontorsarbete i labbet men utförde på eftermiddagarna olika typer av kognitiva tester (tester av hjärnans sätt att fungera).

Innemiljön varierades på ett kontrollerat sätt, bland annat genom att ren CO2-gas tillsattes så att CO2-nivån olika dagar hölls konstant vid 550 ppm, 945 ppm eller 1 400 ppm, med i övrigt oförändrad innemiljö. De visade sig att testresultaten, för vissa typer av tester, varierade stort mellan de olika dagarna. För vissa tester som kräver avancerat tänkande (”strategiskt tänkande”, ”utnyttjande av information”) syntes en mycket tydlig försämring när CO2-halten ökade, särskilt vid 1 400 ppm. Men för en del andra av testerna hade CO2-nivån ingen större betydelse.

En annan amerikansk forskargrupp (Karnauskas, 2020) har gjort en sammanställning av studier som tyder på att CO2 har kognitiv påverkan [3]. Karnauskas visar en talande bild: Sedan åtminstone 800 000 år och fram till 1800-talets industriella revolution, har CO2-nivån i atmosfären pendlat mellan 200 och 300 ppm. Människan är alltså inte utvecklad för de nuvarande och accelererande CO2-nivåerna i utomhusluften. Ökande CO2-nivåer utomhus kommer givetvis att leda till högre nivåer även inomhus.

Vår förmåga till komplext tänkande – på grund av ökande CO2-nivåer utomhus – har försämrats med cirka 8 procent

Om de värsta scenarierna slår in – och utomhusnivåerna vid sekelskiftet når upp till cirka 900 ppm – skulle detta medföra att inomhusnivåerna ofta ligger runt 1 400 ppm, det vill säga enligt det sämsta alternativet i Allens studie. Karnauskas har använt Allens studie för ett tankeväckande räkneexempel. Om vi extrapolerar vår genomsnittliga CO2-nivå inomhus i dag till 1 400 ppm vid sekelskiftet, skulle detta – enligt Allens data – medföra en cirka 50-procentig reduktion av vår förmåga att klara komplexa tankeuppgifter.

Och Karnauskas går vidare: I början av 1800-talet var utomhusnivån cirka 280 ppm. Nu 200 år senare, är den drygt 400 ppm (och ökande). Utgående från Allens studie har vår förmåga till komplext tänkande – på grund av ökande CO2-nivåer utomhus – försämrats med cirka 8 procent.

Ren koldioxid i ”vanliga” koncentrationer

Naturligtvis kan man inte förutsäga män­niskosläktets framtid bara genom att utgå från hur 24 personer klarade av tester i ett labb. Men Karnauskas tar upp flera liknande studier som pekar åt samma håll och som visar på sämre tankeförmåga, även vid CO2-nivåer som bara ligger något över ”normala” nivåer. En annan forskargrupp gjorde liknande försök och med samma typ av tester som i Allens studie, men med endast två och en halv timmar långa exponeringar. CO2-nivåerna var 600, 1 000 respektive 2 500 ppm, där de högre nivåerna åstadkoms med tillsats av ren CO2 [4]. Även här blev det stor skillnad mellan olika typer av tester, vissa enklare tester klarades lika bra eller till och med bättre vid de högre CO2-nivåerna (”fokuserad aktivitet”, ”informationssökning”). Men för de mer komplexa testerna (”initiativförmåga”, ”strategiskt tänkande”) blev resultaten mycket och tydligt försämrade med ökad CO2-nivå, särskilt vid 2 500 ppm. En amerikansk studie undersökte piloters agerande vid stressande situationer i en flygsimulator och vid tre olika CO2-nivåer: 700, 1 500 och 2 500 ppm. Piloterna fungerade signifikant bättre vid de lägre halterna jämfört med 2 500 ppm [5].

Hur människokroppen reagerar vid måttligt förhöjda CO2-nivåer

Vid varje andetag byts endast cirka 15 procent av lungalveolernas luft ut. CO2-nivån i lungalveolerna ligger normalt vid cirka 40 000 ppm men ökar och minskar något vid varje andetag. I detta sammanhang brukar man använda ett annat mått på CO2-nivån, partialtrycket pCO2, till exempel mätt i mm Hg. När man börjar att andas ut är pCO2 som högst i det blod som når lungorna, cirka 46 mm Hg. Koldioxiden diffunderar snabbt till lungalveolerna så att den luft som andas ut får samma höga partialtryck. När man sedan andas in omgivningsluft med mycket lägre CO2-nivå, sänks alveolernas CO2-nivå något så att ett normalt värde på pCO2 vid inandning – både i lungalveolerna och i artärblodet – blir cirka 40 mm Hg. Kroppen är byggd så att koncentrationerna av olika ämnen hela tiden hålls konstant med små variationer kring ett jämviktsvärde, så kallat homeostas. pCO2 i blodet varierar alltså normalt mellan 40 och 46 mm Hg. Om nu CO2-nivån i omgivningsluften höjs, till exempel från 400 ppm till 1 000 ppm, kommer pCO2 vid inandning att öka och bli något högre än 40 mm Hg – både i alveolerna och i artärerna. Koldioxid är en svagt sur gas. Den löser sig delvis i blodplasman och reagerar till viss del med vattnet så att vätejoner och bikarbonatjoner bildas [6]:

CO2 + H2O <–> H2CO3 <–> H+ + HCO3-

När pCO2 ökar, kommer alltså även vätejonkoncentrationen att öka, vilket innebär att blodet blir surare och pH-värdet sjunker. Men pH-värdet bör ligga mellan pH 7,35 och 7,45. Andningsfrekvensen kommer därför att öka automatiskt för att koldioxidöverskottet i blodet ska vädras ut och pH-värdet stabiliseras. På så sätt försöker kroppen kompensera för omgivningsluftens ökade CO2-nivå. Även njurarna bidrar genom att reglera mängden bikarbonat i blodet.

Koldioxidretention, hyperkapni och känsliga grupper

Om kroppen inte lyckas reglera pH-värdet och CO2-nivån i blodet, kommer den genomsnittliga CO2-nivån att öka. Detta kallas för koldioxidretention (retention betyder ungefär kvarhållande). Om pCO2 i artärblodet är högre än 42 mm Hg, kallas detta med en medicinsk term för hyperkapni [6]. Beroende på graden och varaktigheten kan hyperkapni få mer eller mind­re allvarliga hälsokonsekvenser.

Barn och ungdomar är särskilt beroende av god luftkvalitet när de växer

I flera studier har man sett samband mellan förhöjda CO2-nivåer i inandningsluften och måttlig koldioxidretention (några mm Hg). Forskare oroar sig för långsiktiga effekter av detta, särskilt mot bakgrund av ökade utomhusnivåer och med hänsyn till känsliga grupper. Barn och ungdomar är särskilt beroende av god luftkvalitet när de växer. Andra känsliga grupper är personer med lungsjukdomar samt äldre som kan ha problem med regleringen av pH-värde och CO2-nivå [7].

Hälsoeffekter av förhöjda koldioxidnivåer

Men människan är ju sedan urminnes tider van vid koldioxid och har säkert ofta levt och lever i trånga utrymmen där man lagar mat och värmer sig över öppen eld. Säkert har många människor utsatts för höga koldioxidnivåer utan att skadas? Vi vet ju också att ubåtsbesättningar och astronauter kan utsättas för höga nivåer utan att ta uppenbar skada [3]. Forskningen tyder på att koldioxidens påverkan på hjärnan inte är enkelt förutsägbar. Vissa uppgifter tycks hjärnan klara utmärkt trots höga nivåer. Den tycks även (till viss del?) kunna vänjas vid att tåla mer. Varför ger olika forskningsstudier olika resultat?

Det finns flera tänkbara förklaringar till varför även måttligt förhöjda CO2-nivåer skulle påverka hjärnan. Vissa studier har visat på en snabb ökning av vissa inflammationsmarkörer i blodet redan vid måttligt ökad CO2-nivå, och en hypotes är att en mild inflammation försämrar hjärnans sätt att fungera. En annan hypotes handlar om syrebrist. En del av blodets koldioxid binds till hemoglobinet i de röda blodkropparna. När CO2-mängden i hemoglobinet ökar och blodets pH-värde sjunker, försvåras samtidigt hemoglobinets förmåga att transportera syre.

Hjärnan behöver mycket syre: Cirka 20 procent av kroppens syre förbrukas av hjärnan. Syret fördelas automatiskt i förhållande till behovet i olika delar av hjärnan. En av tänkbara förklaringar till varför hjärnan har svårt att klara komplicerade uppgifter vid förhöjd CO2-nivå skulle alltså kunna vara att den får för lite syre. Vid studier har man sett samband mellan koldioxidretention och inte bara med sämre förmåga att klara komplicerat tänkande, utan även med ökad sömnighet och möjligen förvirring, rastlöshet och ångest [3, 7]. En del av de här effekterna kan vara orsakade av de lägre pH-värdena. I en studie mättes bikarbonatkoncentrationen i amerikaners blod som visade sig ha ökat med cirka 6 procent mellan 2000 och 2012.

En förklaring skulle kunna vara allmänt högre CO2-nivåer i omgivningsluften (se reaktionsformeln på sidan 33). Tänkbara kroniska effekter av lägre pH-värden är upplagring av kalciumbikarbonat i njurarna, urlakning av skelettet och osteoporos [7].

Andra bioeffluenter än koldioxid

I hem där man lagar mat eller värmer huset med hjälp av öppen eld riskerar man att inte bara utsättas för koldioxid, utan också för andra skadliga förbränningsprodukter. Dessa ämnen – sot, partiklar och oförbrända (cancerogena) restprodukter – kan ha allvarligare hälsoeffekter än koldioxiden. Den koldioxid som människor avger åtföljs av bioeffluenter som möjligen också har hälsoeffekter och kan noteras av luktsinnet. När man undersöker effekter av förhöjda CO2-nivåer i verkliga livet (inte i laboratoriemiljö), är det därför viktigt att veta varifrån koldioxiden kommer.

Det är också omöjligt att skilja effekterna av CO2 i utandningsluft från eventuella effekter av övriga bioeffluenter. Men samtidigt är CO2 en bra indikator på övriga bioeffluenter. Om CO2-nivån fördubblas, kommer också nivåerna av övriga bioeffluenter att ungefärligen fördubblas.

Eftersom man känner till hur myc­ket CO2 som en normal människa andas ut per tidsenhet, är det möjligt att räkna om en viss CO2-nivå till ett motsvarande luftflöde per person. Detta gäller så länge det inte finns andra CO2-källor. Det har gjorts flera studier i verkliga miljöer där de förhöjda CO2-nivåerna orsakats av människor. Dessa studier visar på bland annat dåliga resultat vid kognitiva tester, försämrade arbets- och skolprestationer samt ökad sjukfrånvaro.

En forskargrupp lät undersöka hur elever i 100 amerikanska skolor klarade standardiserade matte- och lästester [8]. Luftflödet per elev varierade mellan skolorna: från 0,9 l/s (motsvarande hela 6 600 ppm CO2!) upp till 7,1 l/s (kan jämföras med det svenska minimikravet 7 l/s/person som motsvarar cirka 1 200 ppm CO2). Undersökningen visade att testresultaten förbättrades linjärt och med cirka 2,8 procent för varje ökning av luftflödet med 1 l/s/elev. Luftväxlingen var alltså mycket dålig i dessa skolor, och det skulle ha varit intressant att göra samma tester i skolor med bättre luftväxling och CO2-nivåer ned mot 600 ppm.

I en multinationell undersökning undersöktes under ett års tid hur 302 kontorsarbetare reagerade på olika nivåer av koldioxid och partikelhalt [9]. Försökspersonerna arbetade i 42 byggnader, i 30 städer och i sex länder världen över. Man skötte normalt sitt vanliga arbete, men under cirka 15 minuter per vecka utförde man kognitiva tester via en app i mobiltelefonen. Sensorer i varje kontorsrum mätte dels CO2-nivå, dels partikelhalt (PM2,5). När sensorerna visade särskilt höga eller låga värden (okända för deltagarna), signalerade appen att det var dags att göra ett test. Det visade sig att både partikel- och CO2-nivå påverkade testresultaten signifikant.

Det geometriska medelvärdet av CO2-nivån för alla 302 deltagare var 723 ppm CO2, alltså inte särskilt högt. Testresultaten försämrades tydligt med ökande CO2-nivå när det gällde det mer krävande Stroop-testet. Detta gick ut på att man snabbt skulle ange rätt färg när text och färg inte överensstämde.

Flera undersökningar har gjorts av hur luftväxlingen i sovrum påverkar sömnkvaliteten [10]. Det sammanvägda resultatet av undersökningarna tyder på att för god sömnkvalitet kan krävas cirka 10 l/s per person, motsvarande högst 750-800 ppm CO2 [11].

Även måttligt förhöjda koldioxidnivåer påverkar oss

När det gäller hälsoeffekter av måttligt förhöjda CO2-nivåer finns det mycket som är oklart och behöver undersökas bättre. Det finns exempel på motsägelsefulla resultat. Men flera reviewartiklar (sammanfattningar av forskningsstudier) kommer till ungefär samma slutsatser: För bra luftkvalitet bör CO2-nivån inte överstiga 1 000 ppm, vid sömn kanske ännu lägre [12, 10]. En preliminär övre gräns för att (i viss mån) undvika hälsoeffekter är 1 500 ppm CO2 eller 4 l/s per person [13]. Koldioxiden kan framförallt misstänkas ha effekter på hjärnans sätt att fun­gera.

Energibesparingarna får inte gå ut över den viktiga luftväxlingen hemma, i skolan eller på arbetet

Den försämrar möjligheterna att lösa komplicerade tankeuppgifter, orsakar sömnighet och dålig sömnkvalitet, kanske även skapar oro, förvirring, ångest och har möjligen kroniska effekter. De här hälsoeffekterna kan vara svåra att lägga märke till i det verkliga livet – de kan ju ha så många olika orsaker. Däremot har vi lät­tare att notera en känsla av dålig, instängd luft när många människor samlas och luftväxlingen är dålig; en luktupplevelse orsakad av olika bioeffluenter. Kanske borde vi ta dessa signaler från vår kropp på större allvar?

Det har blivit allt viktigare att spara på energi – bland annat för att undvika onödiga koldioxidutsläpp. Men om vi tror att CO2-nivån påverkar hur våra hjärnor fungerar, bör vi också dra konsekvenserna av detta.

Energibesparingarna får inte gå ut över den viktiga luftväxlingen hemma, i skolan eller på arbetet. Ungefär 36 procent av invandrare från utomeuropeiska länder är trångbodda. Hur höga är CO2-nivåerna i deras hem och hur inverkar dessa nivåer på möjligheterna att lära sig ett nytt språk, att lyckas i skolan och få ett bra jobb? Vår tids utmaningar kräver skärpta hjärnor, vi måste kunna klara mer komplicerade uppgifter än att hänga med i olika nyhetsflöden!

Text: Anders Lundin, civilingenjör, yrkes- och miljöhygieniker