Wer über Jahre hinweg belastete Luft atmet, hat ein höheres Risiko für eine Vielzahl an Erkrankungen. Im Verdacht stehen dabei hochreaktive Komponenten im Feinstaub, die Prozesse im Körper verändern. Forschende der Universität Basel zeigen jetzt aber: Genau diese Komponenten verflüchtigen sich binnen Stunden, sodass bisherige Messungen ihre Menge völlig unterschätzten.
Chronische Atemwegsprobleme, Herz-Kreislauferkrankungen bis hin zu Diabetes und Demenz: Die gesundheitlichen Schäden durch Feinstaubbelastung sind vielfältig und schwerwiegend. Die Weltgesundheitsorganisation schätzt, dass jährlich über sechs Millionen Todesfälle von erhöhter Feinstaubexposition verursacht werden. Noch vielfältiger ist die chemische Zusammensetzung dieser winzigen Partikel in der Luft, die aus menschengemachten und natürlichen Quellen stammen. Welche Partikel im Körper welche Reaktionen und langfristig Erkrankungen auslösen, ist Gegenstand intensiver Forschung.
Im Fokus stehen besonders reaktionsfreudige Komponenten, in Fachkreisen Sauerstoffradikale oder «Reactive Oxygen Species» genannt. Diese können in den Atemwegen mit Biomolekülen auf und in Zellen reagieren – Fachleute sprechen von «oxidieren» – und sie dadurch schädigen, was wiederum Entzündungsreaktionen auslösen und Auswirkungen auf den ganzen Körper haben kann.
Bisher sammelten Fachleute den Feinstaub auf Filtern und analysierten die Partikel mit einer Verzögerung von Tagen bis Wochen. «Weil diese Sauerstoffradikale so schnell mit anderen Molekülen reagieren, müsste man sie aber ohne Verzögerung messen», erklärt der Atmosphärenwissenschaftler Prof. Dr. Markus Kalberer den Gedanken hinter der Studie, die er und seine Forschungsgruppe in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht haben.
In Echtzeit aus der Luft gemessen
Das Team vom Departement Umweltwissenschaften hat eine neue Methode entwickelt, um Feinstaub in Sekundenschnelle zu messen. Die Partikel werden dabei direkt aus der Luft in einer Flüssigkeit gesammelt. Dort kommen sie mit verschiedenen Chemikalien in Kontakt. Die Sauerstoffradikale reagieren in dieser Lösung und erzeugen quantifizierbare Fluoreszenzsignale.
Die Messungen mit der neuen Methode zeigen: 60 bis 99 Prozent der Sauerstoffradikale verschwinden binnen Minuten oder Stunden. Die bisherigen Analysen von Feinstaub über die Filterablagerung hat somit ein verzerrtes Bild geliefert. «Weil der Messfehler bei der verzögerten Analyse aber nicht konstant ist, lässt er sich nicht so einfach herausrechnen», so Kalberer. Der echte Anteil schädlicher Substanzen im Feinstaub liege deutlich höher als bisher angenommen.
Die Herausforderung bei der neuen Methode bestand laut dem Atmosphärenforscher vor allem darin, ein Messgerät zu entwickeln, dass autonom und kontinuierlich chemische Analysen unter stabilen Bedingungen nicht nur im Labor, sondern auch während Feldmessungen an unterschiedlichsten Standorten durchführt.
Andere und stärkere Entzündungsreaktionen
Weitere Untersuchungen mit Lungenepithelzellen im Labor lieferten ausserdem Hinweise, dass insbesondere die kurzlebigen hochreaktiven Bestandteile des Feinstaubs anders wirken als die Partikel, die mit den bisherigen verzögerten Messungen analysiert wurden. Die kurzlebigen Feinstaubpartikel lösten andere und stärkere Entzündungsreaktionen aus.
Feinstaub
PM (Particulate Matter) steht für «Feinstaub». PM10 sind Partikel mit einer Grösse von 10 Mikrometern und darunter. PM2,5 sind Partikel mit einer Grösse von 2,5 Mikrometern und darunter. Als Ultrafeinstaub werden ultrafeine Partikel – oder: PM0,1 – mit einem Durchmesser von 0,1 Mikrometern oder kleiner bezeichnet. Gasförmige Schadstoffe wie Ozon und NO2 sind kein Feinstaub.
Die Hauptverursacher von Feinstaub sind der Verkehr (Brems- und Reifenabrieb, Aufwirbelung von Staub von der Strassenoberfläche und Abgase), Industrieprozesse, Landwirtschaft und Kleinfeuerungsanlagen wie Holzfeuerungen und Cheminées.
Beispiel: Berechnungen des Jahres 2015 ergaben, dass der motorisierte Strassenverkehr in der Stadt Zürich rund ein Drittel der PM10-Emissionen verursacht. Fahrzeuge mit höherem Gewicht und grösseren Reifen verursachen mehr Feinstaub durch Abrieb als kleinere Fahrzeuge.
ChemieXtra
In einem nächsten Schritt soll das Messgerät weiterentwickelt werden, um tiefere Einblicke in die Zusammensetzung und Auswirkungen von Feinstaub zu gewinnen. «Wenn wir den Anteil hochreaktiver, schädlicher Komponenten genauer und zuverlässig messen, lassen sich auch besser Schutzmassnahmen ergreifen», erklärt Kalberer.
Angelika Jacobs, Universität Basel
