Fragen und Antworten: Ultrafeine Partikel

Ultrafeine Partikel (UFP) sind in den letzten Jahren zu einem häufig diskutierten Thema in der Luftreinhaltung geworden. Dieser Beitrag enthält die Antworten auf die häufig gestellten Fragen und gibt so einen Überblick zum aktuellen Stand des Wissens, ausgehend von der Definition der UFP, über die Möglichkeiten ihrer Messung bis zu den Erkenntnissen bezüglich ihrer gesundheitlichen Auswirkungen.

Dieser Beitrag beruht auf einer Veröffentlichung 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 gängigsten 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 Größenbereich < 1 Mikrometer, das heißt 1.000 nm beziehen. Dem Sprachgebrauch nach handelt es sich bei UFP um die vom Menschen unbeabsichtigt beziehungsweise die in der Atmosphäre natürlich erzeugten Partikel im Größenbereich < 100 nm. UFP sind demnach auch ein Teil des atmosphärischen Aerosols, welches per Definition aus dem Trägergas (Luft) und den darin befindlichen Partikeln besteht. Die Schwelle von 100 nm für UFP wird dadurch motiviert, dass sich bei kleineren Partikeln aufgrund der Annäherung an molekulare und atomare Dimensionen die physikalischen und chemischen Eigenschaften zu ändern 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 Größendefinition (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 Arbeitsplätze dar, spielen aber auch für die allgemeine Belastung des Menschen eine Rolle, zum Beispiel bei der Nutzung von Kosmetika, die Nanomaterialien enthalten können.

Gibt es verlässliche Messverfahren für UFP?

Aufgrund ihrer geringen Größe und Masse sind gravimetrische oder optische Messverfahren, welche für größere Fraktionen des Feinstaubs gängig sind, für die Messung von UFP ungeeignet. Die wichtigsten standardisierten Methoden zur Erfassung und Messung der Anzahlkonzentration von UFP in Luft sind partikelzählende Verfahren (VDI 2008) und die Größenklassifizierung anhand der elektrischen Mobilität (VDI 2012). Die Messung einer Partikelanzahlgrößenverteilung ermöglicht eine genaue Zuordnung der Partikelgrößen und die rechnerische Bestimmung einer UFP-Anzahlkonzentration über beliebige Partikelgrößenintervalle. Mobilitäts-Partikelgrößenspektrometer 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 größere Unsicherheiten auf. Ein Dauerbetrieb von Mobilitäts-Partikelgrößenspektrometern im Rahmen der Luftüberwachung erfordert regelmäßige Wartungen und Kalibrierungen unter Einsatz geschulten Personals. Inzwischen findet man zunehmend auch kostengünstige mobile Messinstrumente, welche die Partikelanzahlkonzentration auf Basis einer Ionenstrommessung abschätzen, die jedoch mit einer verminderten Genauigkeit im Vergleich zu Kondensationspartikelzählern einhergeht (Asbach et al. 2017). Jenseits der genannten Echtzeit-Messinstrumente ist es prinzipiell möglich, wenn auch mit höherem 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 gasförmigen 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 Behörden seit einigen Jahren in Deutschland Langzeitbeobachtungen von UFP durch (TROPOS 2018). Zu den gemessenen Parametern gehören die Partikelanzahlgrößenverteilung sowie die Massenkonzentration an Rußpartikeln. Insgesamt sind 17 über Deutschland verteilte Messstationen beteiligt (Birmili et al. 2015; 2016). Zwischen verkehrsnahen, städtischen und ländlichen 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 Städten (Löschau et al. 2017; Birmili et al. 2015). Dies wird als Ergebnis der generellen Erneuerung der Fahrzeugflotte sowie zusätzlicher emissionsmindernder Maßnahmen 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 Feinstäuben in den letzten Jahrzehnten ein starker Fokus auf die Erforschung der Wirkung von Feinstäuben 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 Bevölkerung gegenüber UFP nicht in ausreichender Menge und standardisierter Qualität 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 routinemäßig erhoben werden. Derzeit würde es sich daher anbieten, bei einer Überarbeitung der EU-Luftqualitätsrichtlinie zunächst eine Monitoringverpflichtung für Partikelanzahlkonzentrationen festzulegen. Durch gesetzliche Vorgaben sollte sich zum einen die Datengrundlage wesentlich verbessern, außerdem würde dies zum anderen auch Aktivitäten im Bereich der Standardisierung der Messungen vorantreiben.

Gibt es eine aktuelle Übersicht zu vorhandenen Studien?

Die Anzahl und Qualität 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 Sachverständigengutachtens für das Umweltbundesamt hat das Universitätsklinikum Düsseldorf unter der Leitung von Prof. Barbara Hoffmann eine systematische Literaturübersichtsarbeit durchgeführt (https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/health-effects-of-ultrafine-particles). In diesem Gutachten wurde der aktuelle Stand der Erkenntnisse zu den gesundheitlichen Auswirkungen von UFP erfasst und die Qualität der identifizierten Studien bewertet. Im Fokus standen dabei ausschließlich 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 Mortalität (Versterben) untersucht, in vier Studien war die Morbidität (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 veröffentlicht und damit zahlreiche Hinweise auf Zusammenhänge 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 größere Feinstaubpartikel (PM10, PM2,5) anpassen, wodurch der eigenständige Effekt der UFP über- oder unterschätzt 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 unmöglich macht. Das Sachverständigengutachten folgert auch, dass mehr umweltepidemiologische Langzeitstudien unter Einsatz moderner sowie standardisierter Messmethoden benötigt werden.

Literatur

  • AIR – Ausschuss für Innenraumrichtwerte (vormals Ad-hoc-Arbeitsgruppe) (2018): https://www.umweltbundesamt.de/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., Löschau, G., Plaß, 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: Reinräume und zugehörige 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).
  • Größ 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 Löschau2, Dietrich Plaß1, Myriam Tobollik1
1Umweltbundesamt
2Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie

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