Generelt om kjemiske stoffers effekter på organismen

Velg data du ønsker med i utskriften
Tittel Engelsk tittel Versjon Status
Revisjonsdato
Utgiver(e) Redaktør
  • Norsk tittel - Håndbok i NBC-medisin, 2011/2012
  • Engelsk tittel - NBC-medicine
  • Versjon - 3
  • Status - Publisert
  • IS-nr -
  • ISBN -
  • DOI -
  • Revisjonsdato - 01.12.2011
  • Neste revisjon -
  • Publikasjonsdato -
  • Utløpsdato -
  • Utgiver(e) - Nasjonalt kompetansesenter for NBC-medisin, Akuttmedisinsk avdeling, Oslo universitetssykehus (OUS), Ullevål
  • Redaktør - Overlege dr. med. Helge Opdahl et.al.
  • Publikasjonstype -
 

Skadelige kjemiske forbindelser kan være naturlig forekommende, være et produkt av biologiske prosesser eller fremstilt (syntetisert) ved kjemiske prosesser. De kan skade organismen på mange forskjellige måter, likevel kan skademekanismene grovt sett deles i tre hovedgrupper:

  • Direkte toksisitet, hvor naturlig forekommende (inkludert biologiske) eller syntetiske kjemiske giftstoffer induserer skade eller funksjonshemming i en eller flere typer celle, og hvor dette igjen får konsekvenser for hele organismen. Skaden eller funksjonshemmingen kan, avhengig av giftstoff og mulighet for spesifikk behandling, være forbigående eller bli permanent. 
  • Lokal irritasjon eller skade (etse- eller andre skader) av hud, slimhinner, mage-tarm systemet og luftveier. Betydelig vevsskade vil sette i gang reaksjoner som sekundært kan true hele organismen, skader og inflammatoriske prosesser lokalt i luftveiene kan i tillegg føre til livstruende respirasjonssvikt.
  • Fortrengning av oksygen. Gasser som ikke er giftige i seg selv kan i høye konsentrasjoner fortrenge oksygen, skadene skyldes da generell oksygenmangelen i organismen.

Ved høye konsentrasjoner av giftige gasser kan man se flere av effektene samtidig! Brannfarlige/eksplosive gasser kan i tillegg gi brannskader og røkinhalasjonsskader.

Den vanligste årsaken til skade er forgiftning hvor enkeltpersoner ved uhell eller med hensikt svelger giftstoffer eller overdose av medikamenter, eller injiserer/inhalerer forskjellige rusmidler.  Slike hendelser regnes ikke som en C-hendelse i denne sammenheng, og omtales ikke nærmere.

De fleste C-agens som er aktuelle i masseskadesammenheng vil være i gass-, damp- eller aerosolform.  De mest sannsynlige scenarioer for masseskade er:

  • Lekkasje (mer eller mindre massiv) av større volum giftige industrigasser fra stasjonære tanker, rørledninger eller under transport. Lekkasjen kan oppstå som følge av uhell/ulykker, men kan også skyldes en forsettlig handling (sabotasje/terror).
  • Spredning av giftige gasser som dannes ved brann eller eksplosjoner, uansett årsak.
  • Forsettlig spredning av spesielt giftige gasser (nervegasser, cyanidgass mm).

Spredning innendørs eller innen begrensede rom vil vanligvis gi høyere konsentrasjoner av gass/damp, og dermed større sannsynlighet for personskader enn utendørs spredning.

Men man kan også tenke seg spredning av giftige stoffer i form av pulver over folkemengder, eller forurensning av drikkevann etc.

Spredning av giftige stoffer med innåndingsluft (som gass, damp, aerosol eller giftige partikler) over et større område har potensial for å skade mange personer samtidig, ved høy giftighet og konsentrasjon kan effektene vise seg i løpet av sekunder eller få minutter. Spredning via vann eller matvarer kan også gi massesykdom, gifteffekten viser seg vanligvis først etter mange minutter, timer eller dager. Effekten av giftige eller skadelige kjemiske stoffer (agens) på organismen avhenger ikke bare av hvor giftig/farlig agens er i seg selv, men også av mengden man får i seg.

Giftige stoffer kan spres med næringsmidler eller drikkevann og tas opp i mage-tarmkanalen. Noen kan også absorberes direkte gjennom slimhinner, skadet eller intakt hud.

Uansett skademekanismer vil gifteffekten avgjøres av følgende faktorer:

  • Stoffets gifteffekt (eller skadepotensiale)
  • Hvordan stoffet kommer inn i kroppen
  • Mengden skadelig stoff organismen utsettes for (konsentrasjon og varighet)
  • Organismens evne til å bryte ned eller inaktivere stoffet
  • Tilførsel av eventuelle medikamenter eller motgifter (antidoter) som kan nøytraliserer stoffets effekt helt eller delvis
  • De eksponerte individers helsetilstand (asthma, andre sykdommer)

Klassiske gifter (f. eks. cyanid) skader ved at de selv i lave konsentrasjoner hemmer eller endrer viktige kroppsfunksjoner. Andre kjemiske stoffer (f. eks. klor) har moderat gifteffekt i seg selv, men kan likevel være livsfarlige fordi de gir store betennelsesforandringer og lokale skader når de kommer i kontakt med hud eller slimhinner. Disse kan igjen påvirke kroppens funksjonsevne sekundært. Noen stoffer har imidlertid en forsinket effekt, og alvorlig respirasjonssvikt kan oppstå mange timer etter eksposisjon. 

Andre kjemiske stoffer kan skade organismen gjennom direkte effekter på vevet de kommer i kontakt med. Sterke syrer eller baser (etsende stoffer) i flytende form skader øyne, hud, slimhinner og underliggende vev. De tas i liten grad opp blodet, og skaden blir derfor først og fremst lokal. Noen kjemiske forbindelser, først og fremst kjemiske stoffer utviklet for krigsbruk, kan i tillegg til eventuell lokal skade av hud også trenge gjennom huden og tas opp i blodet, de spres da med blodstrømmen og kan påvirke indre organer. 

Hvis etsende eller vevsirriterende C-stoffer innåndes som gass, damp eller aerosol, vil de skade slimhinner og selve lungevevet samtidig som varierende mengder av stoffet tas opp i blodet som passerer lungene. Andre stoffer i gassform kan ha små eller ingen effekter på vevet i selve lungene, men skader kroppen først når de tas opp i blodet. Oksygenmangel kan oppstå ved at innåndede stoffer

  1. skader lungevevet
  2. fortrenger oksygen fra innåndingsluften
  3. påvirker evnen til å puste eller
  4. hindrer oksygentransporten fra blodet til cellene eller i cellene

Effekten av en giftig gass avgjøres av mengden (dvs antall molekyler) man får i seg. Mengden skadelig stoff lungene utsettes for pr tidsenhet bestemmes ikke bare av gassens konsentrasjon i innåndingsluften men også av pustemønster (ventilasjonens dybde og frekvens).  Gass- konsentrasjonen i innåndingsluften avhenger av stoffets kokepunkt og fordampningsevne, stoffer med kokepunkt betydelig lavere enn vanlig lufttemperatur i omgivelsene (klor, ammoniakk) oppfører seg som en ekte gass. I første fase av et utslipp, når slike stoffer går over fra flytende form til gass, vil fordampningsvarmen imidlertid kjøle ned omgivelsene, slik at det kan dannes underkjølt damp på utslippsstedet. 

Stoffer med kokepunkt høyere enn lufttemperaturen (f. eks. nervegasser) oppfører seg som en damp, hvor damptrykket øker med stigende temperatur. Temperaturen i omgivelsene og gass- eller dampfasens egenvekt i forhold til luft bestemmer hvordan dampen spres. Spredningen kan til en viss grad beregnes ved stabil luftstrøm og vindretning eller i stillestående luft, men kan være vanskelig å forutse ved turbulent luftstrøm.  For gasser med lavt kokepunkt vil gasskonsentrasjonen ved vanlig utetemperatur alltid være høy, for gasser som har kokepunkt i området 0-30°C vil temperaturen i omgivelsene ha stor betydning for konsentrasjonen (dvs. damptrykket). Lette gasser vil utendørs raskt stige til værs, mens tyngre gasser samler seg i fordypninger i terrenget.I fordampningsfasen kan imidlertid også lette fasser oppføre seg som en kald damp, og i første omgang holde seg langs bakken. Vind (dvs. luftturbulens) vil minske effekten av spesifikk vekt, ved spredning av gass innendørs vil forskjeller i spesifikk vekt av gassen ha liten betydning.

Stoffer i dampform kan kondensere på klær, hår og hudoverflaten som væske, for så å fordampe igjen når temperaturen i omgivelsene stiger. Dette har betydning spesielt for gasser som er giftige selv ved svært lavt damptykk, personer som tas inn i varme rom kan da avgi så mye giftstoff gjennom fordampning at gassen kan skade hjelperne. Gasser som også kan tas opp gjennom huden representerer en spesiell fare både for pasienter og hjelpere.

Gasser med lavt kokepunkt vil i liten grad kondensere på klær og kroppsoverflater, mengden gass som finnes i klærne vil derfor sjelden være farlige. Hvis klær eller hud er fuktige av gass i flytende form, kan både hudkontakt og avdamping være farlig for hjelperne. Fuktige klær skal derfor alltid fjernes så raskt som mulig.
For giftige gasser gjelder at den totale tiden, dvs hvor lenge man puster inn det skadelige stoffet, har betydning for den totale gifteffekten. Habers regel (etter den tyske kjemikeren Fritz Haber) sier at konsentrasjon (C) og eksponeringstid (t) har like stor betydning for den totale giftbelastningen for organismen: C x t = k (en konstant). Denne sammenhengen er sannsynligvis riktig for relativt lave til middels giftige konsentrasjoner, ved høye konsentrasjoner vil imidlertid konsentrasjonen ha mye større betydning enn tiden.

I yrkesmessig sammenheng, hvor personer kan være utsatt for lave konsentrasjoner av kjemiske stoffer daglig, er man ikke bare opptatt av effekter som gir akutt sykdom eller ubehag, men også av effekter som risiko for utvikling av kreft eller fostermisdannelser. Da vurderingsgrunnlaget for slike effekter ofte er sparsomt blir konklusjonene usikre, og grensene for yrkeseksposisjon settes derfor vanligvis så lavt at man kan være rimelig sikker på at eksposisjonen ikke medfører helserisiko selv ved langvarig påvirkning.

I forbindelse med gassutslipp som skyldes uhell, ulykker eller forsettlige handlinger kan dette for de involverte ses som engangshendelser, dvs man utsettes for påvirkning av skadelige mengder gass kanskje bare en gang i livet og da for en kort tidsperiode. Både for pasienter og hjelpere er da risikoberegningen annerledes. Med utgangspunkt i dette har man utarbeidet et system hvor faregrensene for eksposisjon for kjemiske stoffer ikke bare vurderes i forhold til konsentrasjonen i innåndingsluften, men også i forhold til tidsrommet man eksponeres for stoffene. Slike vurderinger gjennomføres i AEGL (Acute Exposure Guideline Levels) systemet, hvor sannsynlighet for lette, forbigående symptomer (AEGL-1), mere alvorlig sykdom (AEGL-2) og livstruende effekter eller død (AEGL-3) ses i relasjon til både konsentrasjon i innåndingsluft og tiden man utsettes for konsentrasjonen (10 og 30 min, 1,4 og 8 timer).    

Stoffenes fysiske egenskaper påvirker skadepotensialet

Kjemiske stoffer både i fast form og som væske avgir damp. Konsentrasjonen av dampen i luften omkring avgjøres under vanlige atmosfæriske trykkforhold av omgivelsenes temperatur og stoffets kokepunkt. Stoffer hvor kokepunktet ligger lavere enn temperaturen i omgivelsene vil raskt gå over i gassform slik at luften blir mettet med damp (se tabell V-1 for oversikt over kokepunkt, damptrykk med mer). Under slike betingelser kalles dampen gass. Stoffer som har høyt kokepunkt samt lavt damptrykk ved normal temperatur (20-25°C) skader først og fremst ved kontakt med hud og slimhinner (”hudgasser”). De som har høyere damptrykk kommer lettere inn i kroppen med innåndingsluften, og gir skade av lungevev (”lungegasser”, gasser som skader slimhinnene i luftveiene) eller rask overgang av giftstoffer til blodet via lungene (nervegasser ol). Hvis stoffer med lavt damptrykk spres som en aerosol kan effekten likne den som ses for gasser. Aerosoler består av små partikler som kan være i flytende eller fast form. Deres egenskaper avhenger både av partiklenes størrelse og vekt.

Egenvekten av damp eller gass i forhold til luft avgjør hvor konsentrasjonen blir høyest. De som er tyngre enn luft samler seg i fordypninger i terrenget/langs gulvet. De som har en vekt tilnærmet luft vil fordele seg relativt jevnt i luftfasen, og de som er lettere enn luft vil stige opp fra terrenget eller samle seg opp mot taket (figur nedenfor). Når damp kommer inn i luftveiene oppfører den seg, for alle praktiske formål, som en gass. I den videre fremstilling brukes betegnelsen gass for enkelhets skyld om både ekte gass og damp.

Irriterende gasser kan danne betennelsesfremkallende væsker, sterke syrer eller baser når de løses opp i vannfasen på slimhinnenes overflate. Hvor raskt de løser seg i vannfasen bestemmer bl.a. om effekten blir størst i øvre eller nedre luftveier, og om å puste inn gjennom f. eks. et fuktet tøystykke gir noen form for beskyttelse. 

Giftighet og konsentrasjon

Giftigheten av forskjellige kjemiske forbindelser kan angis som dødelig dose (”Lethal dose = LD”), den dosen eller konsentrasjonen hvor man forventer tilnærmet 100% dødelighet blant de eksponerte. Ofte angis også dosen eller konsentrasjonen hvor 50% av de eksponerte forventes å dø (henholdsvis ”Lethal dose, 50%” = LD50 og ”Lethal concentration, 50%” = LC50), eller kombinasjonen av konsentrasjon og tid som vil drepe 50% (”Lethal concentration & time 50%” = LCt50). Dosen eller konsentrasjonen av stoffer i damp- eller gassform angis vanligvis enten som vekt av stoffet pr volumenhet (f. eks. milligram pr kubikkmeter luft, mg/m3) eller som relativ molekyltetthet, hvor konsentrasjonen av gassen angis i ppm = partikler (parts) per million. 10.000 ppm = 1 % og tilsvarer et damptrykk på 1,01 kPa (7,6 mm Hg) ved normalt barometertrykk. Konvertering mellom enheter for gasstrykk og for mengdeangivelse av en gass kan gjøres med formlene nedenfor.

Konverteringstabell

1 atmosfære (atm) = 760 mmHg (Torr) = 101,3 kPa = 1,013 Bar = 10,133 m H2O = 14,7 psi.
1 kPa = 7,5 mmHg = 10 cm H2O
1 mmHg = 0,133 kPa = 1,33 cm H2O
1 cm H2O = 0,1 kPa = 0,75 mmHg
For konvertering mellom ppm og mg/m3 må man kjenne gassens molekylvekt:
mg/m3 = (ppm x gram molkylvekt av gassen) / 24,45 (romtemperatur)
ppm = (mg/m3 x 24,45) / gram molkylvekt av gassen

Kalkulator for konvertering finnes bl.a. på: www.cdc.gov/niosh/docs/2004-101/calc.htm

Figur 1 (V): Egenvekt av farlige agens i gass/damp form.

Egenvekt av farlige agens i gass/damp form. De fleste har en egenvekt som gjør at de vil synke ned i fordypninger i terrenget eller laveste del av et hus. Vind, turbulens eller luftstrømmer kan imidlertid lett virvle dem opp.

Eksponeringsmåtens betydning

Effekten av agens som tas opp fra mage-tarmkanalen, og dermed også symptomene, er ofte forsinket i forhold til inntaket. Dette kan gi diagnostiske problem. Selv om flere personer fikk giftstoffet i seg på samme sted, kan symptomene som oppstå senere vise seg når personene er spredd til forskjellige steder. Giftstoffer som spres som gass, damp eller aerosol kan få en svært raskt innsettende effekt da de kan gå over i blodet nesten like raskt som om de ble injisert. Eksposisjon vil da oppdages raskt.