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18.11.2020

Oxidatives Potenzial von Feinstaub

Anlass

Eine Verminderung der Feinstaub-Belastung der Luft allein reicht womöglich nicht aus, um die gesundheitlichen Folgen von Feinstaub zu reduzieren. Nämlich dann, wenn es nicht gelingt, gleichzeitig die Menge der Feinstaub-Komponenten zu senken, die den Körper über ihr oxidatives Potenzial schädigen. Zu diesem Ergebnis kommt eine aktuelle Studie, die im Fachjournal „Nature“ veröffentlicht wurde (siehe Primärquelle). Die Autorinnen und Autoren schlussfolgern, dass es effektiver sein könnte, spezifische Feinstaub-Quellen in den Blick zu nehmen als nur auf eine bloße Verringerung der Feinstaub-Masse abzuzielen.

Verschmutzte Luft ist eine Gefahr für die menschliche Gesundheit. Feinstaub trägt neben anderen Schadstoffen wie Stickoxiden und Ozon erheblich zu dieser Belastung bei. Der Zusammenhang zwischen der Feinstaub-Konzentration in der Luft und akuten und chronischen Symptomen und Erkrankungen wurde in vielen Studien belegt. Dabei setzen die negativen gesundheitlichen Wirkungen nicht erst oberhalb bestehender Grenzwerte ein. Etwa 85 Prozent der Menschen in Europa leben in Städten mit Feinstaub-Werten über den WHO-Empfehlungen. Der „Bericht zur Luftqualität in Europa 2019“ [I] bilanziert, dass in den 41 untersuchten europäischen Ländern allein 412.000 Menschen vorzeitig wegen einer zu hohen Feinstaub-PM2.5-Belastung starben [II]. Das oxidative Potenzial von Feinstaub-Partikeln ist eine von vielen Möglichkeiten, wie Feinstaub die Gesundheit beeinträchtigen kann. Das oxidative Potenzial beschreibt die Eigenschaft, oxidativen Stress in Gewebezellen auszulösen, in dessen Folge Entzündungsreaktionen entstehen können. Der genaue Zusammenhang ist allerdings noch ungeklärt.

Die AutorInnen der Studie sammelten Luftverschmutzungsproben in der Schweiz und beurteilten deren oxidatives Potenzial. Sie kombinierten ihre Messungen mit Luftgütemodellen, um die Quellen von Feinstaub und oxidativem Potenzial in ganz Europa zu quantifizieren. Sie finden, dass die Massenkonzentration von Feinstaub hauptsächlich durch mineralischen Staub, sekundäre organische Aerosole und sekundäre anorganische Aerosole bestimmt wird. Die Quellen der Feinstaub-Bestandteile mit oxidativem Potenzial sind zumeist anthropogen und stammen als sogenannte Nichtauspuff-Emissionen von Fahrzeugen und aus der Verbrennung von Biomasse in Wohngebäuden. Die regulatorischen Vorschriften zur Feinstaub-Belastung zielen darauf, die Feinstaub-Masse zu verringern, ohne dass diese Maßnahmen auch die Fraktionen mit oxidativem Potenzial reduzieren.

Übersicht

     

  • Dr. Stefan Reis, Leiter des wissenschaftilchen Bereiches Atmospheric Chemistry and Effects, Centre for Ecology and Hydrology, Edinburgh, Schottland
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  • Prof. Dr. Barbara Hoffmann, Leiterin der Arbeitsgruppe Umweltepidemiologie, Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
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  • Dr. Josef Cyrys, Leiter der Arbeitsgruppe Environmental Exposure Assessment, Institut für Epidemiologie, Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, München
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  • Prof. Dr. Gerhard Lammel, Leiter der Arbeitsgruppe Organische Schadstoffe und Exposition, Abteilung Multiphasenchemie, Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz und Research Centre for Toxic Compounds in the Environment, Masaryk University, Brünn, Tschechische Republik
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Statements

Dr. Stefan Reis

Leiter des wissenschaftilchen Bereiches Atmospheric Chemistry and Effects, Centre for Ecology and Hydrology, Edinburgh, Schottland

„Diese neue Studie zeigt, wie wichtig eine genaue Betrachtung der Quellgruppen sowohl primärer, als auch sekundärer Aerosol-Bestandteile für die Bewertung der Wirksamkeit von Emissionsminderungsmaßnahmen ist. Bisher wird grundsätzlich nur die Partikel-Masse von Feinstaub (PM2.5) zur Risikobewertung herangezogen, die erheblich variierende chemische Komposition aber in der Regel vernachlässigt. Während bisher nur wenige belastbare Ergebnisse zur Gesundheitswirkung spezifischer Partikel-Komponenten verfügbar sind, haben bestehende Minderungsstrategien eine direkte Auswirkung auf die Entwicklung der Feinstaub-Komposition.“

„In der vorliegenden Studie wird das Oxidations-Potenzial als ein Weg zu einer differenzierteren Bewertung herangezogen. Auf dieser Basis werden bisherige und zukünftig zur erwartende Feinstaub-Emissionsminderungen ausgewertet, mit zum Teil erheblichen Unterschieden im Vergleich zu der Methode, die lediglich auf der Feinstaub-Masse basiert. Sofern weitere toxikologische Studien das Oxidations-Potenzial als wirksamen umweltmedizinischen Indikator bestätigen, kann die aktuelle Studie einen wichtigen Beitrag dazu leisten, vor allem Feinstaub-Quellen wie Reifen- und Bremsenabrieb, und die Relevanz organischer Feinstaub-Komponenten in den Forschungsfokus zu rücken. Die dargestellten Ergebnisse könnten so zur Entwicklung effizienterer Minderungsstrategien führen und eine wichtige Diskussion zur Neubewertung der etablierten Indikatoren zur Gesundheitswirkung der Feinstaubbelastung einleiten.“

Prof. Dr. Barbara Hoffmann

Leiterin der Arbeitsgruppe Umweltepidemiologie, Institut für Arbeits-, Sozial- und Umweltmedizin, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

„Feinstaub ist ein Gemisch aus unterschiedlichen Substanzen, die aus verschiedenen Quellen stammen und sich daher in ihren Eigenschaften – wie zum Beispiel Größe, chemische Zusammensetzung, Wasserlöslichkeit, oxidatives Potenzial und Masse – stark unterscheiden. In der aktuellen Studie wird das sogenannte oxidative Potenzial in verschiedenen Feinstaub-Proben gemessen und in Modellrechnungen auf ganz Europa übertragen.“

„Zu Recht wird in der Studie darauf hingewiesen, dass die Rolle des oxidativen Potenzials für die Gesundheitswirkungen noch nicht geklärt ist. Deshalb kommt es derzeit auch nicht für eine gesetzliche Regulierung von Feinstaub in Betracht. Die Studie liefert allerdings nützliche Ergebnisse über die Quellen und die Verteilung des oxidativen Potenzials in Europa, die bei der weiteren wissenschaftlichen Untersuchung von Feinstaubwirkungen angewandt werden können. Unabhängig hiervon sind PM2.5 und PM10, welche die Masse des Feinstaubgemisches darstellen, die zurzeit am besten geeigneten Indikatoren zur gesetzlichen Regulierung von Feinstaub, da die negativen gesundheitlichen Auswirkungen von PM2.5 und PM10 auf die Mortalität und auf eine Vielzahl von Erkrankungen klar belegt sind.“

Dr. Josef Cyrys

Leiter der Arbeitsgruppe Environmental Exposure Assessment, Institut für Epidemiologie, Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt, München

„Insgesamt sind für mich die Ergebnisse, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen dieser Studie nicht wirklich neu.“

„Es ist aus unzähligen Publikationen bekannt, dass die Massenkonzentration von Feinstaub hauptsächlich durch mineralischen Staub, sekundäre organische Aerosole und sekundäre anorganische Aerosole kontrolliert wird. Für viele Städte liegen genaue Angaben zum Quellenanteil für PM10 und PM2.5 Feinstaub vor.“

„Das oxidative Potenzial von Feinstaub ist ein Parameter, aber nicht der Einzige, der mit den Verbrennungspartikeln assoziiert ist. Es gibt einige andere Parameter, die ebenfalls sehr stark durch Verbrennungspartikel bestimmt werden, so zum Beispiel, ob es sich um ultrafeine Partikel handelt, um elementaren oder organischen Kohlenstoff.“

„Es gibt sehr viele Strategien zur Verringerung der Feinstaubkonzentration – zum Beispiel die Luftreinhaltepläne der Kommunen, hier in Bayern gibt es diese zum Beispiel für Augsburg und München. Einige dieser Strategien verringern bestimmt den Anteil der toxischen Verbrennungspartikel, andere nicht. Man kann also nicht so generell sagen, dass ‚Minderungsstrategien, die darauf abzielen, die Massenkonzentrationen von Feinstaub allein zu reduzieren, die Konzentration des oxidativen Potenzials möglicherweise nicht verringern’, so wie es die Autoren der aktuellen Studie schreiben.“

„Die Umweltzonen in den Städten in Deutschland sind ein Paradebeispiel, wie stark man den Anteil der Verbrennungspartikel verringern kann, mit einer Maßnahme die sich relativ wenig auf die Massenkonzentration von Feinstaub auswirkt.“

„Ich möchte hier kurz zitieren [1]: Damit zeigt sich deutlich, dass die Beurteilung der Wirksamkeit von Umweltzonen anhand Messungen der Konzentrationsänderungen von PM10-Feinstaub nur bedingt möglich ist. Die Umweltzonen wurden zwar primär als Maßnahme für die Reduktion der PM10-Belastung eingeführt (weil diese gesetzlich reguliert wird), haben aber deutlicheren Einfluss auf die Reduktion des toxisch sehr viel relevanteren Rußanteils. Die Überwachung von Ruß wäre daher eine deutlich bessere Strategie, die Wirksamkeit der Umweltzonen zu beurteilen. Zusätzlich wäre es sinnvoll, die Veränderung der Konzentrationen anderer Partikelgrößenklassen wie des PM2.5-Feinstaubs oder ultrafeiner Partikel zu bestimmen.“

„Weiter wird dort [1][2] ausgeführt: Obwohl die PM10-Konzentration [in Umweltzonen] nur von 100 Prozent auf 90 Prozent zurückgeht, sinkt der Anteil der hochtoxischen Komponenten um die Hälfte – von 20 Prozent auf 10 Prozent.“

Auf die Frage, inwiefern sich die Feinstaubmessungen so gestalten ließen, dass mehr wichtige Faktoren erfasst werden:
„Das Messen von anderen Parametern zusätzlich zur Masse von PM10 und PM2.5 wäre hilfreich. Seit Jahren wird von der wissenschaftlichen Community postuliert, dass wir in der EU neben den amtlichen Messstationen – wie hier in Bayern vom Landesamt für Umwelt betrieben – einige sogenannte Supersites brauchen, um dort neue und innovative Parameter – auch das Oxidationspotenzial – messen zu können und eine Datenbasis für epidemiologische Untersuchungen zu schaffen. Damit haben sich ganze Studien befasst [3][4].”

 „Die Forderungen, weitere Parameter zusätzlich zur Masse von PM10 und PM2.5 zu berücksichtigen, sind nicht neu. Genauso ist es mit der Zuordnung der Feinstaub-Quellen. Es gibt bereits epidemiologische Studien, die die gesundheitliche Wirkung einzelner Quellen untersucht haben. Die Ergebnisse sind nicht immer eindeutig, aber es besteht der Verdacht, dass die Partikel aus Verbrennungsprozessen eine erhöhte Toxizität im Vergleich zu sekundären Sulfaten oder Nitraten haben.“

Prof. Dr. Gerhard Lammel

Leiter der Arbeitsgruppe Organische Schadstoffe und Exposition, Abteilung Multiphasenchemie, Max-Planck-Institut für Chemie, Mainz und Research Centre for Toxic Compounds in the Environment, Masaryk University, Brünn, Tschechische Republik

„Die Gesundheitsgefährdung durch Luftstaub wird durch Simulierung desjenigen molekularen Geschehens getestet – und als Oxidationspotenzial quantifiziert –, das auf Zellebene oxidativen Stress erzeugt. Die Simulierung geschieht in Form eines in-vitro-Tests mit oder – wie in der vorliegenden Studie – ohne lebende Zellen.“

„Die Verursacher oxidativen Stresses sind sogenannte reaktive Sauerstoffverbindungen – und in geringerem Maße auch reaktive Stickstoffverbindungen –, die von oxidierenden anorganischen Substanzen (insbesondere gelöste Eisen- und Kupfersalze) und/oder organischen Verbindungen (insbesondere Chinone, die vor allem in Verbrennungsprozessen freigesetzt werden) in der Atemluft gebildet werden.“

„Die chronische Wirkung von oxidativem Stress wiederum wurde als Vorbedingung für eine Reihe von Krankheiten erkannt. Das bedeutet aber nicht, dass es nicht auch akute Wirkungen gäbe, insbesondere bei bestehenden Vorerkrankungen. Unter den Krankheiten sind auch solche, deren Assoziation mit Luftstaub epidemiologisch abgesichert ist. Eine Dosis-Wirkungs-Beziehung kann durch das Oxidationspotenzial nicht hergestellt werden.“

Auf die Frage, welche Rolle dem oxidativen Potenzial im Vergleich zu anderen Treibern negativer gesundheitlicher Effekte zukommt:
„Im Hinblick auf Gesundheitsschäden aufgrund von Langzeitexposition verschmutzter Luft ist dies noch nicht geklärt. Neben Krankheiten, für die oxidativer Stress auf Zellebene ursächlich sein kann, gibt es weitere – nämlich Krebs, Erbgutschädigungen und andere – die von organischen Schadstoffen ohne Oxidationspotenzial ausgehen, etwa viele kanzerogene und endokrin wirksame Stoffe. Ferner können Stoffe ohne Oxidationspotenzial zu Substanzen mit Oxidationspotenzial metabolisiert werden. Diesen Teil des Oxidationspotenzials von Atemluft zu erfassen, würde die Verwendung von zellulären Testsystemen erfordern, die es auch gibt, die in der hier diskutierten Studie aber nicht eingesetzt wurden. Daraus ergibt sich, dass ein – allerdings in seiner Bedeutung unbekannter – Teil des Oxidationspotenzials von Atemluft in der Studie nicht abgedeckt wurde.“

„Bei den Feinstaub-Messungen sollten die toxischen Stoffe erfasst werden, das heißt in die Luftüberwachung einbezogen werden. Viele sind zwar identifiziert und durch chemisch-analytische Methoden hinreichend empfindlich bestimmbar, aber ihre Dosis-Wirkungs-Beziehung ist nicht hinreichend untersucht. Letzteres ist bei Langzeitexposition und chronischen Verläufen methodisch schwierig – zum Beispiel wegen der schwierigen Übertragbarkeit von Bakterien- oder Tiermodellen auf den Menschen und der Risikobewertung. Oder die entsprechende Messung ist instrumentell aufwändig und teuer. Auch ist aufgrund chemischer und biologischer Vorgänge die Wirkung des Cocktails – zumindest hunderter toxischer Stoffe in Atemluft – nicht durch die Summe der Einzelstoffe gegeben, Stichwort Mischungstoxizität.“

„Die meisten organischen Substanzen mit oxidativem Potenzial – zum Beispiel die Chinone – werden zum Teil partikelgetragen und zum Teil gasförmig transportiert und eingeatmet. Diese Verteilung zwischen Gas und Partikeln im Aerosol ist variabel – auch für den selben Stoff – und hängt neben anderen Einflüssen von der Lufttemperatur ab. Die gasförmige Fraktion hat die diskutierte Studie nicht erfasst. Das tatsächliche Oxidationspotenzial der untersuchten Proben war also höher als das erfasste.“

„Die Studie unterstreicht einmal mehr, was seit Langem bekannt ist: Verbrennungsprozesse von fossilen Brennstoffe, aber auch Holz, setzen besonders schädliche Stoffe frei.“

Angaben zu möglichen Interessenkonflikten

Dr. Stefan Reis: „Es besteht kein Interessenkonflikt und ich habe keine direkte oder indirekte Beteiligung an der Studie.“

Prof. Dr. Barbara Hoffmann: „Zurzeit keine Interessenkonflikte.“

Alle anderen: Keine Angaben erhalten.

Primärquelle

Daellenbach KR et al. (2020): Sources of particulate-matter air pollution and its oxidative potential in Europe. Nature. DOI: 10.1038/s41586-020-2902-8.

Literaturstellen, die von den Experten zitiert wurden

[1] Wichmann E et al. (2014): Handbuch der Umweltmedizin. 53. Ergänzungslieferung.

[2] Cyrys J et al. (2014): Low emission zones reduce PM10 mass concentrations and diesel soot in German cities. Journal of the Air & Waste Management Association, 64:4, 481-487, Figure 1. DOI: 10.1080/10962247.2013.868380.

[3] REVIHAAP: Review of evidence on health aspects of air pollution.

[4] Health risks of air pollution in Europe – HRAPIE (2013): Recommendations for concentration–response functions for cost–benefit analysis of particulate matter, ozone and nitrogen dioxide.

Literaturstellen, die vom SMC zitiert wurden

[I] Science Media Center (2019): Bericht zur Luftqualität in Europa. Research in Context.

[II] Science Media Center (2018): Verlorene Lebenszeit als Maßeinheit für Gesundheit – vorzeitige Todesfälle, verlorene Lebensjahre oder doch etwas anderes?. Fact Sheet zu den Maßzahlen in der Epidemiologie. Stand: 08.03.2018

Weitere Recherchequellen

Yadav S et al. (2019): Oxidative Potential of Particulate Matter: A Prospective Measure to Assess PM Toxicity. In: Measurement, Analysis and Remediation of Environmental Pollutants. Energy, Environment, and Sustainability. Springer, DOI:10.1007/978-981-15-0540-9_16

Science Media Center Germany (2017): Wie werden die Grenzwerte für Luftschadstoffe wie Feinstaub und Stickoxide festgelegt? Fact Sheet. Stand: 27.01.2017.
Für welche Schadstoffe in der Luft welche Grenzwerte festgelegt wurden, wie der politische Prozess ablief, wie die Grenzwerte eingehalten werden sollen und was der Unterschied zwischen gesetzlich festgelegten Grenzwerten und den WHO-Empfehlungen ist, finden Sie im Fact Sheet.

Science Media Center Germany (2016): Feinstaub. Fact Sheet. Stand: 05.09.2016.
Was als Feinstaub zählt und welche Gesundheitsrisiken wissenschaftlich bewiesen sind, listet dieses Fact Sheet auf.