Diskussionsstand

Luftverschmutzung durch Aerosole in der Umwelt und die gesundheitsschädigende Wirkung von Staub am Arbeitsplatz sind schon seit Jahrhunderten bekannt. Die Staubbelastung muss reguliert und überwacht werden. Einen kurzen Abriss der Historie und der Entwicklung der Staubmesstechnik gibt Möhlmann [1].

Die Staubfraktionen und ihre Grenzwerte

Mit der Absenkung des Luftgrenzwertes am Arbeitsplatz für die Alveolengängige Staubfraktion (PM₄, früher „Feinstaub“ genannt) auf 3 mg/m³ und der Einführung eines Luftgrenzwertes für die Einatembare Staubfraktion (PM₁₀₀) im Jahr 2004 von 10 mg/m³ wurde eine lange Diskussion der Gesundheitseffekte unlöslicher, biobeständiger Staubpartikel ohne stoffspezifische Toxizität im Arbeitsschutz zu einem – wie man heute feststellen muss – vorläufigen Abschluss gebracht. Einen Überblick über die Bedeutung des Allgemeinen Staubgrenzwertes geben die Vortragstexte und Folien des BIA/BG-Symposiums „Allgemeiner Staubgrenzwert“ [2] aus dem Jahre 2002 in Hennef. Ultrafeine Partikel wurden damals bei der Grenzwertsetzung ausdrücklich aus dem Anwendungsbereich ausgeschlossen.

Parallel zum Arbeitsschutz wurde auch im Umweltbereich die Diskussion über eine mögliche gesundheitsschädigende Wirkung feiner oder ultrafeiner Teilchen in der Luft seit den 1990er-Jahren mit zunehmender Intensität unter dem missverständlichen Stichwort „Feinstaubdebatte“ geführt. Leider ist der Begriff „Feinstaub“ im Umweltbereich und im Arbeitsschutz mit unterschiedlichen messtechnischen Definitionen hinterlegt (PM₁₀ versus PM₄) [3]. Ultrafeine Teilchen könnten entsprechend als PM_0,1 bezeichnet werden. In der öffentlichen Diskussion werden häufig Wirkungen unterschiedlicher Partikel-Größenklassen einem nicht scharf definierten „Feinstaub“ zugeschrieben, obwohl die Teilchen messtechnisch verschiedenen Fraktionen angehören.

Ergebnisse epidemiologischer Studien

Zu Beginn der 1990er-Jahre berichteten Schwartz et al. [4] und Dockery et al. [5] über den Zusammenhang zwischen der Luftverschmutzung, insbesondere mit Blick auf PM₁₀ und PM_2,5, in Städten und dem Krankheitsgeschehen bzw. der Sterblichkeit in diesen Städten.

In den darauf folgenden Jahren wurden ähnliche epidemiologische Studien publiziert, sodass der Gesetzgeber die Anforderungen an die Luftqualität im Umweltbereich verschärft hat [6]. Einen kritischen Überblick über die Entwicklung in den beiden letzten Jahrzehnten geben Pope und Dockery [7].

Ergebnisse toxikologischer Untersuchungen

Die epidemiologischen Studien mussten jedoch durch toxikologische Arbeiten ergänzt werden, die erklären, wie und unter Beteiligung welcher Reaktionsketten und Mechanismen im Körper verschiedene ultrafeine Partikel oder Nanopartikel eine Wirkung auf die Gesundheit ausüben und welche Schäden entstehen können. Eine kurze Zusammenfassung über die Mechanismen der Wirkung ultrafeiner Partikel gibt Krug [8]; einen breiteren Einblick in die Diskussion liefert der Bericht zum Experten-Workshop des BIA aus dem Jahr 2002 [9].

Die Schwierigkeit, aus Versuchen klare Aussagen über die toxikologischen Eigenschaften von Nanopartikeln abzuleiten, wird deutlich an der Frage einer möglichen Translokation, d.h. eines Transports vom Organ der Aufnahme an andere Organe im Körper. Während in der Medizin gezielt geforscht wird, um Medikamente mittels Nanopartikeln an einen bestimmten Ort im Körper zu bringen („drug delivery“), wäre ein unbeabsichtigter Transport im Körper als ein vorbereitender Schritt für eine mögliche schädliche Wirkung zu betrachten.

Oberdörster et al. zeigten, dass ultrafeiner Kohlenstoff nicht in den Atemwegen verbleibt, sondern von dort aus in andere Körperorgane gelangen kann - beispielsweise in die Leber und möglicherweise auch in das Gehirn [10; 11]. Demgegenüber fanden Möller et al. [12], dass radioaktiv markierte ultrafeine Kohlenstoffpartikel größtenteils in der menschlichen Lunge zurückgehalten werden.

Schulte et al. [13] benennen eine Reihe von Parametern, die die mögliche Toxizität von Nanopartikeln beeinflussen:

• Größe
• Oberfläche
• Form
• Löslichkeit
• Oberflächenreaktivität
• Ladung
• Anhängende funktionalisierte Gruppen oder Beschichtungen
• Kristallstruktur
• Status der Agglomeration
• Kontamination, beispielsweise durch einen Restgehalt an Katalysator, der bei der Herstellung der Nanopartikel eingesetzt wird.

Roller [14] schlägt im Zusammenhang mit der Entstehung von Lungentumoren im Tierexperiment das Staubvolumen in Verbindung mit dem Partikeldurchmesser als Dosismaßstab vor. Leider wurden nur in wenigen toxikologischen Studien die eingesetzten Stäube vollständig hinsichtlich der oben genannten Parameter charakterisiert.

Darüber hinaus gestaltet sich die Durchfürung von Tierversuchen schwierig, da beispielsweise Effekte des Suspensionsmittels eine größere Bedeutung beim Umgang mit solch kleinen Partikeln zu haben scheinen. Die Standardisierung der Versuchsprotokolle steht erst am Anfang und wird beispielsweise durch koordinierende Aktivitäten der EU unterstützt [15].

Kohlenstoffnanoröhren - Carbon nanotubes (CNT)

In der jüngeren Vegangenheit gewinnt die Diskussion an Schärfe, ob eine dem Asbest vergleichbare Wirkung durch Kohlenstoffnanoröhren (Englisch: carbon nanotubes, CNT) hevorgerufen werden kann, die biobeständig sind und in ihren Abmessungen der Definition von WHO-Fasern entsprechen (Länge > 5 µm, Durchmesser < 3 µm und  Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von > 3:1) [16].

Poland et al. [17] untersuchten die Wirkung von CNT, die teilweise für diesen Zweck eigens hergestellt worden waren, in der Bauchhöhle von Mäusen. In die gleiche Richtung zielten Versuche von Takagi et al. [18], die einen besonders empfindlichen Mäusestamm verwendeten. Beide Arbeiten geben Anlass zu der Besorgnis, dass ultrafeine Fasern, die ausreichend lang und biobeständig sind, möglicherweise Krebs erzeugen. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse von Shvedova et al. darauf hin, dass auch Kohlenstoffnanoröhren, die nicht der WHO-Faser-Definition entsprechen, sondern in agglomerierter Form vorliegen, eine gesundheitsschädliche Wirkung haben könnten [19].

Aktuelle Beurteilungen von Nanopartikeln

Relevant für den Verbraucher ist jedoch nicht die Frage, ob eigens für Versuchszwecke produzierte Materialien im Labor gesundheitsschädliche Wirkungen aufweisen. Entscheidend ist eine hinreichende Sicherheit, dass von den konkret am Markt erhältlichen Produkten keine gesundheitsschädliche Wirkung ausgeht. Innerhalb der von der Bundesregierung initiierten und geförderten „Innovationsallianz Carbon Nanotube“ [20] werden auch Forschungsaktivitäten gefördert („CarboSafe“), die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt über den gesamten Lebenszyklus der CNT untersuchen.

Die BASF S.A. hat 2008 entsprechend den Bestimmungen (§ 8e des Toxic Substances Control Act) der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde (EPA) Informationen über eine subchronische Inhalations-Studie an Wistar-Ratten mit Kohlenstoffnanoröhren übermittelt [21]. Die BASF S.A. führt aus, dass unter den beschriebenen Studienbedingungen der NOEL kleiner als 0,1 mg/m³ sein muss.

NIOSH hat am 8. April 2009 in einer Bekanntmachung dazu aufgefordert, Informationen zur Wirkung von CNT, deren Vorkommen am Arbeitsplatz und über angewandte Kontrollmaßnahmen an NIOSH zu berichten [22].

Trotz der vorherrschenden Ungewissheit über die Wirkung von Nanopartikeln bilanzieren Schulte et al. [13], dass es ausreichend vorläufige Information gibt, um Nanopartikel so zu behandeln „als ob“ sie Gefahrstoffe seien. Zu einem ähnlichen Schluss kommt auch die NanoKommission der deutschen Bundesregierung. So formuliert die Arbeitsgruppe 3 der NanoKommission in ihren „Prinzipien für einen verantwortungsvollen Umgang mit Nanomaterialien“ unter dem Prinzip 4 „Risikomanagement etablieren“:

„Bis zum Vorliegen wissenschaftlich basierter Erkenntnisse kann ein mögliches Gefährdungspotential eines bestimmten Nanomaterials nicht ausgeschlossen werden. In diesen Fällen ist das Vorsorgeprinzip (gemäß der EU-Mitteilung vom Februar 2000) anzuwenden“ [23].