szmtag SARS-CoV-2 und Aerosole (1): Was wir bis heute wissen

SUPPLEMENT: Perspektiven der Pneumologie & Allergologie

SARS-CoV-2 und Aerosole (1): Was wir bis heute wissen

Dtsch Arztebl 2020; 117(50): [12]; DOI: 10.3238/PersPneumo.2020.12.11.03

Lange, Julia; Schumann, Lukas; Hartmann, Anne; Kriegel, Martin

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Luftgetragene Aerosolpartikel gelten als wichtiger Übertragungsweg von SARS-CoV-2. An der TU Berlin werden experimentelle und numerische Untersuchungen zu Emissionsrate und Ausbreitung durchgeführt. Eine erarbeitete Methodik zur Risikobewertung wird validiert.

Ausgeatmete Luft durch einen Mund-Nasen-Schutz. Visualisierung mit dem Rauch einer E-Zigarette und einem LED-Lichtschnitt. Foto: Hermann-Rietschel-Institut
Ausgeatmete Luft durch einen Mund-Nasen-Schutz. Visualisierung mit dem Rauch einer E-Zigarette und einem LED-Lichtschnitt. Foto: Hermann-Rietschel-Institut

Nach derzeitigem Stand der Forschung ist die respiratorische Aufnahme von SARS-CoV-2-Viren maßgeblich am Auftreten von Infektionen beteiligt (1). Mit der Ausatmung werden Partikel verschiedener Größenordnungen abgegeben. Es wird häufig zwischen größeren Tröpfchen und Aerosolpartikeln unterschieden, wobei der Übergang zwischen beiden fließend ist.

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Größere Tröpfchen sinken aufgrund von Schwerkraft zügig zu Boden oder lagern sich auf Oberflächen ab. Sie können zu einer Tröpfchen- oder Schmierinfektion führen. Aerosolpartikel sind in typischen Innenräumen ideal luftgetragen, sie können sich auch über Stunden hinweg in der Raumluft aufhalten. Aerosolpartikel unterscheiden sich von größeren Tröpfchen in der deutlich geringeren Verdunstungszeit von wenigen Sekundenbruchteilen sowie größeren luftgetragenen Übertragungswegen.

Die Bildung der Partikel erfolgt in der Lunge, im Mund- und Rachenraum sowie zwischen den Lippen beim Sprechen, die Größenordnung liegt überwiegend zwischen 0,2–20 µm (2). In diesem Gemisch können sich auch Krankheitserreger befinden, die mit diesem abgegeben und auf Aerosolpartikeln durch den Raum transportiert werden.

Insbesondere die kleinen Partikel können über weite Strecken durch die Luftströmung transportiert werden und das Einatmen dieser kann zur aerogenen Übertragung führen. Gleichzeitig ist die Viruslast kleiner Partikel aber geringer. Der Durchmesser der Krankheitserreger ist dabei meist deutlich kleiner als derjenige der Aerosolpartikel, bei SARS-CoV-2 liegt er bei 0,12 µm.

Die Aerosolpartikel setzen sich aus einer Verbindung aus Wasser, Proteinen, Salzen sowie weiteren Bestandteilen zusammen. Bei der Verdunstung verringern die Tröpfchen nach der Entstehung im feuchten und warmen Bereich von Lunge und Mund-Rachen-Trakt ihren Durchmesser, bis ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand mit der Feuchtigkeit der Umgebungsluft erreicht ist. Die Verdunstung der Tröpfchen auf die Größe des Tröpfchenkerns (etwa ein Drittel des ursprünglichen Durchmessers) geschieht dabei binnen Sekundenbruchteilen (3).

Ansteckung

Je kleiner ein Partikel, desto tiefer kann es in die Lunge eindringen. Partikel mit einem Durchmesser von < 3 μm gelangen bereits bis in die Bronchien und Partikel < 1 μm können bis in die Alveolen vordringen. Je tiefer die Aerosolpartikel beim Einatmen gelangen, umso höher ist das Risiko, dass sie eine Infektion auslösen (4).

Für eine Bewertung des Risikos einer Infektion müssen daher verschiedene Informationen bezüglich der Aerosole zur Verfügung stehen:

  • Anzahl und Größenverteilung der abgegebenen Aerosolpartikel bei verschiedenen Aktivitäten,
  • Viruslast im Aerosol,
  • kritische Virendosis,
  • Ausbreitung der Viren im Raum.

Hinsichtlich der Fragestellung zur Emissionsrate sowie der Ausbreitung von Aerosolpartikeln im Raum sollen nachfolgend die Ergebnisse von durchgeführten Untersuchungen präsentiert werden. Basierend auf Auswertungen von bekannten Ausbrüchen (5) wird aktuell davon ausgegangen, dass nicht auf jedem Aerosolpartikel ein Virus transportiert wird. Eine genaue Grenze der kritischen Menge an eingeatmeten Aerosolpartikeln kann aktuell nicht angegeben werden.

Emissionsrate

Der Prüfstand ist, wie in der Grafik dargestellt, aufgebaut in einem Reinraum des Hermann-Rietschel-Instituts (HRI) der TU Berlin, der als partikel- und aerosolfrei betrachtet werden kann. Der Raum, der mit einer turbulenzarmen Verdrängungsströmung (TAV) mit 600-fachem Luftwechsel betrieben wird, ist mit endständigen ULPA-Filtern ausgestattet, die die Partikel aus der Zuluft abscheiden. Als Messkanal dient ein Glasrohr mit einem Prallblech aus Plexiglas, das für eine gleichmäßige Durchmischung der Probenahmeluft über den Rohrquerschnitt sorgt.

Prüfstand zur Ermittlung der vom Menschen abgegebenen Aerosole. Die Atemluft der Person auf der linken Seite wird von der Filter Fan Unit (FFU) auf der rechten Seite ansaugt, durch die Prallblende verwirbelt und die Aerosole werden von der Messsonde des Partikelzählers detektiert.
Grafik
Prüfstand zur Ermittlung der vom Menschen abgegebenen Aerosole. Die Atemluft der Person auf der linken Seite wird von der Filter Fan Unit (FFU) auf der rechten Seite ansaugt, durch die Prallblende verwirbelt und die Aerosole werden von der Messsonde des Partikelzählers detektiert.

Mindestens 8 Probanden werden gebeten, folgende 4 Aktivitäten durchzuführen: zu atmen, zu sprechen, zu husten sowie zu singen. Die detaillierten Ergebnisse dieser Probandenstudien sind in der Publikation (6) für das Atmen, Sprechen und Husten zu finden sowie in (7) und (8) für das Singen.

Während beim Atmen durch die Nase nur sehr geringe Quellstärken, im Mittel 23 Partikel/s, gemessen werden, werden bei einem einzelnen Hustenereignis im Mittel 13 709 Partikel/Hustenereignis abgegeben. Beim Sprechen werden mit 195 Partikel/s knapp 10-mal so viele Partikel gemessen wie beim Atmen durch die Nase, und beim Singen ist die Emission von Aerosolpartikeln gegenüber dem Sprechen 30-fach erhöht.

Der Einfluss der verschiedenen Aktivitäten auf die Anzahl der abgegebenen Aerosolpartikel ist daher deutlich zu erkennen. Die gemessenen Größenverteilungen sind vom konkreten Ereignis nahezu unabhängig. Zwischen 55 und 60 % der gemessenen Partikel weisen eine Größe < 0,5 μm auf und 99 % der gemessenen Partikel sind kleiner als 3 μm. Der Großteil der gemessenen Partikel, über 85 %, ist < 1 μm und daher als ideal luftgetragen und alveolengängig zu betrachten.

Ausbreitung im Raum

Der Atemvolumenstrom trägt die Aerosolpartikel als Freistrahl in die Raumluft. Durch Einmischung von Raumluft nimmt das Volumen dieses Strahls zu und die Konzentration der Aerosolpartikel daher ab. Aerosolpartikel bleiben nur dann an einer Stelle, wenn im Raum keine Konvektion vorhanden ist. Tatsächlich führt bereits die Körperwärme des Menschen zu einem thermischen Auftrieb der Aerosolpartikel und zu einer Vermischung der Luft durch freie Konvektion im gesamten Raum (9).

Wenn zusätzlich noch eine mechanische Lüftung (erzwungene Konvektion) im Raum vorhanden ist, wird die Vermischung etwas beschleunigt, wobei dies aufgrund der langen Aufenthaltszeiten in Räumen von einigen Minuten bis Stunden bei üblichen Raumluftgeschwindigkeiten (0,01–0,1 m/s) nicht ausschlaggebend ist. Diese analytischen Ergebnisse werden in Simulationen eines Büroraums (10) bestätigt. Die potenziell virenbeladenen Aerosolpartikel werden kurzzeitig in den Raum eingebracht. Nach wenigen Minuten sind im gesamten Raum Partikel mit einem Durchmesser von 0,3–5 μm zu finden, wobei in einem Büroraum mit Lüftungsanlage eine deutlich geringere Konzentration zu finden ist als in einem unbelüfteten Büro.

In Räumen mit Fensterlüftung ist die Situation weniger gut vorhersagbar. Die tatsächlich zugeführte Menge an frischer, sauberer Luft hängt von äußeren Parametern ab. Die natürliche Lüftung wird begünstigt durch eine hohe Temperaturdifferenz zwischen innen und außen sowie durch hohe Windgeschwindigkeiten. Der Raumnutzer kann dies nur eingeschränkt (z. B. durch das Öffnen weiterer Fenster oder gegenüberliegender Fensterfronten) beeinflussen. Empfohlene Öffnungsflächen zur Sicherstellung des mindestens benötigten Zuluft-Volumenstroms werden in der deutschen Arbeitsstättenrichtlinie 3.6 (ASR A3.6) angegeben (11).

Auswertung und Diskussion

Unter Berücksichtigung der Messdaten zur Emission von Aerosolpartikeln werden Berechnungen zum zeitlichen Verlauf der Aerosolpartikelkonzentration im Raum angestellt. Der Vergleich eines Büroraums mit einem Chorprobenraum sowie Konzertsälen ist in der Publikation (12) ersichtlich. Wenn von nur einer infizierten Person ausgegangen wird und nur die von dieser Person abgegebenen Aerosolpartikel als kritisch zu bewerten sind, wird sowohl im Büroraum als auch im Chorprobenraum mit Fensterlüftung nach kurzer Zeit ein Anstieg der Aerosolpartikelkonzentration deutlich erkennbar. Bei gut belüfteten, großen Räumen sind deutlich geringere Konzentrationen zu erwarten.

Der Verlauf des Anstiegs der Aerosolpartikelkonzentration in der Raumluft wird dabei entscheidend von der Raumgröße sowie der Außenluftmenge beeinflusst. Aufbauend auf den Betrachtungen hinsichtlich des Verlaufs der Aerosolpartikelkonzentration in einem Raum wird in der Untersuchung (5) ein von Wells und Riley aufgestelltes Modell für die Bewertung eines Infektionsrisikos in Innenräumen auf aktuelle Erkenntnisse hinsichtlich SARS-CoV-2 angewendet. Basierend auf der Basis-Reproduktionszahl wird die Anzahl an kritischen Dosen bestimmt, die eine infizierte Person pro Zeiteinheit ausatmet und die im Raum verteilt werden können.

Anhand von 12 bekannten Ausbrüchen von SARS-CoV-2 in verschiedenen Situationen (z. B. Chorprobe, Restaurant, Schule) wurde eine Validierung des Modells durchgeführt. In 9 von 12 Fällen wurde eine sehr gute Übereinstimmung erreicht, und für die Abweichung der 3 anderen Ausbrüche konnte gezeigt werden, dass unbekannte Randbedingungen einen großen Einfluss auf das Ergebnis hatten.

Es wird gezeigt, dass für lange Aufenthaltszeiten oder große Volumenströme an Außenluft beziehungsweise gereinigter Umluft von einem stationären Zustand ausgegangen werden kann. Um dann ein bestimmtes Infektionsrisiko zu erhalten, wird der notwendige Luftvolumenstrom angegeben. Es sind 75 m3/h pro Person und pro Stunde Kontaktdauer notwendig, um die Reproduktioszahl bei 1 zu halten. Das heißt, eine Person steckt maximal eine weitere Person an.

Der genaue Zuluft-Volumenstrom an Frischluft ist für den Raumnutzer oft nicht erkennbar und zum Beispiel bei Fensterlüftung auch nicht leicht messbar. Jeder Mensch gibt neben Aerosolpartikeln auch permanent Kohlenstoffdioxid (CO2) ab. Diese Tatsache wird unter anderem bei Lüftungsampeln genutzt. Da die CO2-Konzentration ein Indikator für die Luftqualität ist, können so Lüftungsmaßnahmen durch dieses simple Prinzip abgeleitet werden. Ein derartiges Vorgehen wird auch in der ASR A3.6 beschrieben (11), wobei für 3 Stufen (< 1 000 ppm, 1 000–2 000 ppm sowie > 2 000 ppm) entsprechende Maßnahmen empfohlen werden. Eine CO2-Konzentration von 1 000 ppm wird in etwa bei 40 m³/(h × Personenzahl) erreicht.

Wenn sich in einem Raum mit 25 Personen eine infizierte Person für 1 Stunde aufhält und die CO2-Konzentration im stationären Zustand bei 1 000 ppm bleibt – entsprechend etwa einem Volumenstrom von 1 000 m³/h – liegt das Infektionsrisiko bei < 10 % (2 der 24 Personen würden sich im Mittel infizieren).

Offene Fragen/Einschränkungen

  • Wissenschaftliche Untersuchungen hinsichtlich der kritischen Virendosis sowie der Viren je Aerosolpartikel sind mit Menschen nicht möglich. Erkenntnisse dazu sind nur über Berechnungsmethoden oder Tiermodelle möglich.
  • Da Berechnungsmodelle auf Rückrechnungen beruhen, werden sie erst mit einer zunehmenden Anzahl an untersuchten Ausbrüchen genauer.
  • Ebenso wurde die Rolle von Raumlufttemperatur und -feuchte auf die Aktivität der Viren vernachlässigt.

Fazit

  • Aerosolpartikel werden eindeutig mehr beim Singen abgegeben als beim Sprechen.
  • Unsere Untersuchungen zeigen die Art und Weise der Ausbreitung von Aerosolpartikeln in einem Raum auf.
  • Mittels analytischer Ansätze wurde eine Methodik zur Bewertung des Infektionsrisikos aufgestellt und – aufbauend auf bekannten Ausbrüchen – eine kritische Dosis bestimmt (bestehend aus der Anzahl der Aerosolpartikel sowie der Menge der Viren pro Aerosolpartikel).
  • Des Weiteren wurde die Halbwertszeit der Viren als Faktor für die Inaktivierung berücksichtigt.
  • In weiteren Untersuchungen sollen der Einfluss anderer Aktivitäten auf die Freisetzung von respiratorischen Aerosolpartikeln sowie die Wirksamkeit verschiedener Masken zur Verringerung der Emissionsrate geprüft werden.
  • Die ausführlichen Ergebnisse der Studien sowie weitere aktuelle Informationen zur Forschung hinsichtlich der Aerosolpartikelausbreitung in Räumen ist auf dem Blog des Hermann-Rietschel-Instituts (https://blogs.tu-berlin.de/hri_sars-cov-2) zu finden.

DOI: 10.3238/PersPneumo.2020.12.11.03

Julia Lange,
Lukas Schumann,
Anne Hartmann,
Prof. Dr.-Ing. Martin Kriegel, Institutsleiter
Technische Universität Berlin, Hermann-Rietschel-Institut

Interessenkonflikterklärung: Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.

Literatur im Internet:
www.aerzteblatt.de/lit5020

1.
Robert Koch-Institut: SARS-CoV-2 Steckbrief zur Coronavirus-Krankheit-2019 (COVID-19). 2020. https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Steckbrief.html (last accessed on 11 November 2020).
2.
Morawska L, Johnson GR, Ristovski ZD, et al.: Size distribution and sites of origin of droplets expelled from the human respiratory tract during expiratory activities. Journal of Aerosol Science 2009; 40 (3): 256–69 CrossRef
3.
Wei J, Li Y: Enhanced spread of expiratory droplets by turbulence in a cough jet. Building and Environment 2015; 93: 86–96 CrossRef
4.
Moriyama M, Hugentobler WJ, Iwasaki A: Seasonality of Respiratory Viral Infections. Annu Rev Virol 2020; 7 (1): 83–101 CrossRef MEDLINE
5.
Kriegel M, Buchholz U, Gastmeier P, Bischoff P, Abdelgawad I, Hartmann A: Predicted Infection Risk for Aerosol Transmission of SARS-CoV-2. Preprint. medRxiv 2020.10.08.20209106 CrossRef
6.
Hartmann A, Lange J, Rotheudt H, Kriegel M: Emissionsrate und Partikelgröße von Bioaerosolen beim Atmen, Sprechen und Husten. Preprint. Hermann-Rietschel-Institut 2020. http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10332.
7.
Mürbe D, Fleischer M, Lange J, Rotheudt H, Kriegel M: Aerosol emission is increased in professional singing. Preprint. OSF Preprints 2020; doi:10.31219/osf.io/znjeh CrossRef MEDLINE
8.
Mürbe D, Kriegel M, et al.: Aerosol emission of child voices during speaking, singing and shouting. medRxiv 2020. https://doi.org/10.1101/2020.09.17.20196733 CrossRef
9.
Kriegel M, Hartmann A: Ausbreitungsdistanz und -dynamik von Aerosolen in Innenräumen durch Konvektionsströme. Preprint. Hermann-Rietschel-Institut 2020. doi: org/10.14279/depositon
ce-10391.
10.
Pfender F: Einfluss einer Lüftung auf die Ausbreitung von Partikeln in einem Büro. Hermann-Rietschel-Institut 2020. https://blogs.tu-berlin.de/hri_sars-cov-2/2020/05/12/einfluss-einer-lueftung-auf-die-ausbreitung-von-partikeln-in-einem-buero/ (last accessed on 11 November 2020).
11.
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Ausschuss für Arbeitsstätten: Technische Regeln für Arbeitsstätten. ASR A3.6 Lüftung. 2012, letzte Aktualisierung 2018. https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/ASR/ASR-A3-6.html (last accessed on 11 November 2020).
12.
Hartmann A, Mürbe D, Kriegel M, Lange J, Fleischer M: Risikobewertung von Probenräumen für Chöre hinsichtlich virenbeladenen Aerosolen. Preprint. Hermann-Rietschel-Institut 2020. http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10372.
Prüfstand zur Ermittlung der vom Menschen abgegebenen Aerosole. Die Atemluft der Person auf der linken Seite wird von der Filter Fan Unit (FFU) auf der rechten Seite ansaugt, durch die Prallblende verwirbelt und die Aerosole werden von der Messsonde des Partikelzählers detektiert.
Grafik
Prüfstand zur Ermittlung der vom Menschen abgegebenen Aerosole. Die Atemluft der Person auf der linken Seite wird von der Filter Fan Unit (FFU) auf der rechten Seite ansaugt, durch die Prallblende verwirbelt und die Aerosole werden von der Messsonde des Partikelzählers detektiert.
1.Robert Koch-Institut: SARS-CoV-2 Steckbrief zur Coronavirus-Krankheit-2019 (COVID-19). 2020. https://www.rki.de/DE/Content/InfAZ/N/Neuartiges_Coronavirus/Steckbrief.html (last accessed on 11 November 2020).
2.Morawska L, Johnson GR, Ristovski ZD, et al.: Size distribution and sites of origin of droplets expelled from the human respiratory tract during expiratory activities. Journal of Aerosol Science 2009; 40 (3): 256–69 CrossRef
3. Wei J, Li Y: Enhanced spread of expiratory droplets by turbulence in a cough jet. Building and Environment 2015; 93: 86–96 CrossRef
4.Moriyama M, Hugentobler WJ, Iwasaki A: Seasonality of Respiratory Viral Infections. Annu Rev Virol 2020; 7 (1): 83–101 CrossRef MEDLINE
5.Kriegel M, Buchholz U, Gastmeier P, Bischoff P, Abdelgawad I, Hartmann A: Predicted Infection Risk for Aerosol Transmission of SARS-CoV-2. Preprint. medRxiv 2020.10.08.20209106 CrossRef
6.Hartmann A, Lange J, Rotheudt H, Kriegel M: Emissionsrate und Partikelgröße von Bioaerosolen beim Atmen, Sprechen und Husten. Preprint. Hermann-Rietschel-Institut 2020. http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10332.
7.Mürbe D, Fleischer M, Lange J, Rotheudt H, Kriegel M: Aerosol emission is increased in professional singing. Preprint. OSF Preprints 2020; doi:10.31219/osf.io/znjeh CrossRef MEDLINE
8.Mürbe D, Kriegel M, et al.: Aerosol emission of child voices during speaking, singing and shouting. medRxiv 2020. https://doi.org/10.1101/2020.09.17.20196733 CrossRef
9.Kriegel M, Hartmann A: Ausbreitungsdistanz und -dynamik von Aerosolen in Innenräumen durch Konvektionsströme. Preprint. Hermann-Rietschel-Institut 2020. doi: org/10.14279/depositon
ce-10391.
10. Pfender F: Einfluss einer Lüftung auf die Ausbreitung von Partikeln in einem Büro. Hermann-Rietschel-Institut 2020. https://blogs.tu-berlin.de/hri_sars-cov-2/2020/05/12/einfluss-einer-lueftung-auf-die-ausbreitung-von-partikeln-in-einem-buero/ (last accessed on 11 November 2020).
11.Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, Ausschuss für Arbeitsstätten: Technische Regeln für Arbeitsstätten. ASR A3.6 Lüftung. 2012, letzte Aktualisierung 2018. https://www.baua.de/DE/Angebote/Rechtstexte-und-Technische-Regeln/Regelwerk/ASR/ASR-A3-6.html (last accessed on 11 November 2020).
12.Hartmann A, Mürbe D, Kriegel M, Lange J, Fleischer M: Risikobewertung von Probenräumen für Chöre hinsichtlich virenbeladenen Aerosolen. Preprint. Hermann-Rietschel-Institut 2020. http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-10372.

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