Рис. 1. Зависимость показателя pH крови от концентрации СО2 во вдыхаемом воздухе
Рис. 2. Влияние на человека повышенных концентраций углекислого газа
Табл. 1. Выдыхаемое человеком количество углекислого газа
Табл. 2. Влияние содержания углекислоты на качество воздуха
Современный человек почти 90 % времени находится в помещении. Малышей мамы отправляют в детский сад, где группы часто бывают переполнены, школьники и студенты сидят в классах по 40 человек и больше, а взрослые проводят на рабочих местах гораздо дольше положенных восьми часов в день. Когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелее дышится, чем снаружи. Хочется сказать «не хватает кислорода», Это неверно — кислорода все еще более чем достаточно, но в помещении повысилась концентрация углекислого газа.
Что происходит при этом с нашим организмом? Насколько это вредно? Современные исследования доказывают, что повышенное содержание СО2 во вдыхаемом воздухе отрицательно влияет на кровь, слизистые оболочки, дыхательную и мочевыводящую системы, костную ткань, иммунитет и умственную деятельность человека. Сегодня уровень СО2 в воздухе большого города может быть 600 ррm (0,06 %) и выше. Не будем подробно обсуждать атмосферу: для нас важно, что при этом происходит в помещениях, где мы проводим почти все время.
Закрытые помещения — своего рода ловушки СО2. Воздух с уже повышенным или даже нормальным содержанием углекислого газа поступает через окна и вентиляцию, а потом его концентрация начинает быстро расти из-за дыхания людей, которые находятся в здании. Часто принудительной вентиляции может вообще не быть или она работает плохо, а естественная не работает, поскольку пластиковые окна не пропускают воздух и они закрыты, чтобы никто не простудился.
В закрытом помещении уровень углекислого газа повышается гораздо быстрее, чем убывает кислород. Замеры показывают, что, даже когда в школьном классе уровень СО2 достигает 1000 ррm (0,1 %), содержание кислорода практически не меняется. Конечно, увеличение углекислого газа зависит от количества людей в этом помещении, от их веса и того, что они при этом делают. В тренажерном зале станет душно гораздо быстрее, чем в офисе (табл. 1).
Исследователи знают, что существует связь между концентрацией СО2 и ощущением духоты. Человек начинает ощущать симптомы «нехватки свежего воздуха» (а на самом деле повышенной концентрации углекислого газа) уже при его уровне 0,08 %, т.е. 800 ррm. Впрочем, в современных офисах бывает и 2000 ррm СО2 и выше. Но об этом чуть позже.
Что такое ацидоз и чем он плох
В норме кислотность рН крови человека равна примерно 7,4. Наш организм настроен на эту цифру, она необходима для работы всех ферментных и биологических систем организма. Логично предположить, что даже небольшие постоянные изменения кислотности крови могут оказывать очень сильное воздействие на живое существо. Что происходит при повышении концентрации СО2 в воздухе, который попадает в организм?
Увеличивается парциальное давление СО2 в наших альвеолах, его растворимость в крови повышается, и образуется слабая угольная кислота (СО2 + Н2O → ← Н2СО3), распадающаяся, в свою очередь, на Н+ и НССО3 – . Кровь закисляется, что по-научному и называется ацидозом. Чем выше концентрация СО2 в воздухе, которым мы постоянно дышим, тем ниже рН крови и тем более кислую реакцию она имеет (рис. 1).
Минимальные физиологические последствия ацидоза — перевозбуждение, учащенное сердцебиение и умеренное повышение давления. При более сильном ацидозе человек становится вялым, сонливым, ощущает беспокойство. Но все это происходит уже при концентрациях углекислого газа, типичных для современных помещений, где много народа. Впрочем, когда человек надолго выходит на свежий воздух, его состояние постепенно приходит в норму.
А если всю жизнь дышать воздухом, в котором много углекислого газа, ежедневно, по 20 ч и больше? При ацидозе происходят биохимические изменения в организме, если же он хронический, то, видимо, они в какой-то момент могут стать необратимыми. За постоянство концентрации ионов водорода внутри организма отвечают его буферные системы. В частности, большую роль здесь играют почки, которые выводят избыток ненужных веществ. В организме также есть неорганические буферы.
Одни из самых важных — это бикарбонат (НСО3 – ) и фосфаты. Есть и другие, органические, например гемоглобин и белки плазмы. Но все же 53 % общей буферной емкости крови приходится на систему «бикарбонат–СО2» (содержание бикарбоната в плазме — 24 ммоль/л). Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови, — об этом свидетельствуют многочисленные биохимические исследования.
Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют Н+ и задерживают НССО3 – . Собственно говоря, концентрация СО2, при которой начинается повышение бикарбоната в крови, могла бы стать одной из научно обоснованных норм для допустимого содержания углекислого газа в помещениях. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма гораздо сложнее (подробно углубляться в них не будем, механизм довольно сложный).
Поскольку слабые кислоты, в т.ч. и угольная (Н2СО3), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках. К счастью, человек проводит в душном помещении не все время, поэтому этот процесс носит обратимый характер — через какое-то время после выхода на свежий воздух карбонат кальция должен раствориться.
Сотрудник медицинской научно-исследовательской лаборатории военноморского подводного флота США Карл Шафер исследовал, как влияют различные концентрации углекислого газа на морских свинок. Грызунов восемь недель содержали при 0,5 % СO2 (кислород был в норме — 21 %), после чего у них наблюдалась значительная кальцификация почек. Она отмечалась даже после длительного воздействия на морских свинок меньших концентраций — 0,3 % СО2 (3000 ррm).
Но это еще не все. Шафер и его коллеги нашли у свинок через восемь недель воздействия 1 %-го СO2 деминерализацию костей, а также структурные изменения в легких. Исследователи расценили эти заболевания как адаптацию организма к хроническому воздействию СO2. Если ученые давали подопытным животным достаточно времени для восстановления (больше месяца), то эти признаки исчезали. Впрочем, исследователи сами говорят о том, что нужны дальнейшие эксперименты, чтобы установить, как повлияют на состояние млекопитающих более низкие концентрации углекислого газа и когда же изменения в их организмах станут необратимыми.
Прочие эффекты и СБЗ
Исследования ученых не ограничиваются ацидозом. Обследование 344 сотрудников 86 офисов города Тайбэй (Тайвань) показало, что уже при уровне СO2 выше 800 ppm (0,08 %) у них отмечался рост маркеров окислительного стресса, например, 8-OHdG (8-гидрокси2-де-зокси-гуанозина), определяемого в моче. Содержание маркеров тем выше, чем дольше человек находится в душном помещении.
Действуют на организм человека и летучие органические соединения, причем они и углекислый газ усиливают негативное влияние друг друга. Ученые ЕС проверили самочувствие школьников в помещении с концентрацией углекислоты более 1000 ррm, или 0,1 %. (Таких классов на Западе почти две трети, причем во вполне благополучных странах — в Швеции, Норвегии, Дании и Франции.) В медико-биологических тестах оценивали респираторное и аллергическое состояние 547 школьников в возрасте от 9 до 10 лет.
Оказалось, что дети, проводящие много времени в помещении с высоким уровнем СO2, в 3,5 раза чаще имеют сухой кашель и в два раза больше болеют ринитом. Корейские ученые также исследовали влияние СO2 на астматиков. Выборка — 181 ребенок моложе 14 лет из 110 домов и квартир Сеула. В помещениях замеряли уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха: СО, NO, аллергены клещей домашней пыли, тараканов, споры грибков плесени и СO2.
Ученые сделали вывод, что только повышенные концентрации СO2 учащали приступы астмы у детей. Кстати, респираторные инфекции и астма считаются основными заболеваниями школьников. Если мы вспомним первичные признаки ацидоза, то поймем, почему вялые и сонливые школьники плохо воспринимают новый материал. Проблема повышенного уровня СO2 характерна и для детских садов, причем особенно для спален.
К счастью, у школьников каждые 45 минут бывает перемена, на время которой их выгоняют из класса, а тихий час с закрытыми окнами помещения — не очень длинный. Куда же деться взрослым? Во многих учреждениях очень плохо работает принудительная вентиляция — именно здесь причина зашкаливания СO2. Пластиковые окна хорошо изолируют тепло и звук, однако начисто лишают помещение естественной вентиляции, превращая его в большой целлофановый пакет.
Уровень углекислого газа в таком «пакете» очень быстро нарастает. Есть здания, которые в специальной литературе называют больными, а люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ). У синдрома много проявлений: раздражение слизистых оболочек, сухой кашель, головная боль, снижение работоспособности, воспаление глаз, заложенность носа, сложности с концентрацией внимания.
Эта проблема знакома жителям ЕЭС, США, Канады и многих других стран. Некоторые исследователи считают, что именно углекислый газ — одна из главных причин развития СБЗ и этот синдром появляется уже при его уровне свыше 800–1000 ррm. Почему же решили, что виновник — углекислый газ? Когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ррm (0,08 %), то и симптомы СБЗ становились слабее.
Кроме того, уровень примесей, которые могли бы вызвать подобные симптомы, растет значительно медленнее, чем уровень СO2, поскольку люди постоянно выдыхают его. О синдроме больного здания заговорили после того, как появились дома с хорошей теплоизоляцией и наглухо закрытыми окнами, а также с низким уровнем вентиляции из-за экономии электроэнергии. Конечно, причинами СБЗ могут быть и выделения строительных и отделочных материалов, вещества, которые выделяет человеческое тело, споры плесени и т.д.
Если вентиляция в помещении работает плохо, то, безусловно, концентрация этих веществ в помещении также будет расти, но медленнее, чем СO2. Углекислый газ выступает как тонкий индикатор — он говорит о том, что вентиляция недостаточна, а значит, вырастет концентрация и других загрязняющих веществ. Специалисты Мидлсекского университета (Великобритания), проведя исследование с участием 300 человек, вынесли вердикт: уровень СO2 в офисе не должен превышать 600–800 ррm (0,06–0,08 %).
Если он выше, то внимание снижается на 30 %. При концентрациях СO2 более 1500 ррm 79 % опрошенных испытывали чувство усталости, а более 2000 ррm — две трети испытуемых не могли сосредоточиться. У 97 % сотрудников, страдающих мигренью, она появлялась уже при уровне СO2 1000 ррm (0,1 %). Доктор Д.С. Робертсон, ученый из Великобритании, считает, что люди начинают чувствовать ухудшение качества воздуха уже при концентрации СO2 600 ррm, а не при 800, как говорилось в начале статьи.
Когда она становится еще выше, у отдельных людей появляется один или несколько классических симптомов отравления углекислотой — проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, потливость, усталость, физиологические расстройства, и все они растут прямо пропорционально уровню СO2 (табл. 2, рис. 2). По другим данным, у 15–33 % людей эти симптомы возникают при концентрации СO2 600–800 ррm, у 33–50 % — при 800– 1000 ррm, и 100 % будут испытывать их при концентрации 1500 ррm. Расчетная модель говорит, что для того, чтобы поддерживать в помещении СO2 в пределах 600 ррm, в него должно принудительной вентиляцией подаваться воздуха 68 м3/ч на одного человека.
Как количество углекислого газа в воздухе влияет на человека
Как же понять, что это влияние именно СO2, а не других ядовитых продуктов, образующихся в процессе жизнедеятельности человека (в т.ч. ацетон, аммиак, амины, фенолы)? В Будапештском университете технологии и экономики разработали специальную методику, позволяющую свести к минимуму уровень загрязнения другими веществами. Подтвердилось, что виноват именно СO2.
В исследовании приняли участие молодые и здоровые люди, средний возраст которых составлял 21 год, и, несмотря на то, что эксперименты продолжались не дольше 140–210 минут (концентрации доходили до 3000 ррm), чувствовали они себя откровенно неважно. Что же говорить о сотрудниках, которые находятся в офисах по восемь-девять часов ежедневно многие месяцы и годы.
Сотрудники Национальной лаборатории Лоренса Беркли (США) в начале 2010 г. пытались понять, как углекислый газ в концентрациях 550/1000/2500 ррm влияет на умственную деятельность и здоровье человека. Методика эксперимента была аналогична той, которую использовали венгерские ученые, однако добровольцы, участвующие в данном эксперименте, находились при заданных уровнях СO2 ежедневно по восемь часов в течение трех месяцев.
Полученные данные пока обрабатываются, но оптимизм внушает тот факт, что наконец-то появился четкий стандарт эксперимента. Еще один важный момент: сегодня уровень концентрации СO2 в помещении служит основным показателем качества воздуха. Он выступает как газиндикатор, по которому можно судить не только о других загрязнителях, но и о том, насколько хорошо работает вентиляционная система в здании.
Исследования в школьном классе показали, что если в воздухе присутствуют, кроме углекислого газа, летучие органические соединения и формальдегиды, то достаточно следить только за СO2. Если вентиляция справляется с ним, то остальные загрязнители также остаются на низком уровне. По СO2 можно судить и о количестве бактерий в воздухе. Чем больше углекислого газа, тем хуже справляется вентиляция и тем больше в воздухе бактерий и грибков. Особенно это заметно зимой, когда интенсивность вентиляции падает, а количество респираторных инфекций растет.
Скрытая проблема
Проблема углекислого газа в помещении существует во всех странах, но в России ее вроде как и нет. Строят новые здания, часто с применением современных «зеленых» технологий, старые здания модернизируют, ставят новые окна. А людям некомфортно, и население больших городов более слабое и больше болеет. Врачи лечат последствия, грешат на общее загрязнение атмосферы, а жесткие нормы на содержание в помещениях углекислого газа в России отсутствуют.
За последние несколько десятилетий практически не появлялись и российские исследования на эту тему. Между тем отдельные замеры в офисах Москвы показали, что в некоторых из них уровень СO2 — 2000 ррm и выше. В 1960-х годах О.В. Елисеева в своей диссертации провела детальные исследования по обоснованию ПДК СO2 в воздухе жилых и общественных зданий.
Она проверила, как влияет углекислый газ в концентрациях 0,1 % (1000 ррm) и 0,5 % (5000 ррm) на организм человека, и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращении и электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание СO2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 0,1 % (1000 ррm), а среднее содержание СO2 должно быть около 0,05 % (500 ррm).
Несмотря на то, что даже кратковременное воздействие вызывало нежелательный эффект, ни ПДК, ни какие-либо другие нормативы по углекислому газу в то время в СССР не были приняты. Нет подобных норм для учебных, офисных и жилых помещений в СНиП и СанПиН. В странах Европы, США и Канаде, как правило, нормой считается 1000 ррm (0,1 %). Именно в соответствии с этими цифрами рассчитывается вентиляция зданий.
Во многих школах проводится мониторинг качества воздуха по уровню углекислого газа. Конечно, не всегда и не везде этот уровень соответствует норме. Но в этом случае администрация школ обязана принять меры, чтобы улучшить положение. В Финляндии, например, школу, в классах которой обнаружен повышенный уровень углекислого газа, могут даже закрыть до тех пор, пока не будет налажена вентиляция.
В наших школьных классах принудительная вентиляция практически отсутствует. Учителя должны делать «сквозное проветривание» класса во время перемены. Правда, зимой холодно, и это невозможно. Да и после проветривания уровень углекислого газа быстро вырастает в несколько раз, поэтому уже к середине урока дети не могут сосредоточиться. В современных офисных зданиях вентиляция есть, но зачастую при постройке здания рассчитывают на одно количество работников, а потом их оказывается гораздо больше.
Кстати, если на улице СO2 станет в какой-то момент очень много, то мы не сможем обойтись еще и без абсорберов углекислого газа. Сейчас появились точные инфракрасные сенсоры для замера уровня СO2 в помещениях. Они входят в состав газоанализаторов и показывают концентрацию углекислого газа в режиме реального времени, поэтому их удобно ставить в жилых и общественных помещениях, школах и детских садах. Однако, для того, чтобы от этих измерений была польза, нужны четкие нормы по уровню углекислого газа в помещениях.
