Feinstaub

Eine Studie von Forschern aus Großbritannien, den USA und Mexiko stellt die Forschungshypothese auf, dass eine hohe Belastung durch ultrafeine Staubpartikel im Gehirn möglicherweise einen Risikofaktor für Alzheimer darstellt. Im Hinblick auf die Debatte um Luftschadstoffregulierungen in deutschen Großstädten stellt das Science Media Center Germany als Hilfe zur Einordnung dieses Factsheet bereit. Es enthält Basisinformationen zu den Gefahren, Arten und Auswirkungen von Feinstaub.

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Übersicht

Gesundheitsrisiken von Feinstaub
Kategorisierung verschiedener Partikelgrößen und ihre jeweiligen Auswirkungen

Gesundheitsrisiken von Feinstaub

Feinstaub verursacht eine Reihe von Krankheiten. In Gebieten mit hohen Feinstaubkonzentrationen treten Schlaganfälle und Herzinfarkte häufiger auf.
Außerdem zählen Lungenkrebs, Allergiesymptome, asthmatische Erkrankungen und generelle Atemwegsbeschwerden zu den bekannten gesundheitlichen Effekten von Feinstaub. (Lelieveld et al., Nature 2015; WHO, 2013).
Experten schätzen die Zahl der vorzeitigen Todesfälle durch Feinstaub und Ozon für 2010 allein in Deutschland auf 34.000 (Lelieveld et al., Nature 2015).
7.000 Menschen könnten jedes Jahr als Folge von Verkehrsabgasen in Deutschland versterben. Das sind etwa doppelt so viele wie bei Verkehrsunfällen ums Leben kommen. (Lelieveld et al., Nature 2015).
Experten der Weltgesundheitsorganisation WHO rechnen damit, dass sich die Lebenserwartung eines Europäers durch sehr feine Luftschadstoffe um 8, 6 Monate verkürzt (WHO, 2014).

Was ist Feinstaub?

Das Bundesumweltamt teilt Feinstaub in primär emittierten und in sekundär gebildeten Feinstaub ein:
- 1. Primär emittierter Feinstaub wird durch Verbrennungs- oder Reibungsprozesse direkt an der Quelle freigesetzt. Bedeutende Feinstaubquellen in Deutschland sind Industrie, Landwirtschaft und Verkehr.
- 2. Sekundär gebildeter Feinstaub entsteht aus chemischen Reaktionen mit sogenannten Vorläufergasen, darunter Schwefeldioxid, Stickoxid und Ammoniak. (WHO, 2016; Glossar Europäische Kommission, 2008)
Experten teilen Feinstaub in drei Partikel-Größen (PM, Particulate Matter) ein:
- 1. PM10: Partikel haben einen Durchmesser bis 10 µm: Feinstaub mit diesem Durchmesser kann - primär durch Mund und Nasenhöhle - inhaliert werden und teilweise bis in die Luftröhre gelangen.
- 2. PM2,5: Durchmesser bis 2,5 µm. Partikel dieser Größenklasse dringen tiefer in den Körper bis in die Bronchien der Atemwege und Lungenbläschen vor.
- 3. PM0,1: Durchmesser bis 0,1 µm = 100 nm. Ultrafeiner Staub kann über Lungengewebe in den Blutkreislauf aufgenommen werden und sich von dort im Körper verbreiten. Über den Geruchskanal können PM 0,1 vermutlich direkt ins Gehirn gelangen (Umweltbundesamt, 2016).
Feinstaub der Kategorie PM0,1, wird üblicherweise als Nanopartikel (NP) bezeichnet (Fedorovich et al., Biochemical Society Transactions 2010; Nel et al., Science 2006).
Feinstaub von geringen Ausmaßen (bis 2,5 µm / PM2.5) hat potentiell negative Auswirkungen auf die neurologische und kognitive Entwicklung von Kindern und kann laut einzelnen Studien die Gehirnmasse verringern (WHO, 2013; Calderón-Garciduenas et al., Toxicologic Pathology 2004; Calderón-Garciduenas, Toxicologic Pathology 2003; Peters et al., age and ageing 2015; Nel et al., Science 2006). PM2,5 erhöht laut Studien das Risiko von verdeckten Schlaganfällen in kleinen Hirngefäßen. Diese Partikel könnten auch das Entstehen einer vaskulären Demenz, Depressionen oder eine fehlerhafte Verarbeitung von Sinneseindrücken begünstigen (Wilker et al., Stroke 2015)
Nanopartikel und solche, die einen Durchmesser von bis zu 0,2 µm (200 nm) aufweisen, können durch den Geruchskanal (Bulbus Olfaktorius) direkt ins Gehirn gelangen. Partikel dieser Größe konnten im Gehirn Verstorbener sowohl im Hippocampus als auch im Frontalen Cortex nachgewiesen werden (Maher et al., PNAS 2016).
Bei Feinstaub heißt die medizinische Faustregel: Je kleiner die Partikel, desto bedrohlicher das Gesundheitsrisiko. Das liegt vor allem daran, dass Nanopartikel mit einem Durchmesser von 0,001 – 0,007 µm (1 - 7 nm) besonders leicht ins Gehirn gelangen. Nanopartikel von 0,001 – 0,002 µm (1 - 2 nm) Durchmesser werden am häufigsten eingeatmet, während bei größeren Partikel mit einem Durchmesser bis 0,1 µm (100 nm) die Inhalationswahrscheinlichkeit auf max. 0,01 Prozent sinkt (Garcia et al., Inhalation Toxicology 2015).
Ein Großteil der im Gehirn gefundenen Luftschadstoffpartikel hat einen Durchmesser von < 0,05 µm (50 nm) und weist, anders als die nur etwa 0,007 – 0,008 µm (7-8 nm) großen im Körper entstehenden Eisen(II,III)-oxid-Partikel, eine „kugelige“ Form auf. (Wang et al., Journal of Nanoscience and Nanotechnology 2016; Maher et al., PNAS 2016; Fedorovich et al., Biochemical Society Transactions 2010; Mitchell & Maher, Atmospheric Environment 2009).
Eine kausale Verbindung zwischen der vermehrten Inhalation von Feinstäuben und einem vermehrten Auftreten von Alzheimer ist bis heute nicht sicher nachgewiesen. Experimentelle Studien liefern seit über einem Jahrzehnt Hinweise darauf, dass sich im Gehirngewebe von Verstorbenen, die über lange Zeit einer hohen Luftverschmutzung ausgesetzt waren, vermehrt Beta-Amyloid Ablagerungen finden. Extrazelluläre Ablagerungen von Beta-Amyloid (Plaque-Bildung) treten im Gehirn von Alzheimer-Kranken in erhöhter Dichte auf. Außerdem fanden sich erste Hinweise, dass speziell das vermehrte Vorkommen von Magnetit-Partikeln (Eisen(II,III)-oxid) im Gehirn positiv mit der Alzheimer Krankheit korreliert (Maher et al., PNAS 2016; Calderón-Garciduenas et al., Toxicologic Pathology 2004; Calderón-Garciduenas et al., Toxicologic Pathology 2003; Peters et al., age and ageing 2015; Fedorovich et al., Biochemical Society Transactions 2010).
Bei komplexen Erkrankungen wie Alzheimer spielen mehrere Ursachen eine Rolle. In den bisherigen Studien ist die Anzahl der analysierten Gehirne Verstorbener zu klein für statistisch valide Aussagen. Die Korrelation zwischen Feinstaubdosis, Magnetit im Gehirn und Alzheimer ist zudem schwach. Es fehlen bisher auch Vergleichsstudien, die gleichaltrige Gehirne Verstorbener in hochbelasteten und wenig mit Feinstaub belasteten Gebieten verglichen haben. Unklar bleibt, ob nicht andere Umstände die entdeckten Zusammenhänge erklären können. Klarheit bringen können hier allein aussagekräftigere Studien, die genauer klären, wie der Feinstaub den Weg ins Gehirn findet und welche Schäden im Gehirn ausgelöst werden.

Wichtige Publikationen und Recherchequellen

Calderón-Garciduenas, L., et al., 2002: air pollution and brain damage in: Toxicologic Pathology, Vol.30(3), pp. 373-389. URL: http://bit.ly/2bXJNrg

Calderón-Garciduenas, L., et al., 2003: DNA damage in nasal and brain tissues of canines exposed to air pollutants is associated with evidence of chronic brain inflammation and neurodegeneration in: Toxicologic Pathology, Vol.31(5), pp. 524-538. URL: http://bit.ly/2csjVpT

Calderón-Garciduenas, L., et al., 2004: Brain Inflammation and Alzheimer’s-Like Pathology in Individuals Exposed to Severe Air Pollution in: Toxicologic Pathology, Vol.32(6), pp. 650-658. URL: http://bit.ly/2c1kLGe

Cesaroni, G., et al., 2014: Long term exposure to ambient air pollution and incidence of acute coronary events: prospective cohort study and meta-analysis in 11 European cohorts from the ESCAPE Project in: British Medical Journal, Vol. 348, pp. 1-16. URL: http://bit.ly/2bXltpr

Fedorovich, S.V., et al., 2010: Are Synapses Targets of Nanoparticles? in: Biochemical Society Transactions, Vol. 38(2), pp. 536-538. URL: http://bit.ly/2c1kVh9

Garcia, G.J.M., et al., 2015: Olfactory deposition of inhaled nanoparticles in humans in: Inhalation Toxicology, Vol.27(8), pp. 394-403. URL: http://bit.ly/2clT5MO

Lelieveld, J., et al., 2015: The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale in: Nature, Vol. 525, pp. 367-371. URL: http://go.nature.com/1iPa9xb

Maher, B.A., et al., 2016: Magnetite pollution nanoparticles in the human brain in: PNAS, Vol.113(36), pp. 1-5. URL: http://bit.ly/2c5lAzT

Mitchell, B. & Maher, B.A., 2009: Evaluation and application of biomagnetic monitoring of traffic derived particulate pollution in: Atmospheric Environment, Vol.43(13), pp. 2095-2103. URL: http://bit.ly/2crXbDU

Nel, A., et al., 2006: Toxic Potential of Materials at the Nanolevel in: Science, Vol.311(5761), pp. 622-627. URL: http://bit.ly/2crWrhO

Peters, R., et al., 2015: Is air pollution associated with increased risk of cognitive decline? A systematic review in: age and ageing, Vol.44(5), pp. 755-760. URL: http://bit.ly/2c5AEhV

Wang, B., et al., 2016: Size-Dependent Translocation Pattern, Chemical and Biological Transformation of Nano- and Submicron-Sized Ferric Oxide Particles in the Central Nervous System in: Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol.16(6), pp. 5553-5561. URL: http://bit.ly/2c5zFy6

Wilker, E., et al., 2015: Long-Term Exposure to Fine Particulate Matter, Residential Proximity to Major Roads and Measures of Brain Structure in: Stroke, Vol.46, pp. 1161-1166. URL: http://bit.ly/2cdsbd3

Europäische Kommission – Glossary: Fine Particles. URL: http://bit.ly/2cdrTD6

Öffentliches Gesundheitsportal Österreich: Feinstaub: Luftschadstoff Nummer 1. URL: http://bit.ly/2bQb8zH

Umweltbundesamt: Feinstaub. URL: http://bit.ly/1l7JFC6

Weltgesundheitsorganisation – Regionalbüro für Europa: Neu entdeckte gesundheitliche Auswirkungen von Luftverschmutzung machen größere Anstrengungen zur Reinhaltung der Luft in der Europäischen Union erforderlich. URL: http://bit.ly/2crYu5A

World Health Organization – Regional Office for Europe: Review of evidence on health aspects of air pollution. URL: http://bit.ly/2clSlYq

World Health Organization – Media Centre: Ambient (outdoor) air quality and health. URL: http://bit.ly/1qy9yfL

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