Fragen und Antworten: Ultrafeine Partikel

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?

Die Festlegung verbindlicher Grenzwerte für UFP ist aus mehreren Gründen anspruchsvoll. In der Forschung zu gesundheitlichen Auswirkungen von Luftschadstoffen lag der Schwerpunkt in den vergangenen Jahrzehnten vor allem auf Feinstaubpartikeln mit einer Größe von bis zu 10 Mikrometern (sogenanntes PM10) und 2,5 Mikrometern (sogenanntes PM2,5). Für diese Feinstaubfraktionen wurden früh Messverfahren entwickelt und international vereinheitlicht. Dadurch stehen für PM10 und PM2,5 heute weltweit vergleichsweise viele Messdaten und auch gesundheitsbezogene Studienergebnisse zur Verfügung. Aus diesem Grund gibt es sowohl für PM10 als auch für PM2,5 gesetzlich festgeschriebene Grenzwerte zum Schutz der menschlichen Gesundheit.

UFP sind hingegen erst seit kürzerer Zeit Gegenstand intensiver umweltmedizinischer Forschung. Hier fehlten bislang ausreichend umfangreiche und standardisierte Daten – sowohl zur Belastung der Umwelt als auch zur konkreten Exposition der Bevölkerung. Das erschwert wissenschaftliche Untersuchungen erheblich. Hinzu kommt, dass bisher nur wenige Studien die kurz- und langfristigen Auswirkungen von UFP isoliert von anderen Luftschadstoffen betrachten.

Aus diesem Grund gibt es für UFP derzeit weder einen gesundheitlich begründeten Richtwert noch gesetzlich verbindliche Grenzwerte. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat 2021 Orientierungswerte veröffentlicht, die eine grobe Einordnung ermöglichen.

In der neuen europäischen Luftqualitätsrichtlinie werden UFP als Schadstoffe benannt, die zunehmend Anlass zur Sorge geben. Um die wissenschaftlichen Erkenntnisse über ihre Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt zu verbessern, sollen daher in Europa spezielle Großmessstationen eingerichtet werden – sowohl in ländlichen Hintergrundgebieten als auch in städtischen Lagen.

Wie gelangen UFP in den menschlichen Körper?

Ultrafeine Partikel können beim Einatmen sehr tief in die Atemwege eindringen. Sie gelangen bis in die Bronchien und die Alveolen, also die Lungenbläschen, in denen der Gasaustausch zwischen Luft und Blut erfolgt. Dort können sie sich ablagern oder sogar in den Blutkreislauf übertreten und so in andere Organe transportiert werden. Es gibt Hinweise, dass UFP auch über den Riechnerv in der Nasenschleimhaut direkt in das Gehirn gelangen können, wodurch sie die Blut-Hirn-Schranke umgehen.

Was passiert mit UFP im Körper?

Die Verteilung und Wirkung von UFP im menschlichen Körper hängt von mehreren Faktoren ab. Dazu zählen unter anderem die Größe und Form der Partikel, deren chemische Zusammensetzung, die elektrische Ladung sowie mögliche molekulare Beschichtungen, etwa durch Proteine oder Lipide. UFP können Entzündungsreaktionen auslösen oder oxidativen Stress in Zellen verursachen. Beides kann zelluläre Schäden bis hin zum programmierten Zelltod zur Folge haben. 

Welche gesundheitlichen Wirkungen haben UFP?

Es gibt Hinweise auf die Begünstigung von Atemwegs- und Herz-Kreislauferkrankungen. Auswirkungen auf andere Organsysteme wie das Nervensystem oder den Stoffwechsel werden derzeit erforscht. Allerdings ist die Studienlage noch unzureichend bzw. uneinheitlich. Das liegt daran, dass Studien in ausreichender Zahl fehlen, die die unabhängigen Wirkungen von ultrafeinen Partikeln untersuchen. Standardisierte Messmethoden und umfangreiche epidemiologische Studien könnten in Zukunft die Evidenz verbessern.

Wie werden gesundheitliche Wirkungen von UFP untersucht?

Zur Untersuchung der gesundheitlichen Effekte von UFP kommen unterschiedliche wissenschaftliche Ansätze zum Einsatz. Dazu zählen toxikologische Untersuchungen an Zell- oder Tiermodellen, (epi)genetische Analysen, kontrollierte Expositionsstudien unter Laborbedingungen, klinische Studien sowie epidemiologische Beobachtungsstudien in Bevölkerungsgruppen. Während experimentelle Studien bereits viele Hinweise auf mögliche Wirkmechanismen liefern, ist deren Übertragbarkeit auf den Menschen teilweise begrenzt. Die Zahl epidemiologischer Studien nimmt zwar zu, jedoch fehlt vielen dieser Arbeiten einerseits eine hinreichende Korrektur von Störfaktoren, welche die Ergebnisse verfälschen können, und andererseits eine geeignete Abschätzung der Belastung mit UFP. Ohne diese Daten bleiben belastbare Aussagen zu den Effekten von UFP schwierig. Daher ist die Bewertung der gesundheitlichen Folgen von UFP nicht abschließend geklärt.

Wie bewertet die Weltgesundheitsorganisation (WHO) die Bedeutung von UFP?

In ihren globalen Luftqualitätsleitlinien von 2021 hat die WHO UFP als eine besonders relevante Schadstoffgruppe eingestuft. Aufgrund der aktuell noch lückenhaften Datenlage hat sie bislang jedoch keine konkreten Richtwerte veröffentlicht. Als grobe Orientierung nennt die WHO:

• TNC < 1.000 Partikel pro Kubikzentimeter = niedrige Konzentration
• TNC > 10.000 Partikel pro Kubikzentimeter = hohe Konzentration

(TNC = Total Number Concentration, die Anzahl ultrafeiner Partikel pro Kubikzentimeter Luft)

Warum ist die Bewertung der Gesundheitsgefahren durch UFP schwierig?

Die wissenschaftliche Bewertung der gesundheitlichen Risiken von UFP ist mit mehreren Herausforderungen verbunden. Ultrafeine Partikel weisen eine große Bandbreite an physikalischen und chemischen Eigenschaften auf, die sich je nach Herkunft und Entstehungsprozess stark unterscheiden können. Die messtechnische Erfassung ist aufwendig und bislang nicht flächendeckend standardisiert. Die Konzentration der UFP in der Luft ist abhängig von lokalen Quellen, meteorologischen Bedingungen und tageszeitlichen Schwankungen. Im Vergleich zu Feinstaub PM2,5 zeigen die UFP deutlich größere Schwankungen sowohl im Laufe der Zeit als auch an unterschiedlichen Orten. Daher ist die Bestimmung der Belastung gegenüber UFP mit weit größeren Schwierigkeiten und Unsicherheiten behaftet. Zudem treten UFP fast nie isoliert auf, sondern meist gemeinsam mit anderen Luftschadstoffen wie Stickoxiden oder größerem Feinstaub. Hinzu kommt, dass viele Studien potenzielle Störfaktoren nicht ausreichend berücksichtigen, was die Aussagekraft zur langfristigen Gesundheitsgefährdung einschränkt.

Literatur

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• Birmili W, Kolossa-Gehring M, Valtanen K et al. (2018b): Schadstoffe im Innenraum – aktuelle Handlungsfelder. Bundesgesundheitsblatt 61: 656–666.
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• 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.
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• 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).
• EU-Richtlinie über Luftqualität und saubere Luft für Europa: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/DE/TXT/HTML/?uri=OJ:L_202402881
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• Ludok Newsletter Dezember 2025: https://www.swisstph.ch/fileadmin/user_upload/SwissTPH/Institute/Ludok/Newsletter/NewsletterLUDOK_Dezember2025.pdf
• WHO global air quality guidelines: particulate matter (‎PM2.5 and PM10)‎, ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide: https://www.who.int/publications/i/item/9789240034228 

Stand 15.04.2026

Autorenkollektiv:
Wolfram Birmili¹, Katrin Süring¹, Kerstin Becker¹, Holger Gerwig¹, Kathrin Schwirn¹, Gunter Löschau², Dietrich Plaß¹, Myriam Tobollik^1
1Umweltbundesamt
²Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie