Supplement: Perspektiven der Pneumologie & Allergologie

Feinstaub und Stickoxide: Gefährdung nicht unterschätzen

Dtsch Arztebl 2017; 114(50): [34]; DOI: 10.3238/PersPneumo.2017.12.15.09

Grunert, Dustin; Schmitt, Angelina

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Luftschadstoffen kann man nicht entgehen, man könnte sie nur verringern. Die gesundheitlichen Auswirkungen sind zum Teil sehr gut nachgewiesen und können beträchtlich sein.

Foto: dpa
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Durch den „Dieselskandal“ rund um Automobilhersteller, die die Abgaswerte von Dieselfahrzeugen manipuliert haben sollen, sind Stickstoffoxide (NOX) und im Speziellen Stickstoffdioxid (NO2) wieder in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt. Vor rund 10 Jahren war es Feinstaub (Particulate Matter, PM), auf den sich die Diskussion um Luftschadstoffe konzentrierte. Dennoch ist das Problem der Luftverschmutzung, die insbesondere in vielen Großstädten stark ist, nicht vom Tisch. Besonders im Winter steigen die Konzentrationen der gesundheitsschädlichen Stoffe an.

Luftschadstoffe

Luftschadstoffe werden nach gasförmigen und partikulären Substanzen unterschieden.

Gasförmige Substanzen sind demnach Gase oder Dämpfe, die leicht über die Atmung in den Körper aufgenommen werden können, wobei die wasserlöslichen dieser Substanzen schnell absorbiert werden und daher nicht in die Lunge gelangen.

Die partikulären Substanzen enthalten feste oder flüssige Bestandteile von 1–100 μm Größe. Differenziert wird auch nach primären und sekundären Schadstoffen. Dabei werden primäre Schadstoffe wie Schwefeldioxid (SO2) oder Stickoxide direkt in die Atmosphäre abgegeben, während sekundäre Schadstoffe wie Ozon (O3) erst durch chemische Reaktionen in der Atmosphäre (bei intensiver Sonneneinstrahlung) in Kombination mit deren Bestandteilen entstehen. Feinstaub wird primär emittiert oder sekundär gebildet. Primärer Feinstaub wird unmittelbar an der Quelle freigesetzt. Entstehen die Partikel durch gasförmige Vorläufersubstanzen wie Schwefeldioxid, Stickoxide oder Ammoniak, so werden sie als sekundärer Feinstaub bezeichnet.

Feinstaub kann aus natürlichen Quellen wie Emissionen aus Flächen- und Waldbränden, Bodenerosionen, Pflanzen (Pollen), Mikroorganismen oder anthropogen freigesetzt werden.

Primär anthropogener Feinstaub entsteht durch Emissionen aus Kraftfahrzeugen, Kraft- und Fernheizwerken, Abfallverbrennungsanlagen, Öfen und Heizungen, bei der Metall- und Stahlerzeugung sowie in der Steine- und Erdenindustrie. In Ballungsgebieten ist der Straßenverkehr die dominierende Feinstaubquelle. Dabei wird Feinstaub durch Verbrennungsmotoren (vorwiegend Dieselfahrzeuge), Bremsen- und Reifenabrieb sowie durch Staub der Straßenoberfläche freigesetzt. Kohlekraftwerke, von denen in Deutschland viele mit Braunkohle betrieben werden, verursachen ebenfalls eine erhebliche Feinstaubbelastung. In der Landwirtschaft tragen Ammoniakemissionen aus der Tierhaltung zur sekundären Feinstaubbildung bei (1).

Gesundheitliche Auswirkungen

Zu den gesundheitlichen Wirkungen von Feinstaub wurden zahlreiche Untersuchungen durchgeführt. Laborexperimente, eine hohe Zahl tierexperimenteller Studien und Untersuchungen an staubbelasteten Arbeitsplätzen belegen im Grundsatz die gesundheitsschädliche Wirkung von Staub. Neuere umweltepidemiologische Studien weisen darüber hinaus nach, dass diese Effekte auch bereits bei üblichen Staubkonzentrationen in der Umwelt auftreten können. Eine Konzentration, unterhalb derer die Partikel gesundheitlich unbedenklich sind, ist bislang nicht bekannt. Weil die Gefährlichkeit des Staubs stark von der Größe seiner Teilchen abhängt, definieren Umweltmediziner mehrere Klassen:

  • inhalierbarer Feinstaub mit einem Durchmesser von maximal 10 µg (PM 10),
  • lungengängiger Feinstaub mit maximal 2,5 µg Durchmesser (PM 2,5) und
  • ultrafeine Partikel mit maximal 0,1 µg Durchmesser (PM 0,1).

Je kleiner die Teilchen, umso länger halten sie sich in der Luft und umso leichter können sie immer wieder aufgewirbelt werden. Milliarden Partikel können so in jedem Kubikmeter Luft „gezählt“ werden – und doch alle zusammen nur ein Zwanzigstel Gramm wiegen. Fast alle derzeit eingesetzten Luftprüfstationen messen jedoch pauschal nur die Masse aller Teilchen mit Durchmessern von unter 10 µm – jedoch nicht ihre Zahl. Und auch die seit 2005 geltenden EU-Grenzwerte beziehen sich lediglich auf das Gewicht aller Partikel der Größe PM 10.

Den gesundheitlich relevanten Teil des Schwebstaubs machen jedoch die kleineren Teilchen aus. So konzentriert sich die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler seit einigen Jahren auf die „lungengängigen“ Feinstäube (PM 2,5), die für schwere medizinische Folgen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Lungenkrebs verantwortlich gemacht werden.

Aber auch zu den gesundheitsschädlichen Wirkungen nach inhalativer Aufnahme von Stickstoffdioxid liegen eine Vielzahl von einzelnen Untersuchungen und eine ganze Reihe von Übersichtsarbeiten vor. Die Erkenntnisse zu den Kurz- und Langzeitwirkungen durch Stickstoffdioxid wurden anhand von Tierversuchen, humanexperimentellen Untersuchungen sowie aus umweltepidemiologischen Studien gewonnen.

Kolorierte Aufnahme von Feinstaubpartikeln, die aus Autoabgasen stammen. Foto: Science Photo Library/Deerinck, Thomas NCMIR
Kolorierte Aufnahme von Feinstaubpartikeln, die aus Autoabgasen stammen. Foto: Science Photo Library/Deerinck, Thomas NCMIR

Stickstoffdioxid ist ein Reizgas und wirkt als sehr reaktive Verbindung. Beim Menschen löst NO2 bei Kontakt mit Geweben und Zellen insbesondere des Atemtrakts und auch der Augen Reizeffekte aus. Auch können Gewebe- und Zellschäden entstehen, die dann zu möglichen Funktionsstörungen, zellschädigenden Reaktionsprodukten und entzündlichen Prozessen führen (2).

Wirkungen beim Menschen werden durch das Atemmuster, die Lungenanatomie und durch bestehende Atemwegserkrankungen sowie durch Expositionshöhe und -zeit bestimmt. Die individuelle Empfindlichkeit fällt recht unterschiedlich aus (2).

In den 28 Ländern der EU kam es im Jahr 2016 zu circa 436 000 vorzeitigen Todesfällen durch PM-2,5- und zu 68 000 durch NO2-Exposition. In Deutschland waren es 73 400 durch PM-2,5- und 10 610 durch NO2-Expositionen (3). Zum Vergleich: In Deutschland gab es im gleichen Zeitraum 3 214 Verkehrstote (4).

Man unterscheidet zwischen kurzfristigen Wirkungen hoher Konzentrationen von Feinstaub oder NO2 in der Luft, das heißt Wirkungen, die in unmittelbarer zeitlicher Nähe zur Exposition (also innerhalb weniger Tage) auftreten, und denjenigen Wirkungen, die langfristig aus einer erhöhten Belastung mit Feinstaub oder NO2 resultieren. Dabei ist für viele Wirkungen noch unklar, welche die eigentlich schädlichen Bestandteile des komplexen Staub-Luft-Gemisches sind.

Häufig gehen hohe Luftschadstoffkonzentrationen (PM 10, NO2) räumlich und/oder zeitlich mit einer hohen Belastung durch Lärm einher. Dies betrifft den Straßenverkehr. Die extraauralen Gesundheitseffekte von Lärm betreffen neben Schlafstörungen auch endokrine Wirkungen und Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Luftschadstoffe können zum Teil dieselben Effekte auslösen. Hier sind insbesondere kardiovaskuläre Effekte zu nennen (5).

Allerdings kann für die in umweltepidemiologischen Studien beobachteten gesundheitlichen Wirkungen ein eigenständiger Schadstoffeinfluss unterstellt werden.

Kurzzeitwirkungen

Hinsichtlich der Kurzzeitwirkungen konnten in verschiedenen Studien Assoziationen zwischen einer Erhöhung der NO2-Belastung und einer Zunahme der Gesamtsterblichkeit (alle Todesursachen), der herz-kreislauf-bedingten Sterblichkeit, der Krankenhausaufnahmen und Notfallkonsultationen aufgrund von Atemwegserkrankungen und Asthma sowie der Krankenhausaufnahmen aufgrund chronischer Bronchitis ermittelt werden (6, 7, 8).

Aufgrund seiner geringen Wasserlöslichkeit dringt der überwiegende Anteil des eingeatmeten NO2 bis in die Lungenperipherie (dem Gasaustauschbereich) vor. Dort treffen die NO2-Moleküle auf die gut durchbluteten Alveolen, die das Gas aufnehmen und chemisch umwandeln. Entstehende Reaktionsprodukte werden mit dem Blut abtransportiert. Jedoch kann NO2 bei Kontakt mit Alveolengewebe Zellschäden auslösen und entzündliche Prozesse verursachen (2).

Aktuelle Empfehlungen und Grenzwerte
Tabelle 1
Aktuelle Empfehlungen und Grenzwerte

Kurzfristige Auswirkungen auf den Menschen infolge von NO2-Belastungen der Außenluft zeigen sich in einer Zunahme der Gesamtsterblichkeit aufgrund insbesondere von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Hauptsächlich betroffen sind Menschen mit Asthma oder chronischer Bronchitis. Kurzfristig auftretende NO2-Konzentrationen im Tagesmittel von etwa 10–100 μg/m³ vermögen Lungenfunktionsbeeinträchtigungen auszulösen. Ebenso sind vermehrt Krankenhauseinweisungen und Arztbesuche aufgrund chronischer Bronchitis, asthmatischer Erkrankungen sowie als Folge von Herz-Kreislauf-Erkrankungen belegt (2).

Anhand von Expositionskammer-Untersuchungen an gesunden und vorgeschädigten Testpersonen (insbesondere Jugendliche mit leichten Formen von Asthma) konnte nachgewiesen werden, dass eine (kurzfristige) Belastung gegenüber NO2 zu einer Verschlechterung der Lungenfunktion führt. Hierbei zeigten sich bei Vorgeschädigten vergleichbare Effekte schon bei deutlich niedrigeren Konzentrationen als bei gesunden Personen. In den meisten Studien ergab sich, dass die individuelle Empfindlichkeit sehr unterschiedlich ist (6).

Zudem konnte im Tierversuch gezeigt werden, dass Stickstoffdioxid zur Hyperreagibilität der Atemwege führt. Hyperreagibilität ist ein Risikofaktor für die Manifestation von Asthma (6).

Als kurzfristige Effekte erhöhter Feinstaubbelastung wurden in diversen Studien vor allem Beeinträchtigungen der Atemwege selbst, Wirkungen auf Herz und Kreislauf und erhöhte Sterblichkeitsraten festgestellt.

So beeinträchtigen kurzfristige Erhöhungen der Feinstaubkonzentrationen in der Atemluft die Lungenfunktion, vor allem von Asthmakranken. In zahlreichen Studien wurden gehäufte Krankenhauseinweisungen aufgrund von Husten, Auswurf, Atembeschwerden, Atemnot, Asthma und entzündlichen Atemwegserkrankungen in Abhängigkeit von Episoden mit erhöhter Staubexposition dokumentiert.

Vorbestehende Erkrankungen der Atemwege können sich verschlechtern, was zu einer erhöhten Sterblichkeit nach Staubepisoden führt.

Auch in Bezug auf kardiovaskuläre Effekte lassen sich schädliche Wirkungen von kurzfristig erhöhten Feinstaubimmissionen feststellen. Eine umfassende Darstellung findet sich in einem wissenschaftlichen Statement der American Heart Association (9). Kurzzeiterhöhungen von PM 2,5 erhöhen das Risiko von Myokardinfarkten, Schlaganfällen, Herzversagen, Arrythmien, und Herztod (10).

In Studien an älteren Menschen wurde eine verminderte Anpassungsfähigkeit der Herzfrequenz an Belastungssituationen dokumentiert. Studien an Patienten mit bedarfsgesteuerten Herzschrittmachern wiesen eine deutliche Erhöhung der Schrittmacheraktivität nach Episoden mit erhöhter Staubexposition auf.

Epidemiologische Untersuchungen konnten nach kurzzeitiger Erhöhung der Feinstaubkonzentrationen in der Atemluft eine deutliche Häufung von Krankenhauseinweisungen aufgrund von Herzbeschwerden, Bluthochdruck, Herzinfarkt, Herzrhythmusstörungen und Herzschwäche nachweisen.

Auch die Sterblichkeit aufgrund von Herz-Kreislauf-Erkrankungen steigt nach Episoden erhöhter Feinstaubbelastung messbar an.

Die kardiovaskulären Effekte können durch die folgenden Mechanismen verursacht werden, die allein oder gemeinsam geeignet sind, das Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu erhöhen (9, 11):

  • Partikel können Abwehrprozesse in Form von Entzündungsreaktionen hervorrufen. Über Botenstoffe können diese Entzündungsreaktionen, die sich zunächst in der Lunge abspielen, den gesamten Organismus betreffen.
  • Die lungengängigen Partikel (PM 2,5) können mit Rezeptoren im Deckgewebe der Lungenbläschenmembran (Epithel der Alveolarmembran) inter-agieren und dadurch das vegetative Nervensystem beeinflussen. Indirekt hat dies Auswirkungen auf die durch diesen Teil des Nervensystems mitgesteuerte Herzleistung.
  • Partikel können direkt auf Organe des Herz-Kreislauf-Systems oder Blutbestandteile einwirken. Dies betrifft insbesondere die ultrafeinen Partikel, die die Lungenbläschen durchdringen und in den Blutstrom gelangen können, wo sie unter anderem auch die Viskosität des Blutes beeinflussen (12).

Die Herzleistung kann zusätzlich durch eine eventuell parallel auftretende Verschlechterung von Atemwegserkrankungen beeinträchtigt sein.

Auf eine temporäre Erhöhung der Sterblichkeit an Atemwegs- oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen in der Bevölkerung infolge von Expositionsspitzen gegenüber Feinstaub folgt keine Phase mit einer unterdurchschnittlichen Sterblichkeit. Daher muss von einer Verkürzung der Lebenszeit in Bezug auf die gesamte betroffene Bevölkerung auch durch nur kurzzeitige Erhöhungen der Feinstaubbelastung ausgegangen werden.

Positive gesundheitliche Auswirkungen bei Minderung der PM-10– bzw. NO2-Immissionen
Tabelle 2
Positive gesundheitliche Auswirkungen bei Minderung der PM-10– bzw. NO2-Immissionen

Langzeitwirkungen

Über die Langzeitwirkungen von Feinstaub und NOX existieren bislang vergleichsweise wenige umweltepidemiologische Studien. Dies ist vor allem dem hohen materiellen und zeitlichen Aufwand geschuldet, der für derartige Untersuchungen notwendig ist. Um über langfristige Wirkungen Aussagen machen zu können, müssen Kohortenstudien durchgeführt werden, bei denen eine große Bevölkerungsgruppe über viele Jahre hinweg untersucht wird.

In verschiedenen Kohorten- beziehungsweise Fall-Kontroll-Studien konnte bei Zunahme der langjährigen PM 10-, PM 2,5- oder NO2-Belastung eine Zunahme der Sterblichkeit (alle Todesursachen, Herz- und Atemwegserkrankungen, Lungenkrebs) und/oder der Häufigkeit von Lungenkrebs, chronischen Atemwegsbeschwerden bei Erwachsenen, Hustenepisoden und Bronchitis bei Schulkindern, chronischer Bronchitis bei Kindern mit diagnostiziertem Asthma und Lungenfunktionsverschlechterungen bei Schulkindern festgestellt werden (5).

Diese Langzeitstudien zeigen, dass eine zusätzliche Feinstaubkonzentration (PM 2,5) von 10 µg/m3 Luft im Jahresmittel mit einem Anstieg der Sterblichkeit verbunden ist – und zwar um 6 % für die Gesamtmortalität, um 9 % für die Sterblichkeit an Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen und um 14 % für die Lungenkrebsmortalität. Basierend auf diesen Kohortenstudien, liegen rechnerische Aussagen vor, dass sich die Lebenserwartung durch langfristige Schwebstaubbelastung um etwa 1–2 Jahre verkürzen könnte.

Derartige Schätzungen und Beobachtungen berücksichtigen jedoch nicht die Frage, ob sich die genannten Gesundheitseffekte des Feinstaubs klar von den möglichen Auswirkungen gasförmiger Luftschadstoffe abgrenzen, deren Konzentrationen nachweislich miteinander korrelieren. In „Mehrschadstoffmodellen“ konnte nachgewiesen werden, dass die Kurzzeitwirkungen von Schwebstaub bedeutsamer sind als die von gasförmigen Schadstoffen wie Ozon, NO2, SO2 und CO. Die Abgrenzung der Langzeitwirkungen verschiedener Schadstoffe voneinander ist dagegen schwieriger. Mittlerweile haben Untersuchungen zudem ergeben, dass ultrafeine Partikel des Feinstaubs bis in das Gehirn gelangen. Dazu untersuchten Forscher Proben aus Gehirnen von 38 Menschen aus Mexiko-Stadt und Manchester. In allen Proben fanden sie Ansammlungen von Eisenoxid-Nanopartikeln, die Teil des anthropogenen Feinstaubs sind und die möglicherweise ein Risikofaktor für die Entstehung von Alzheimer darstellen (13).

Fazit

  • Kurzzeiteffekte auf die Gesundheit durch die Belastung der Außenluft mit feinen und ultrafeinen Partikeln sind in zahlreichen Untersuchungen nachgewiesen.
  • Langzeitstudien zeigen, dass die Exposition gegenüber höheren Konzentrationen von PM zu einer Verkürzung der Lebenserwartung beitragen kann. Dabei werden die Morbiditäts- und Mortalitätsraten für Erkrankungen der Atemwege und des Herz-Kreislauf-Systems deutlich beeinflusst. Am überzeugendsten ist die Datenlage für PM 2,5 und PM 10.
  • Langfristige Expositionen gegenüber NO2-Belastungen der Außenluft wirken sich auf die Gesamtsterblichkeit aus. Hiervon sind besonders Menschen betroffen, die an verkehrsreichen Straßen leben. Bei langfristiger Exposition gegenüber NO2-Außenluftkonzentrationen mit 10–80 μg/m³ treten Atemwegserkrankungen wie Husten, Bronchitis und Lungenfunktionsverschlechterungen häufiger auf.
  • Besonders bei Kindern können Lungenfunktionsverschlechterungen und Defizite in der Lungenfunktionsentwicklung auftreten. Die derzeitigen Erkenntnisse lassen nicht ausschließen, dass im Alter irreversible Lungenschädigungen vorkommen können.
  • Für Stickstoffdioxid liegen keine Hinweise auf eine Wirkschwelle vor, unter der langfristige Auswirkungen auszuschließen sind (2).

DOI: 10.3238/PersPneumo.2017.12.15.09

Dustin Grunert, Angelina Schmitt

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/5017

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1.
Schweisfurth H: Gesundheitsschäden durch Feinstaub. https://www.aak.de/fileadmin/pdf/Feinstaub-Schweisfurth.pdf (last accessed on 4 December 2017).
2.
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3.
World Health Organization: Air Quality in Europe. https://www.eea.europa.eu/publications/air-quality-in-europe-2016 (last
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4.
Statistisches Bundesamt: 7,1 % weniger Verkehrstote 2016. Pressemitteilung Nr. 065 vom 24. Februar 2017. https://www.destatis.de/DE/PresseService/Presse/Pressemitteilungen/2017/02/PD17_065_46241.html (last accessed on 4 December 2017).
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Aktuelle Empfehlungen und Grenzwerte
Tabelle 1
Aktuelle Empfehlungen und Grenzwerte
Positive gesundheitliche Auswirkungen bei Minderung der PM-10– bzw. NO2-Immissionen
Tabelle 2
Positive gesundheitliche Auswirkungen bei Minderung der PM-10– bzw. NO2-Immissionen
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