Fragen und Antworten: Ultrafeine Partikel

Ultrafeine Partikel (UFP) sind in den letzten Jahren zu einem h?ufig diskutierten Thema in der Luftreinhaltung geworden. Dieser Beitrag enth?lt die Antworten auf die h?ufig gestellten Fragen und gibt so einen überblick zum aktuellen Stand des Wissens, ausgehend von der Definition der UFP, über die M?glichkeiten ihrer Messung bis zu den Erkenntnissen bezüglich ihrer gesundheitlichen Auswirkungen.

Dieser Beitrag beruht auf einer Ver?ffentlichung in der Zeitschrift UMID (Umwelt und Mensch – Informationsdienst) (Birmili et al. 2018a), wird jedoch kontinuierlich dem wachsenden Wissensstand angepasst.

Was sind Ultrafeine Partikel (UFP)?

Als ultrafeine Partikel (UFP) beziehungsweise Ultrafeinstaub werden nach den g?ngigsten Definitionen luftgetragene Partikel mit einem Durchmesser zwischen 1 und 100 Nanometer (nm) bezeichnet (DIN 2006; ISO 2007; VDI 2009; EPA 2004). UFP stellen die ultrafeine Teilfraktion der feinen Partikel dar, wobei sich letztere meist auf den Gr??enbereich < 1 Mikrometer, das hei?t 1.000 nm beziehen. Dem Sprachgebrauch nach handelt es sich bei UFP um die vom Menschen unbeabsichtigt beziehungsweise die in der ⁠Atmosph?re⁠ natürlich erzeugten Partikel im Gr??enbereich < 100 nm. UFP sind demnach auch ein Teil des atmosph?rischen Aerosols, welches per Definition aus dem Tr?gergas (Luft) und den darin befindlichen Partikeln besteht. Die Schwelle von 100 nm für UFP wird dadurch motiviert, dass sich bei kleineren Partikeln aufgrund der Ann?herung an molekulare und atomare Dimensionen die physikalischen und chemischen Eigenschaften zu ?ndern beginnen. Eine eindeutige wissenschaftliche Begründung für die Festlegung der Schwelle von 100 nm gibt es bislang jedoch nicht (EU 2011).

Gibt es einen Unterschied zwischen UFP und ?Nanopartikeln“?

Neben UFP gibt es auch den Begriff Nanomaterial, umgangssprachlich auch ?Nanopartikel“, der sich auf dieselbe Gr??endefinition (1–100 nm) wie für die UFP bezieht (ISO 2015; EU 2011). Im Gegensatz zu UFP bezeichnen Nanomaterialien meist die künstlich hergestellten Partikel mit besonderen Materialeigenschaften. Nanomaterialien stellen einen potenziellen Gefahrstoff im Umfeld industrieller Arbeitspl?tze dar, spielen aber auch für die allgemeine Belastung des Menschen eine Rolle, zum Beispiel bei der Nutzung von Kosmetika, die Nanomaterialien enthalten k?nnen.

Gibt es verl?ssliche Messverfahren für UFP?

Aufgrund ihrer geringen Gr??e und Masse sind gravimetrische oder optische Messverfahren, welche für gr??ere Fraktionen des Feinstaubs g?ngig sind, für die Messung von UFP ungeeignet. Die wichtigsten standardisierten Methoden zur Erfassung und Messung der Anzahlkonzentration von UFP in Luft sind partikelz?hlende Verfahren (VDI 2008) und die Gr??enklassifizierung anhand der elektrischen Mobilit?t (VDI 2012). Die Messung einer Partikelanzahlgr??enverteilung erm?glicht eine genaue Zuordnung der Partikelgr??en und die rechnerische Bestimmung einer UFP-Anzahlkonzentration über beliebige Partikelgr??enintervalle. Mobilit?ts-Partikelgr??enspektrometer weisen eine Messunsicherheit bis zu etwa 10 Prozent im Bereich der Partikelanzahlkonzentration und bis auf wenige Prozent im Bereich des bestimmten Partikeldurchmessers auf (Wiedensohler et al. 2017). Unterhalb 10 nm treten beim jetzigen Stand der Technik gr??ere Unsicherheiten auf. Ein Dauerbetrieb von Mobilit?ts-Partikelgr??enspektrometern im Rahmen der Luftüberwachung erfordert regelm??ige Wartungen und Kalibrierungen unter Einsatz geschulten Personals. Inzwischen findet man zunehmend auch kostengünstige mobile Messinstrumente, welche die Partikelanzahlkonzentration auf Basis einer Ionenstrommessung absch?tzen, die jedoch mit einer verminderten Genauigkeit im Vergleich zu Kondensationspartikelz?hlern einhergeht (Asbach et al. 2017). Jenseits der genannten Echtzeit-Messinstrumente ist es prinzipiell m?glich, wenn auch mit h?herem technischem Aufwand verbunden, UFP chemisch zu untersuchen beziehungsweise elektronenmikroskopische Abbildungen anzufertigen.

Was wissen wir zum Vorkommen von UFP in der Umwelt?

Generell liegen zu UFP weitaus weniger Messdaten aus der Umwelt vor als beispielsweise für die gesetzlich regulierten gasf?rmigen Schadstoffe und Feinstaubfraktionen ⁠PM10⁠ und ⁠PM2,5⁠ (Kumar et al. 2014). Im Rahmen des deutschen Messnetzes für ultrafeine Aerosolpartikel (GUAN - German Ultrafine Aerosol Network) führen mehrere wissenschaftliche Institutionen und Beh?rden seit einigen Jahren in Deutschland Langzeitbeobachtungen von UFP durch (TROPOS 2018). Zu den gemessenen Parametern geh?ren die Partikelanzahlgr??enverteilung sowie die Massenkonzentration an Ru?partikeln. Insgesamt sind 17 über Deutschland verteilte Messstationen beteiligt (Birmili et al. 2015; 2016). Zwischen verkehrsnahen, st?dtischen und l?ndlichen Messstationen gibt es eine deutliche und konsistente Abnahme bezüglich der Anzahlkonzentration der UFP (siehe Abbildung 1). Der Langzeitmittelwert der UFP-Anzahlkonzentration reicht von Hintergrundwerten um 1.000 Partikel pro Kubikzentimeter (cm3) an Bergstationen bis in den Bereich von 10.000 Partikeln pro cm3 an verkehrsnahen Messstellen.

Trendanalysen der letzten Jahre zeigen eine Abnahme der Anzahlkonzentration der UFP in deutschen St?dten (L?schau et al. 2017; Birmili et al. 2015). Dies wird als Ergebnis der generellen Erneuerung der Fahrzeugflotte sowie zus?tzlicher emissionsmindernder Ma?nahmen wie zum Beispiel den vermehrten Einsatz von Dieselpartikelfiltern gedeutet.

Warum ist das Ableiten von Grenzwerten für UFP so schwierig?

Bei der Betrachtung von negativen gesundheitlichen Wirkungen auf den Menschen wurde bei Feinst?uben in den letzten Jahrzehnten ein starker Fokus auf die Erforschung der Wirkung von Feinst?uben der Fraktionen 10 μm und 2,5 μm gelegt. Die Entwicklung und Standardisierung der Messverfahren führte weltweit zu einer verbesserten Verfügbarkeit von Messstationen. UFP befinden sich im Vergleich dazu noch nicht so lange im Fokus der umweltepidemiologischen Forschung zur Gesundheit. Deshalb sind sowohl die Daten zur ⁠Immission⁠ als auch zur ⁠Exposition⁠ der Bev?lkerung gegenüber UFP nicht in ausreichender Menge und standardisierter Qualit?t vorhanden. Dies führt dazu, dass die für umweltepidemiologische Studien notwendigen Informationen zur Belastung gegenüber Ultrafeinstaub nur begrenzt vorliegen. Dies wiederum erschwert die Ableitung von Grenzwerten.
Umgekehrt führen fehlende Grenzwerte dazu, dass nur wenige Expositionsdaten routinem??ig erhoben werden. Derzeit würde es sich daher anbieten, bei einer überarbeitung der EU-Luftqualit?tsrichtlinie zun?chst eine Monitoringverpflichtung für Partikelanzahlkonzentrationen festzulegen. Durch gesetzliche Vorgaben sollte sich zum einen die Datengrundlage wesentlich verbessern, au?erdem würde dies zum anderen auch Aktivit?ten im Bereich der Standardisierung der Messungen vorantreiben.

Gibt es eine aktuelle übersicht zu vorhandenen Studien?

Die Anzahl und Qualit?t umweltepidemiologischer Untersuchungen zu den gesundheitlichen Effekten der UFP nimmt in den letzten Jahren stetig zu. Einige übersichtsarbeiten haben den Wissensstand der letzten Jahre zusammengefasst (Rückerl 2011; Salomon 2012; HEI 2013).
Im Rahmen eines Sachverst?ndigengutachtens für das Umweltbundesamt hat das Universit?tsklinikum Düsseldorf unter der Leitung von Prof. Barbara Hoffmann eine systematische Literaturübersichtsarbeit durchgeführt (http://www.matthieusonnet.com/publikationen/health-effects-of-ultrafine-particles). In diesem Gutachten wurde der aktuelle Stand der Erkenntnisse zu den gesundheitlichen Auswirkungen von UFP erfasst und die Qualit?t der identifizierten Studien bewertet. Im Fokus standen dabei ausschlie?lich epidemiologische Beobachtungsstudien. Toxikologische Untersuchungen wurden nicht berücksichtigt.
Durch die systematische Literaturrecherche wurden 85 relevante Studien ermittelt, von denen 75 Kurzzeiteffekte und 10 Langzeiteffekte betrachteten. Als problematisch stellte sich jedoch heraus, dass nur in einer der Langzeitstudien in den verwendeten Modellen für die Effekte andere Schadstoffe adjustiert wurden. In einer der Langzeitstudien wurden Effekte auf die Mortalit?t (Versterben) untersucht, in vier Studien war die Morbidit?t (Leiden an einer Erkrankung) der betrachtete Endpunkt und die restlichen fünf Studien fokussierten subklinische Endpunkte.

Das Gutachten schlussfolgert, dass trotz der Tatsache, dass seit der letzten übersichtsarbeit des Health Effects Institutes viele Studien ver?ffentlicht und damit zahlreiche Hinweise auf Zusammenh?nge zwischen einer UFP-Exposition und gesundheitlichen Effekten geliefert worden sind, die Studienlage immer noch keine konsistente Aussage über gesundheitlichen Effekte von UFP erlaubt. Zudem gibt es derzeit nicht ausreichend Studien, welche die für die Berechnung notwendigen Modelle für weitere Luftschadstoffe wie Stickstoffdioxid (NO2) oder gr??ere Feinstaubpartikel (PM10, PM2,5) anpassen, wodurch der eigenst?ndige Effekt der UFP über- oder untersch?tzt werden kann. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass immer noch nicht-standardisierte Messtechnik zur Bestimmung der UFP-Exposition eingesetzt wird, was eine direkte Vergleichbarkeit der Studien unm?glich macht. Das Sachverst?ndigengutachten folgert auch, dass mehr umweltepidemiologische Langzeitstudien unter Einsatz moderner sowie standardisierter Messmethoden ben?tigt werden.

Literatur

  • AIR – Ausschuss für Innenraumrichtwerte (vormals Ad-hoc-Arbeitsgruppe) (2018): http://www.matthieusonnet.com/themen/gesundheit/kommissionen-arbeitsgruppen/ausschuss-fuer-innenraumrichtwerte-vormals-ad-hoc (Zugriff am: 01.09.2018).
  • Asbach C, Alexander C, Clavaguera S et al. (2017): Review of measurement techniques and methods for assessing personal exposure to airborne nanomaterials in workplaces. Science of the Total Environment 603/604: 793–806.
  • Baldauf RW, Devlin RB, Gehr P et al. (2016): Ultrafine particle metrics and research considerations: review of the 2015 UFP Workshop. International Journal of Environmental Research and Public Health 13: 1054.
  • Birmili W, Kolossa-Gehring M, Valtanen K et al. (2018b): Schadstoffe im Innenraum – aktuelle Handlungsfelder. Bundesgesundheitsblatt 61: 656–666.
  • Birmili W, Weinhold K, Rasch F et al. (2016): Long-term observations of tropospheric particle number size distributions and equivalent black carbon mass concentrations in the German Ultrafine Aerosol Network (GUAN). Earth System Science Data 8: 355–382.
  • Birmili W, Sun J, Weinhold K et al. (2015): Atmospheric aerosol measurements in the German Ultrafine Aerosol Network (GUAN) - Part III: Black Carbon mass and particle number concentrations 2009–2014. Gefahrstoffe Reinhaltung Luft 75(11/12): 479–488.
  • Birmili, W., Süring, K., Becker, K., Gerwig, H., Schwirn, K., L?schau, G., Pla?, D., Tobollik, M. (2018a) Ultrafeine Partikel in der Umgebungsluft. – aktueller Wissensstand. UMID (Umwelt und Mensch – Informationsdienst), erscheint im Herbst 2018.
  • Burtscher H (2005): Physical characterization of particulate emissions from diesel engines: a review. Journal of Aerosol Science 36(7): 896–932.
  • DIN (2006): DIN EN ISO 14644-3: Reinr?ume und zugeh?rige Reinraumbereiche, Teil 3.
  • EU – European Commission (2011): Recommendation on the definition of a nanomaterial (2011/696/EU). http://ec.europa.eu/environment/chemicals/nanotech/faq/definition_en.htm (Zugriff am: 01.09.2018).
  • Gr?? J, Hamed A, Sonntag A et al. (2018): Atmospheric new particle formation at the research station Melpitz, Germany: connection with gaseous precursors and meteorological parameters. Atmospheric Chemistry Physics 18: 1835–1861.
  • Habre R, Zhou H, Eckel SP et al. (2018): Short-term effects of airport-associated ultrafine particle exposure on lung function and inflammation in adults with asthma. Environment International 118: 48–59.
  • HEI – Health Effects Institute (2013): Understanding the health effects of ambient ultrafine particles. HEI Perspectives 3, Health Effects Institute, Boston, Massachusetts, USA.

Stand 15.11.2018

Autorenkollektiv:
Wolfram Birmili1, Katrin Süring1, Kerstin Becker1, Holger Gerwig1, Kathrin Schwirn1, Gunter L?schau2, Dietrich Pla?1, Myriam Tobollik1
1Umweltbundesamt
2S?chsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

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