COVID-19: le concentrazioni di CO2 all’interno di un respiratore e i livelli di anidride carbonica interno-urbano possono raggiungere livelli dannosi per la cognizione

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Man mano che il 21 ° secolo avanza, l’aumento delle concentrazioni di anidride carbonica (CO2) atmosferica farà aumentare i livelli urbani e interni del gas e ciò potrebbe ridurre significativamente la nostra capacità decisionale di base e il nostro pensiero strategico complesso, secondo un nuovo CU guidato da Boulder studia.

Entro la fine del secolo, le persone potrebbero essere esposte a livelli interni di CO2 fino a 1400 parti per milione, più di tre volte i livelli esterni di oggi e ben oltre ciò che gli umani hanno mai sperimentato.

“È incredibile come gli alti livelli di CO2 raggiungano gli spazi chiusi “, ha dichiarato Kris Karnauskas, membro del CIRES, professore associato della CU Boulder e autore principale del nuovo studio pubblicato oggi sulla rivista AGU GeoHealth.

“Colpisce tutti, dai bambini piccoli confezionati in aule a scienziati, uomini d’affari e decisori, gente normale nelle loro case e appartamenti.”

Shelly Miller, professore alla scuola di ingegneria e coautore di CU Boulder, aggiunge che “la ventilazione degli edifici in genere modula i livelli di CO2 negli edifici, ma ci sono situazioni in cui ci sono troppe persone e non abbastanza aria fresca per diluire la CO2″.

La CO2 può anche accumularsi in spazi scarsamente ventilati per periodi di tempo più lunghi, come durante la notte mentre dorme in camera da letto, ha detto.

In parole povere, quando respiriamo aria con alti livelli di CO2, i livelli di CO2 nel nostro sangue aumentano, riducendo la quantità di ossigeno che raggiunge il nostro cervello. 

Gli studi dimostrano che ciò può aumentare la sonnolenza e l’ansia e compromettere la funzione cognitiva.

Conosciamo tutti la sensazione: sedersi troppo a lungo in un’aula o sala conferenze chiusa e affollata e molti di noi iniziano a sentirsi assonnati o noiosi.

In generale, le concentrazioni di CO2 sono più alte all’interno che all’esterno , hanno scritto gli autori. E la CO2 esterna nelle aree urbane è più elevata che in luoghi incontaminati.

Le concentrazioni di CO2 negli edifici sono il risultato sia del gas che è altrimenti in equilibrio con l’esterno, sia della CO2 generata dagli occupanti degli edifici mentre espirano.

I livelli di CO2 atmosferica sono aumentati dalla Rivoluzione industriale, raggiungendo un picco di 414 ppm al Mauna Loa Observatory di NOAA alle Hawaii nel 2019.

Nello scenario in corso in cui le persone sulla Terra non riducono le emissioni di gas a effetto serra, il gruppo intergovernativo sui cambiamenti climatici prevede che i livelli di CO2 all’aperto potrebbero salire a 930 ppm entro il 2100.

E le aree urbane hanno in genere circa 100 ppm di CO2 in più rispetto a questo contesto.

Karnauskas e i suoi colleghi hanno sviluppato un approccio globale che considera le future concentrazioni di CO2 all’aperto previste e l’impatto delle emissioni urbane localizzate, un modello del rapporto tra livelli di CO2 interni ed esterni e l’impatto sulla cognizione umana.

Hanno scoperto che se le concentrazioni di CO2 esterne salgono a 930 ppm, ciò spingerebbe le concentrazioni interne a un livello dannoso di 1400 ppm.

“A questo livello, alcuni studi hanno dimostrato prove convincenti per un significativo deterioramento cognitivo”, ha affermato Anna Schapiro, assistente professore di psicologia presso l’Università della Pennsylvania e coautore dello studio.

“Sebbene la letteratura contenga alcuni risultati contrastanti e siano necessarie molte più ricerche, sembra che domini cognitivi di alto livello come il processo decisionale e la pianificazione siano particolarmente suscettibili all’aumento delle concentrazioni di CO2.”

In effetti, a 1400 ppm, le concentrazioni di CO2 possono ridurre la nostra capacità decisionale di base del 25 percento e il pensiero strategico complesso di circa il 50 percento, gli autori hanno scoperto.

Gli impatti cognitivi dell’aumento dei livelli di CO2 rappresentano ciò che gli scienziati chiamano un effetto “diretto” della concentrazione di gas, proprio come l’acidificazione degli oceani. In entrambi i casi, l’elevata CO2 stessa – e non anche il successivo riscaldamento che provoca – è ciò che provoca danni.

Il team afferma che potrebbero esserci modi per adattarsi a livelli di CO2 indoor più elevati, ma il modo migliore per impedire ai livelli di raggiungere livelli dannosi è ridurre le emissioni di combustibili fossili.

Ciò richiederebbe strategie di mitigazione adottate a livello globale come quelle stabilite dall’accordo di Parigi della Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici.

Karnauskas e i suoi coautori sperano che queste scoperte scateneranno ulteriori ricerche sugli impatti “nascosti” del cambiamento climatico come quello sulla cognizione.

“Questo è un problema complesso e il nostro studio è all’inizio. Non si tratta solo di prevedere i livelli globali di CO2 (all’aperto) “, ha affermato. 

“Passa dalle emissioni globali di fondo, alle concentrazioni nell’ambiente urbano, alle concentrazioni indoor e infine all’impatto umano che ne deriva.

Abbiamo bisogno di team di ricercatori ancora più ampi e interdisciplinari per esplorare questo aspetto: indagare ogni passaggio nei nostri silos non sarà sufficiente ”.


Poiché l’uomo produce ed espira l’anidride carbonica (CO2), le concentrazioni di CO2 negli spazi interni occupati sono più elevate delle concentrazioni all’aperto. Man mano che diminuisce la velocità di ventilazione (cioè la velocità di fornitura dell’aria esterna verso l’interno) per persona, aumenta l’entità della differenza tra interno ed esterno nella concentrazione di CO2.

Di conseguenza, le concentrazioni di picco di CO2 negli ambienti interni o le quote di picco delle concentrazioni negli ambienti interni superiori a quelle nell’aria esterna sono state spesso utilizzate come indicatori approssimativi della velocità di ventilazione dell’aria esterna per occupante (Persily e Dols 1990).

La necessità di ridurre il consumo di energia costituisce un incentivo per bassi tassi di ventilazione, portando a concentrazioni di CO2 interne più elevate.

Sebbene le concentrazioni tipiche di CO2 all’aperto siano circa 380 ppm, sono stati riportati livelli esterni nelle aree urbane fino a 500 ppm (Persily 1997). Le concentrazioni di CO2 all’interno degli edifici vanno dai livelli esterni fino a diverse migliaia di parti per milione (Persily e Gorfain 2008).

Precedenti ricerche hanno documentato gli effetti diretti sulla salute della CO2 sull’uomo, ma solo a concentrazioni molto più elevate di quelle riscontrate in normali ambienti interni.

 Concentrazioni di CO2> 20.000 ppm causano una respirazione più profonda; 40.000 ppm aumenta notevolmente la respirazione; 100.000 ppm provoca disturbi visivi e tremori ed è stato associato a perdita di coscienza; e 250.000 ppm di CO2 (una concentrazione del 25%) possono causare la morte (Lipsett et al. 1994).

I limiti massimi di esposizione professionale raccomandati per una giornata lavorativa di 8 ore sono 5.000 ppm come media ponderata nel tempo, per la sicurezza della salute e della sicurezza sul lavoro (OSHA 2012) e la American Conference of Government Industrial Hygienists (ACGIH 2011).

La ricerca epidemiologica e di intervento ha dimostrato che livelli più elevati di CO2 all’interno dell’intervallo riscontrato in normali ambienti interni sono associati a percezioni di cattiva qualità dell’aria, aumento della prevalenza di sintomi acuti di salute (ad es. Mal di testa, irritazione delle mucose), rallentamento delle prestazioni lavorative e aumento dell’assenza (Erdmann e Apte 2004; Federspiel et al. 2004; Milton et al. 2000; Seppanen et al. 1999; Shendell et al. 2004; Wargocki et al. 2000).

È opinione diffusa che queste associazioni esistano solo perché le concentrazioni di CO2 indoor più elevate a tassi di ventilazione dell’aria esterna più bassi sono correlate con livelli più alti di altri inquinanti generati negli ambienti interni che causano direttamente gli effetti avversi (Mudarri 1997; Persily 1997).

Pertanto, si è ipotizzato che la CO2 nell’intervallo di concentrazioni riscontrate negli edifici (cioè fino a 5.000 ppm) non abbia alcun impatto diretto sulle percezioni, sulla salute o sulle prestazioni lavorative degli occupanti.

I ricercatori in Ungheria hanno messo in dubbio questo assunto (Kajtar et al. 2003, 2006). Gli autori hanno riferito che le esposizioni umane controllate alla CO2 tra 2.000 ppm e 5.000 ppm, con tassi di ventilazione invariati, hanno avuto lievi impatti negativi sulla correzione di bozze del testo in alcuni studi, ma i brevi rapporti negli atti della conferenza hanno fornito dettagli limitati.

Ciò ha stimolato il nostro gruppo a testare gli effetti della variazione della sola CO2, in un ambiente controllato, sul funzionamento cognitivo di alto livello potenzialmente più sensibile.

Abbiamo esaminato un’ipotesi che concentrazioni più elevate di CO2, all’interno dell’intervallo riscontrato negli edifici e senza variazioni della velocità di ventilazione, abbiano effetti dannosi sulle prestazioni decisionali degli occupanti.

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Impatto della CO 2  sulle prestazioni del processo decisionale umano. Le barre di errore indicano 1 SD.

Discussione

Sintesi e interpretazione dei risultati. Le prestazioni per sei delle nove misure decisionali sono diminuite moderatamente ma significativamente a 1.000 ppm rispetto al basale di 600 ppm e sette sono diminuite sostanzialmente a 2.500 ppm.

Per un’ottava scala, “ricerca di informazioni”, non sono state osservate differenze significative tra le condizioni. Contrariamente ad altre scale, è stato osservato un modello inverso per “attività focalizzata”, con il più alto livello di messa a fuoco ottenuto a 2.500 ppm e il più basso a 600 ppm.

Pertanto, la maggior parte delle variabili decisionali ha mostrato un declino con concentrazioni più elevate di CO2, ma le misure di attività focalizzata sono migliorate. L’attività mirata è importante per la produttività complessiva, ma alti livelli di concentrazione in condizioni di non emergenza possono indicare “eccessiva concentrazione”.

Precedenti ricerche con l’SMS hanno dimostrato ripetutamente che le persone che hanno difficoltà a funzionare [ad es. Persone con lesioni alla testa da lievi a moderate (Satish et al. 2008), persone sotto l’influenza dell’alcool (Streufert et al. 1993), e le persone che soffrono di rinite allergica (Satish et al. 2004)] tendono a concentrarsi su dettagli più piccoli a spese del quadro generale.

Elevati livelli di validità predittiva per gli SMS (r> 0,60 con successo nel mondo reale giudicati dai pari e dimostrati da reddito, livello di lavoro, promozioni e livello nelle organizzazioni), nonché elevati livelli di affidabilità test-retest in tutto il quattro scenari di simulazione (r = 0,72-0,94) sono stati ripetutamente dimostrati (Breuer e Streufert 1995; Streufert et al. 1988).

Un’ulteriore validità è dimostrata dal deterioramento di vari indicatori di prestazione con intossicazione da alcol nel sangue dello 0,05% e funzionamento gravemente diminuito con intossicazione a livello 0,10 (Satish e Streufert 2002). 

I punteggi di base a 600 ppm di CO2 per i partecipanti a questo studio, principalmente studenti di scienze e ingegneria di una delle migliori università statunitensi, erano tutti nella media o al di sopra.

Sebbene le riduzioni modeste in molteplici aspetti del processo decisionale osservate a 1.000 ppm potrebbero non essere critiche per le persone, a livello sociale o per i datori di lavoro, un’esposizione che riduce anche leggermente le prestazioni potrebbe essere economicamente significativa.

Le sostanziali riduzioni delle prestazioni del processo decisionale con esposizioni di 2,5 ore a 2.500 ppm di CO2 indicano, secondo le norme disponibili per il test SMS, una perdita di valore che è importante anche per le persone.

Questi risultati forniscono prove iniziali per considerare la CO2 come un inquinante indoor, non solo un proxy per altri inquinanti che colpiscono direttamente le persone.

Concentrazioni di CO2 in pratica. L’importanza del mondo reale dei nostri risultati, se confermata, dipenderebbe dalla misura in cui le concentrazioni di CO2 sono ≥ 1.000 e ≥ 2.500 ppm negli edifici attuali o futuri.

Vi sono prove evidenti che nelle scuole le concentrazioni di CO2 sono spesso vicine o superiori ai livelli associati a questo studio, con significative riduzioni delle prestazioni nel processo decisionale.

Nelle indagini sulle aule delle scuole elementari in California e Texas, le concentrazioni medie di CO2 erano> 1.000 ppm, una percentuale sostanziale ha superato i 2.000 ppm e nel 21% delle aule del Texas la concentrazione di CO2 ha superato i 3.000 ppm (Corsi et al. 2002; Whitmore et al. 2003).

Date queste concentrazioni, dobbiamo considerare la possibilità che alcuni studenti nelle classi ad alto contenuto di CO2 siano svantaggiati nell’apprendimento o nel test.

Non sappiamo se le esposizioni che causano decrementi nel processo decisionale nel test SMS inibiranno l’apprendimento da parte degli studenti; tuttavia, non possiamo escludere impatti sull’apprendimento.

Non siamo stati in grado di identificare le misurazioni di CO2 per gli spazi in cui gli studenti effettuano test relativi all’ammissione alle università o alle scuole di specializzazione, o dai test relativi agli accreditamenti professionali, ma questi ambienti di test hanno spesso un’alta densità di occupanti e quindi potrebbero avere livelli elevati di CO2 .

Negli spazi degli uffici generali negli Stati Uniti, le concentrazioni di CO2 tendono ad essere molto più basse rispetto alle scuole. In un sondaggio rappresentativo di 100 uffici statunitensi (Persily e Gorfain 2008), solo il 5% delle concentrazioni di picco di CO2 indoor misurate ha superato 1.000 ppm, ipotizzando una concentrazione esterna di 400 ppm.

Uno studio molto piccolo suggerisce che le sale riunioni negli uffici, dove talvolta vengono prese decisioni importanti, possono avere concentrazioni elevate di CO2, ad esempio fino a 1.900 ppm durante le riunioni da 30 a 90 minuti (Fisk et al. 2010).

In alcuni veicoli (aeromobili, navi, sottomarini, automobili, autobus e camion), a causa della loro costruzione ermetica o dell’alta densità degli occupanti, ci si possono aspettare concentrazioni elevate di CO2.

In otto studi condotti su aeromobili commerciali, le concentrazioni medie di CO2 nelle cabine passeggeri erano generalmente> 1.000 ppm e variavano fino a 1.756 ppm e le concentrazioni massime erano pari a 4.200 ppm (Committee on Air Quality in Passenger Cabins of Commercial Aircraft 2002).

Non abbiamo identificato i dati sulle concentrazioni di CO2 in automobili e camion. Un piccolo studio (Knibbs et al. 2008) ha riportato basse velocità di ventilazione nei veicoli con sistemi di ventilazione nelle posizioni di aria chiusa o di ricircolo.

Da questi risultati, e utilizzando un presupposto di un occupante e un tasso di emissione di CO2 pari a 0,0052 L / sec per occupante (Persily e Gorfain 2008), abbiamo stimato concentrazioni di CO2 stazionarie in un’automobile e un camioncino rispettivamente di 3.700 ppm e 1.250 ppm , sopra le concentrazioni esterne. Questi numeri aumenterebbero in proporzione al numero di occupanti. Non è noto se i risultati del presente studio si applichino al processo decisionale dei conducenti di veicoli, sebbene tali effetti siano concepibili.

È stato dimostrato che le persone che indossano maschere per la protezione delle vie respiratorie possono inalare aria con concentrazioni di CO2 molto elevate. In uno studio recente, le concentrazioni di CO2 nello spazio morto all’interno di un respiratore (cioè la maschera N95) erano circa 30.000 ppm (Roberge et al. 2010), suggerendo una concentrazione di CO2 potenzialmente elevata nell’aria inalata.

La concentrazione inalata sarebbe inferiore a quella all’interno della maschera, diluita di circa 500 ml per respiro inalato attraverso la maschera. Sebbene lo studio non abbia riportato le effettive concentrazioni di CO2 nell’aria inalata, le pressioni parziali di CO2 nel sangue non differivano con l’uso della maschera. Caretti (1999) ha riferito che l’usura del respiratore con attività di basso livello non ha alterato negativamente le prestazioni cognitive o l’umore.

Risultati di altri. Gli studi ungheresi brevemente riportati da Kajtar et al. (2003, 2006) erano gli unici studi precedenti sugli effetti cognitivi di moderati aumenti di CO2 che abbiamo identificato. In questi studi, la velocità di ventilazione in una camera sperimentale è stata mantenuta costante a un livello producendo una concentrazione di CO2 nella camera di 600 ppm dalla CO2 generata dall’occupante; in alcuni esperimenti, tuttavia, la concentrazione di CO2 nella camera è stata aumentata oltre i 600 ppm, fino a 5.000 ppm, iniettando CO2 pura al 99,995% da una bombola di gas nella camera.

In due serie di studi, i partecipanti non vedenti alle concentrazioni di CO2 hanno eseguito correzioni di bozze significativamente più scarse in alcune ma non in tutte le sessioni con concentrazioni di CO2 di 4.000 ppm rispetto a 600 ppm. Differenze simili, leggermente significative, sono state osservate a 3000 contro 600 ppm.

(Le differenze sono state osservate solo nella proporzione di errori riscontrati, non nella velocità di lettura.) Gli studi di Kajtar et al. (2003, 2006) erano piccoli (ad esempio, 10 partecipanti) e trovarono solo poche associazioni significative su molte prove; questi risultati potrebbero essere stati imputabili al caso, ma hanno suggerito che le concentrazioni di CO2 trovate negli edifici possono influenzare direttamente le prestazioni umane.

La nostra ricerca, motivata dagli studi ungheresi, ha coinvolto concentrazioni più basse di CO2, una popolazione di studio più ampia e diversi metodi per valutare le prestazioni umane.

Precedenti studi sulle esposizioni alla CO2, principalmente a livelli più alti, si sono concentrati sugli effetti fisiologici. La CO2 è il principale regolatore della respirazione e dell’eccitazione degli stati comportamentali nell’uomo (Kaye et al. 2004). Gli effetti iniziali dell’inalazione di CO2 a concentrazioni più elevate sono un aumento della pressione parziale di CO2 nel sangue arterioso (PaCO2) e una riduzione del pH del sangue.

Tuttavia, PaCO2 è strettamente regolato negli esseri umani sani attraverso il controllo riflesso della respirazione, nonostante la normale variazione all’interno e tra gli individui (Bloch-Salisbury et al. 2000). La CO2 per inalazione a concentrazioni di decine di migliaia di parti per milione è stata associata a cambiamenti nella respirazione, nel flusso sanguigno cerebrale, nella gittata cardiaca e nell’ansia (Brian 1998; Kaye et al. 2004; Lipsett et al. 1994; Roberge et al. 2010 ; Woods et al. 1988).

Poche ricerche hanno documentato gli impatti fisiologici di concentrazioni di CO2 moderatamente elevate, ad eccezione di un piccolo studio che ha riportato cambiamenti nella respirazione, nella circolazione e nell’attività elettrica cerebrale a 1.000 ppm di CO2 (Goromosov 1968).

Non abbiamo ipotesi per spiegare perché l’inalazione di CO2 moderatamente elevata, con gli aumenti attesi che ne conseguono nella respirazione, nella frequenza cardiaca e nella gittata cardiaca per stabilizzare PaCO2, influenzerebbe le prestazioni del processo decisionale.

Bloch-Salisbury et al. (2000) hanno riassunto le conoscenze precedenti sugli effetti dell’elevato PaCO2. PaCO2 ha una relazione lineare diretta con il flusso sanguigno cerebrale in una vasta gamma sopra e sotto i livelli normali, attraverso la dilatazione e la costrizione delle arteriole.

PaCO2 moderatamente elevato (o ridotto) ha effetti drammatici sul sistema nervoso centrale e sulla funzione corticale.

Bloch-Salisbury et al. (2000) hanno riferito che i cambiamenti sperimentali di PaCO2 nell’uomo all’interno dell’intervallo normale (in sessioni di 2 ore che coinvolgono procedure speciali per mantenere costante la respirazione e quindi eliminare il normale controllo riflesso di PaCO2 attraverso la respirazione alterata), non hanno mostrato effetti sulla funzione cognitiva o sulla vigilanza ma ha causato cambiamenti significativi negli spettri di potenza dell’elettroencefalogramma.

Limitazioni. Questo studio ha controllato con successo i noti fattori di confusione ambientale di temperatura e velocità di ventilazione. Sebbene le esposizioni alla CO2 nelle sessioni precedenti possano teoricamente aver influito sulle prestazioni nelle sessioni successive, tali effetti di riporto non dovrebbero invalidare i risultati dello studio a causa dell’ordine equilibrato delle esposizioni.

Gli effetti dei suggerimenti erano improbabili, perché i partecipanti e il ricercatore che spiegavano loro gli SMS erano accecati dalle condizioni specifiche di ogni sessione. Anche se concludiamo che la causalità degli effetti osservati è chiara, la capacità di generalizzare da questo gruppo di studenti universitari / universitari ad altri è incerta.

Anche gli effetti della CO2 tra 600 e 1.000 ppm e tra 1.000 e 2.500 ppm e gli effetti per periodi di tempo sempre più brevi sono incerti.

La forza degli effetti osservati a 2.500 ppm di CO2 è così grande per alcune metriche da sfidare quasi la credibilità, sebbene sia possibile che tali effetti si verifichino senza riconoscimento nella vita quotidiana. Prima di trarre conclusioni definitive, è necessaria la replica di questi risultati dello studio, incluso l’uso di altre misure di funzionamento cognitivo complesso e misure di risposta fisiologica come la respirazione e la frequenza cardiaca.

Implicazioni per gli standard minimi di ventilazione. I risultati di questo studio, se replicati, avrebbero implicazioni per gli standard che specificano le velocità minime di ventilazione negli edifici e indicherebbero anche la necessità di aderire in modo più coerente agli standard esistenti.

Molte delle elevate concentrazioni di CO2 osservate nella pratica sono una conseguenza della mancata fornitura della quantità di aria esterna specificata negli standard attuali; tuttavia, anche le velocità minime di ventilazione nel principale standard professionale [American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) 2010] corrispondono a concentrazioni di CO2> 1.000 ppm in spazi densamente occupati.

Vi è attualmente interesse nel ridurre i tassi di ventilazione e i tassi richiesti dalle norme, per risparmiare energia e ridurre i costi relativi all’energia. Tuttavia, grandi riduzioni dei tassi di ventilazione potrebbero portare ad un aumento delle concentrazioni di CO2 che possono influire negativamente sulle prestazioni del processo decisionale, anche se per controllare altri inquinanti interni sono stati utilizzati sistemi di depurazione dell’aria o materiali a basse emissioni.

Sembra improbabile che le velocità minime di ventilazione raccomandate negli standard futuri siano abbastanza basse da causare livelli di CO2> 2.500 ppm, un livello al quale i decrementi nelle prestazioni decisionali nei nostri risultati erano grandi, ma gli standard con velocità che portano a 1.500 ppm di interni CO2 sono concepibili.


Fonte:
University of Colorado at Boulder

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