Diskussionsstand zur gesundheitlichen Wirkung

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Grafische Darstellung der Ergebnisse einer Messung der Partikelanzahlkonzentration
Bild: IFA

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 der Einführung eines Luftgrenzwertes für die Einatembare Staubfraktion im Jahr 2004 von 10 mg/m³ und der Absenkung des Luftgrenzwertes am Arbeitsplatz für die Alveolengängige Staubfraktion (PM4, früher "Feinstaub" genannt) auf 1,25 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 [2].

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 PM0,1 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 in Städten, insbesondere mit Blick auf PM10 und PM2,5, 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].

Schulte et al. [10] 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 [11] 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 Durchführung von Tierversuchen schwierig, da beispielsweise Effekte des Suspensionsmittels eine größere Bedeutung beim Umgang mit solch kleinen Partikeln zu haben scheinen. Die Standardisierung der Versuchsanordnungen steht erst am Anfang und wird beispielsweise durch koordinierende Aktivitäten der EU unterstützt [12, 13].

Im Rahmen der OECD untersucht die "Working party on Manufactured Nanomaterials" die Angemessenheit und Anwendbarkeit von Testverfahren für Chemikalien auf Nanomaterialien [14].

Kohlenstoffnanoröhren - Carbon nanotubes (CNT)

In der jüngeren Vergangenheit 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) [15].

Poland et al. [16] 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. [17], 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. In den Studien wurden bewusst Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt, die Asbestfasern in Form und Länge ähneln. 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 [18].

Einen Überblick über weitergehende toxikologische Erkenntnisse geben NIOSH im Current Intelligence Bulletin "Occupational Exposure to Carbon Nanotubes and Nanofibers" vom Dezember 2010 [19] und allgemeinverständlicher komprimiert ein Dossier des österreichischen Projektes nano trust vom Mai 2011 [20].

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. Deshalb konkretisiert die Europäische Kommission, wie Nanomaterialien im Rahmen von REACH zu behandeln sind und wird diesen Prozess ständig überprüfen [21].

Innerhalb der von der Bundesregierung initiierten und geförderten Forschungsaktivitäten (z. B. Netzwerk NanoCarbon [22]) werden die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt über den gesamten Lebenszyklus der CNT untersucht.

Trotz der vorherrschenden Ungewissheit über die Wirkung von Nanopartikeln bilanzieren Schulte et al. [10], 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].


Weitere Informationen

[1] Möhlmann, C.: Staubmesstechnik – damals bis heute. (PDF, 335 kB) Gefahrstoffe - Reinhalt. Luft 65 (2005) Nr. 5, S. 191-194

[2] BIA/BG-Symposium "Allgemeiner Staubgrenzwert"

[3] Mattenklott, M.; Höfert, N.: Stäube an Arbeitsplätzen und in der Umwelt - Vergleich der Begriffsbestimmungen (PDF, 145 kB). Gefahrstoffe - Reinhalt. Luft 69 (2009) Nr. 4, S. 127-129

[4] Schwartz, J. et al.: Air pollution and acute respiratory illness in five German communities. Environ. Res. 56 (1991) No. 1, pp. 1-14

[5] Dockery, D.W. et al.: An association between air pollution and mortality in six U.S. cities. N. Engl. J. Med. 24 (1993), pp. 1753-1759

[6] EU-Rahmenrichtlinie 96/62/EG Luftqualität

[7] Pope, C.A.; Dockery, D.W.: Health effects of fine particulate air pollution: lines that connect (PDF, 2,1 MB). J. Air Waste Manag. Assoc. 56 (2006), pp. 709-742

[8] Krug, N.: Mechanismen ultrafeiner Partikel. Gefahrstoffe – Reinhalt. Luft 65 (2005) S. 459-461

[9] BIA-Report 7/2003: BIA-Workshop "Ultrafeine Aerosole an Arbeitsplätzen" (PDF, 6,7 MB)

[10] Schulte, P. et al.: Sharpening the focus on occupational safety and health in nanotechnology. Scand. J. Work Environ. Health 34 (2008) No. 6, pp. 471-478

[11] Roller, M.: Untersuchungen zur krebserzeugenden Wirkung von Nanopartikeln und anderen Stäuben. BAuA, Projekt F2083

[12] NanoImpactNet

[13] QualityNano

[14] Safety of Manufactured Nanomaterials. Untersuchungen der OECD

[15] Asbest an Arbeitsplätzen

[16] Poland, C.A. et al.: Carbon nanotubes introduced into the abdominal cavity of mice show asbestos-like pathogenicity in a pilot study. Nature Nanotechnol. 3 (2008), pp. 423-428

[17] Takagi, A. et al.: Induction of mesothelioma in p53+/- mouse by intraperitoneal application of multi-wall carbon nanotube. J. Toxicol. Sci. 33 (2008) No. 1, pp. 105-116

[18] Shvedova, A.A. et al.: Inhalation vs. aspiration of single-walled carbon nanotubes in C57BL/6 mice: inflammation, fibrosis, oxidative stress, and mutagenesis. Am. J. Physiol. Lung Cell Mol. Physiol. 295 (2008), pp. L552-L565

[19] Occupational Exposure to Carbon Nanotubes and Nanofibers (PDF, 3,4 MB). NIOSH Current Intelligence Bulletin 65 (2013)

[20] Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes) – Teil II: Risiken und Regulierung (PDF, 248 KB). nano trust dossier Nr. 024, Mai 2011

[21] Chemicals - REACH and nanomaterials. Konretisierungen der EU-Kommission

[22] Netzwerk NanoCarbon

[23] NanoKommission der deutschen Bundesregierung

Kontakt:

Christian Schumacher

Fachbereich 3: Gefahrstoffe: Umgang - Schutzmaßnahmen

Tel: 02241 231-2823
Fax: 02241 231-2234