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Wie entsteht Feinstaub bzw. Ultrafeinstaub eigentlich?
Feinstaub, insbesondere Ultrafeinstaub, kommt in der Natur nicht vor. Feinstaub entsteht durch Reibung, Verbrennungsprozesse und chemische Reaktionen, wenn Stickstoffdioxid zu sekundärem Feinstaub reagiert. Es kann also sein, dass der Feinstaubwert einer Abgasmessung unauffällig ist, aber zeitversetzt sekundärer Feinstaub entsteht.
Durch immer bessere Verbrennungsprozesse kommt es tendenziell dazu, dass kleinerer Feinstaub bzw. Ultrafeinstaub zugunsten einer Reduktion des Grobfeinstaubs erzeugt wird.
„So verursachen Hochdruckdirekteinspritzer deutlich mehr Feinstaub (Ultrafeinstaub) als konventionelle Motoren es getan haben, da der Treibstoff schon vor der Verbrennung in hochfeine Partikel zerlegt wird. So wird eine Basis für die Emission von Ultrafeinstäuben gelegt“, sagt Frank Hoferecht, Experte für Feinstaub von der ETE EmTechEngineering GmbH – der ersten Ausgründung aus dem DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH.
Nicht zu vernachlässigen sind die Feinstäube, die durch Reifen- und Bremsabrieb während der Nutzung von Fahrzeugen entstehen. „Dies ist auch der Fall bei modernen Elektrofahrzeugen“, ergänzt Frank Hoferecht.
Feinstaub, Ultrafeinstaub, Nanopartikel: Welche Unterschiede gibt es?
Feinstaub ist nicht gleich Feinstaub. Es gilt, hier genau hinzuschauen. Die Menge an Feinstaub wird üblicherweise in µg/m³ (Mikrogramm pro Kubikmeter) gemessen. Das unterschlägt, dass Partikel mit einer Größe von 10 µm (PM10) – auch als Grobfeinstaub bezeichnet – und PM1 ein Volumenverhältnis von ca. 1: 1.000 aufweisen. Ein Partikel PM10 wiegt entsprechend bei gleicher Dichte ca. 1.000 mal mehr als ein Partikel PM1. Bei PM0,1 (Ultrafeinstaub) ist der Faktor sogar 1: 1.000.000 im Vergleich zu PM10. Auf ein Partikel PM10 kommen also eine Million Partikel PM0,1 (Ultrafeinstaub) bei gleicher Menge µg/m³.
Daraus ergibt sich eine potenzielle Fehlinterpretation: Üblicherweise enthält der Messwert zu Feinstaub PM10 auch alle kleineren Partikel (also auch PM2,5, PM1 und sogar Ultrafeinstaub). In der Praxis gibt es da jedoch mehrere Probleme:
Über 95 Prozent der Lungenoberfläche besteht aus dünnem Alveolargewebe. Das zarte Gewebe der Lungenbläschen ermöglicht den effizienten Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut. Außerdem stellt es eine lediglich 1 Mikrometer dünne Gewebeschranke dar, die größere Partikel am Eindringen hindert. Kleinere Partikel, wie etwa die weniger als 20 Nanometer großen Nanopartikel, gelangen trotzdem hindurch und können sich im Organismus sehr viel besser verteilen als größere Mikropartikel. Je kleiner die Partikel sind, desto reaktionsfreudiger sind sie. Das liegt am Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Über den Blutkreislauf erreichen die Partikel alle Organe wie Lymphknoten, Milz, Knochenmark, Plazenta, Leber, Niere, Herz oder sogar das Gehirn. Atmen wir Ultrafeinstaub und Nanopartikel ein, dringen diese tief in den Körper vor und können hier gesundheitliche Auswirkungen hervorrufen.
Während sich bioabbaubare Materialien durch die Vermischung mit Körperflüssigkeiten verdünnen und mit der Zeit auflösen, setzen sich biobeständige Materialien in Geweben und Zellen fest. Gefährlich wird dies, wenn solche biobeständigen Nanopartikel Übergangsmetalle und/oder deren Oxide, zum Beispiel Zink, Cadmium, Kupfer oder Silber enthalten. Diese Metallionen werden im Organismus freigesetzt und können unter Umständen eine toxische (giftige) Wirkung entfalten. Neben der Größe und der Zusammensetzung ist auch die Form der Nanopartikel entscheidend bei ihrer Wirkung. So zeichnen sich faserartige Partikel durch aerodynamische Eigenschaften aus, die noch tiefer in die Lunge eindringen und sich dort effektiver ablagern können als kugelförmige Partikel mit derselben Masse. Faserartige Nanopartikel treten beispielsweise bei Asbest oder bei Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf.
Durch die sogenannte Endozytose, einen zellulären Transportprozess, überwinden metallhaltige Nanopartikel die Zellmembran und erhalten somit Zugang zu jeder Körperzelle. Bei einem pH-Wert von 4 bis 5 sind selbst schwerlösliche Metalloxide gut löslich. Lösen sich die Stoffe innerhalb der Zelle, entstehen Metallkonzentrationen, die die Zelle kaum abwehren kann. Die Zelle reagiert mit Stress- und Entzündungsreaktionen, auch der Zelltod kann eine mögliche Folge sein.
Mögliche Auswirkungen & drohende Gesundheitsrisiken durch Nanopartikel
Nanopartikel werden von den natürlichen Reinigungszellen des Immunsystems, den Makrophagen, häufig nicht erkannt. Dadurch gelingt es den ultrafeinen Teilchen, Membranen und Schleimhäute zu durchdringen. So können sie sich auf dem Lungengewebe ansammeln oder gelangen über die Lunge ins Blut. Der deponierte Nanostaub kann sowohl akute Wirkungen wie Herzrhythmusstörungen auslösen als auch Langzeitwirkungen auf die Lunge haben.
Abhängig von der Größe dringen Partikel unterschiedlich weit in den Körper.
Mögliche gesundheitliche Auswirkungen durch Nanopartikel:
Wie wird Feinstaub abgeschieden?
Feinstaub hat die Tendenz zu agglomerieren, das heißt, sich anzuhäufen. Die Ursachen dafür sind die Van-der-Waals-Wechselwirkungen, die dafür sorgen, dass sich Partikel auf molekularer Ebene anziehen. Deshalb haben Feinstaubpartikel die Tendenz, sich miteinander zu verbinden. Ultrafeinstäube und Feinstäube lagern sich leicht an stofflich ähnlichem Staub an. Die so über die Zeit entstehenden Anhäufungen (Agglomerate) sind irgendwann so schwer, dass sie zu Boden fallen. Durch hohe Luftfeuchte oder Regen kann dieser Effekt noch beschleunigt werden.
Werden nun große Partikel (Staub und Grobstaub) aus der Luft entfernt, bleiben Feinstaub- und Ultrafeinstaubpartikel zurück. Diese treffen aufgrund ihrer Größe sowie der geringeren Van-der-Waals-Kräfte dieser Teilchen sehr viel seltener aufeinander und haften damit auch seltener aneinander. Staub und Grobstaub sind im Laufe der Jahre durch immer besser werdende Filtertechnik in den Abgassystemen von Fahrzeugen aus der Luft gefiltert worden. Übrig bleiben die feinen und ultrafeinen Stäube, deren Auftreten durch Filtertechnik nicht gemindert werden kann.
„Laut neuesten Studien bleiben kleinere Feinstaubpartikel und Ultrafeinstaub sehr lange, teilweise unbegrenzt lange, in der Luft, da sie nicht zu Boden fallen“, argumentiert Hoferecht von der ETE EmTechEngineering GmbH. Es geht somit eine Gefahr von sehr kleinen Feinstaubpartikeln aus, die bisher unterschätzt wird.
Neueste Studien belegen, dass besonders kleine Feinstaubpartikel viel schädlicher sind als große Feinstaubpartikel, da diese über die Alveolen in den Blutkreislauf und auch in die menschlichen Zellen vordringen. Dort können Sie Entzündungsreaktionen hervorrufen, die zu Krebs führen können. Die Krankheitshäufigkeit und die Sterblichkeit, insbesondere in großen Städten und Ballungsräumen, nimmt dramatisch zu.
Nanopartikel & Schadstoffe aus Laserdrucker sowie Kopierer
Nanopartikel wie Ultrafeinstaub werden nicht nur durch Verkehrsabgase an die Luft abgegeben. Eine weitere Quelle der Luftschadstoffe sind technische Geräte wie Laserdrucker und Kopierer. Schätzungsweise geben weltweit über eine Milliarde Laserdrucker und Kopierer ungefiltert einen Mix aus Feinstäuben, Nanopartikeln und Schadstoffen ab und belasten somit die Atemluft von Mensch und Tier. In den Emissionen sind metallische sowie Kohlenstoff-Nanopartikel aus den Tonern enthalten, die mit jedem Atemzug in den Körper gelangen. In der Lunge, im Blut sowie in allen erreichten Organen sowie Zellen können sich die Nanopartikel ablagern und zellschädigenden oxidativen Stress, Entzündungen oder gar gentoxische Effekte auslösen.
Laserdrucker stoßen Ultrafeinstaub aus, der die Luftqualität negativ beeinflusst.Typische Symptome einer Nanopartikel-Belastung durch Laserdrucker
Haben Sie häufig mit Laserdruckern, Fax-/Kopiergeräten oder Tonerstäuben zu tun – etwa im Büro oder an Ihrem heimischen Arbeitsplatz? Dann sollten Sie auf mögliche Auswirkungen achten. Beobachten Sie Ihre Gesundheit sowie Ihr Wohlbefinden in der Nähe der Geräte. Treten häufig folgende Symptome auf?
Wie reduziert man die Auswirkungen durch Laserdrucker & Kopierer?
Feinstaub mit dem Luftmessgerät air-Q verlässlich erkennen
Der Luftanalysator air-Q kann Feinstaub unterschiedlicher Partikelgrößen erkennen. Mit dem sensiblen Luftmessgerät detektieren Sie über Sensoren alle drei unterschiedlichen Größen PM₁, PM₂,₅ und PM₁₀ in Echtzeit. Werden der Feinstaubwert oder die Grenzwerte anderer Luftschadstoffe überschritten, schlägt der air-Q Alarm. Anhand des intuitiv erfassbaren Ampelsystems sehen Sie über die LED-Lämpchen, ob und wie sich die Luftqualität verändert. Eine detaillierte Entwicklung der Messwerte zeichnen die Tabellen und Charts im Webbrowser oder in unserer air-Q Web App ab.
Das Luftmessgerät air-Q detektiert Feinstaubpartikel verschiedener Größe.
Autor: Undine Jaehne
Quellen:
Wie entsteht Feinstaub bzw. Ultrafeinstaub eigentlich?
Feinstaub, insbesondere Ultrafeinstaub, kommt in der Natur nicht vor. Feinstaub entsteht durch Reibung, Verbrennungsprozesse und chemische Reaktionen, wenn Stickstoffdioxid zu sekundärem Feinstaub reagiert. Es kann also sein, dass der Feinstaubwert einer Abgasmessung unauffällig ist, aber zeitversetzt sekundärer Feinstaub entsteht.
Durch immer bessere Verbrennungsprozesse kommt es tendenziell dazu, dass kleinerer Feinstaub bzw. Ultrafeinstaub zugunsten einer Reduktion des Grobfeinstaubs erzeugt wird.
„So verursachen Hochdruckdirekteinspritzer deutlich mehr Feinstaub (Ultrafeinstaub) als konventionelle Motoren es getan haben, da der Treibstoff schon vor der Verbrennung in hochfeine Partikel zerlegt wird. So wird eine Basis für die Emission von Ultrafeinstäuben gelegt“, sagt Frank Hoferecht, Experte für Feinstaub von der ETE EmTechEngineering GmbH – der ersten Ausgründung aus dem DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH.
Nicht zu vernachlässigen sind die Feinstäube, die durch Reifen- und Bremsabrieb während der Nutzung von Fahrzeugen entstehen. „Dies ist auch der Fall bei modernen Elektrofahrzeugen“, ergänzt Frank Hoferecht.
Feinstaub, Ultrafeinstaub, Nanopartikel: Welche Unterschiede gibt es?
Feinstaub ist nicht gleich Feinstaub. Es gilt, hier genau hinzuschauen. Die Menge an Feinstaub wird üblicherweise in µg/m³ (Mikrogramm pro Kubikmeter) gemessen. Das unterschlägt, dass Partikel mit einer Größe von 10 µm (PM10) – auch als Grobfeinstaub bezeichnet – und PM1 ein Volumenverhältnis von ca. 1: 1.000 aufweisen. Ein Partikel PM10 wiegt entsprechend bei gleicher Dichte ca. 1.000 mal mehr als ein Partikel PM1. Bei PM0,1 (Ultrafeinstaub) ist der Faktor sogar 1: 1.000.000 im Vergleich zu PM10. Auf ein Partikel PM10 kommen also eine Million Partikel PM0,1 (Ultrafeinstaub) bei gleicher Menge µg/m³.
Daraus ergibt sich eine potenzielle Fehlinterpretation: Üblicherweise enthält der Messwert zu Feinstaub PM10 auch alle kleineren Partikel (also auch PM2,5, PM1 und sogar Ultrafeinstaub). In der Praxis gibt es da jedoch mehrere Probleme:
- Differenzierte Aussagen über die verschiedenen Partikel können nicht getroffen werden. Hat sich beispielsweise die Zahl der PM10-Partikel reduziert, können sich trotzdem wesentlich mehr Feinstaubteilchen in der Luft befinden. Deshalb sollte neben PM2,5 auch PM1 separat gemessen werden. Weiterhin empfiehlt es sich, eine Erfassung der Anzahl der Partikel und nicht nur eine reine Masseangabe vorzunehmen. Das macht zwar für Wissenschaftler keinen Unterschied, verdeutlicht den Effekt jedoch für Laien.
- Aktuelle Sensoren messen zwar nach dem Prinzip, dass jeweils alle kleineren Feinstäube auch mitgezählt werden, können jedoch technisch bedingt die kleinsten Partikel nicht vollständig erfassen. Gerade bei günstigen Messgeräten ist das der Fall. Oft werden laut Datenblatt der Hersteller nur höchstens 10 Prozent der kleineren Partikel erfasst.
- Aussagen, dass Filter den Anteil der Feinstaubpartikel reduzierten, können so also nicht pauschal getroffen werden, ohne auch Untersuchungen im Grobfeinstaub, im Feinstaub (PM2,5) und Ultrafeinstaubbereich (PM1; PM0,1 und darunter) getrennt anzustellen.
Über 95 Prozent der Lungenoberfläche besteht aus dünnem Alveolargewebe. Das zarte Gewebe der Lungenbläschen ermöglicht den effizienten Austausch von Sauerstoff und Kohlendioxid mit dem Blut. Außerdem stellt es eine lediglich 1 Mikrometer dünne Gewebeschranke dar, die größere Partikel am Eindringen hindert. Kleinere Partikel, wie etwa die weniger als 20 Nanometer großen Nanopartikel, gelangen trotzdem hindurch und können sich im Organismus sehr viel besser verteilen als größere Mikropartikel. Je kleiner die Partikel sind, desto reaktionsfreudiger sind sie. Das liegt am Verhältnis von Oberfläche zu Volumen. Über den Blutkreislauf erreichen die Partikel alle Organe wie Lymphknoten, Milz, Knochenmark, Plazenta, Leber, Niere, Herz oder sogar das Gehirn. Atmen wir Ultrafeinstaub und Nanopartikel ein, dringen diese tief in den Körper vor und können hier gesundheitliche Auswirkungen hervorrufen.
Während sich bioabbaubare Materialien durch die Vermischung mit Körperflüssigkeiten verdünnen und mit der Zeit auflösen, setzen sich biobeständige Materialien in Geweben und Zellen fest. Gefährlich wird dies, wenn solche biobeständigen Nanopartikel Übergangsmetalle und/oder deren Oxide, zum Beispiel Zink, Cadmium, Kupfer oder Silber enthalten. Diese Metallionen werden im Organismus freigesetzt und können unter Umständen eine toxische (giftige) Wirkung entfalten. Neben der Größe und der Zusammensetzung ist auch die Form der Nanopartikel entscheidend bei ihrer Wirkung. So zeichnen sich faserartige Partikel durch aerodynamische Eigenschaften aus, die noch tiefer in die Lunge eindringen und sich dort effektiver ablagern können als kugelförmige Partikel mit derselben Masse. Faserartige Nanopartikel treten beispielsweise bei Asbest oder bei Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf.
Durch die sogenannte Endozytose, einen zellulären Transportprozess, überwinden metallhaltige Nanopartikel die Zellmembran und erhalten somit Zugang zu jeder Körperzelle. Bei einem pH-Wert von 4 bis 5 sind selbst schwerlösliche Metalloxide gut löslich. Lösen sich die Stoffe innerhalb der Zelle, entstehen Metallkonzentrationen, die die Zelle kaum abwehren kann. Die Zelle reagiert mit Stress- und Entzündungsreaktionen, auch der Zelltod kann eine mögliche Folge sein.
Mögliche Auswirkungen & drohende Gesundheitsrisiken durch Nanopartikel
Nanopartikel werden von den natürlichen Reinigungszellen des Immunsystems, den Makrophagen, häufig nicht erkannt. Dadurch gelingt es den ultrafeinen Teilchen, Membranen und Schleimhäute zu durchdringen. So können sie sich auf dem Lungengewebe ansammeln oder gelangen über die Lunge ins Blut. Der deponierte Nanostaub kann sowohl akute Wirkungen wie Herzrhythmusstörungen auslösen als auch Langzeitwirkungen auf die Lunge haben.
Abhängig von der Größe dringen Partikel unterschiedlich weit in den Körper.
Mögliche gesundheitliche Auswirkungen durch Nanopartikel:
- chronische Lungenerkrankungen & erhöhte Wahrscheinlichkeit von Lungentumoren
- Zunahme von Entzündungsmarkern im Blut
- verstärkte Neigung zur Blutgerinnung
- erhöhtes Risiko für Herzrhythmusstörungen und Herzinfarkt
- Allergien & Ekzeme (z. B. Heuschnupfen, erhöhte IgE-Antikörper gegen verbreitete Allergene)
- lokale Entzündungsreaktionen (fibrosierende/vernarbende Veränderungen in der Lunge)
Wie wird Feinstaub abgeschieden?
Feinstaub hat die Tendenz zu agglomerieren, das heißt, sich anzuhäufen. Die Ursachen dafür sind die Van-der-Waals-Wechselwirkungen, die dafür sorgen, dass sich Partikel auf molekularer Ebene anziehen. Deshalb haben Feinstaubpartikel die Tendenz, sich miteinander zu verbinden. Ultrafeinstäube und Feinstäube lagern sich leicht an stofflich ähnlichem Staub an. Die so über die Zeit entstehenden Anhäufungen (Agglomerate) sind irgendwann so schwer, dass sie zu Boden fallen. Durch hohe Luftfeuchte oder Regen kann dieser Effekt noch beschleunigt werden.
Werden nun große Partikel (Staub und Grobstaub) aus der Luft entfernt, bleiben Feinstaub- und Ultrafeinstaubpartikel zurück. Diese treffen aufgrund ihrer Größe sowie der geringeren Van-der-Waals-Kräfte dieser Teilchen sehr viel seltener aufeinander und haften damit auch seltener aneinander. Staub und Grobstaub sind im Laufe der Jahre durch immer besser werdende Filtertechnik in den Abgassystemen von Fahrzeugen aus der Luft gefiltert worden. Übrig bleiben die feinen und ultrafeinen Stäube, deren Auftreten durch Filtertechnik nicht gemindert werden kann.
„Laut neuesten Studien bleiben kleinere Feinstaubpartikel und Ultrafeinstaub sehr lange, teilweise unbegrenzt lange, in der Luft, da sie nicht zu Boden fallen“, argumentiert Hoferecht von der ETE EmTechEngineering GmbH. Es geht somit eine Gefahr von sehr kleinen Feinstaubpartikeln aus, die bisher unterschätzt wird.
Neueste Studien belegen, dass besonders kleine Feinstaubpartikel viel schädlicher sind als große Feinstaubpartikel, da diese über die Alveolen in den Blutkreislauf und auch in die menschlichen Zellen vordringen. Dort können Sie Entzündungsreaktionen hervorrufen, die zu Krebs führen können. Die Krankheitshäufigkeit und die Sterblichkeit, insbesondere in großen Städten und Ballungsräumen, nimmt dramatisch zu.
Nanopartikel & Schadstoffe aus Laserdrucker sowie Kopierer
Nanopartikel wie Ultrafeinstaub werden nicht nur durch Verkehrsabgase an die Luft abgegeben. Eine weitere Quelle der Luftschadstoffe sind technische Geräte wie Laserdrucker und Kopierer. Schätzungsweise geben weltweit über eine Milliarde Laserdrucker und Kopierer ungefiltert einen Mix aus Feinstäuben, Nanopartikeln und Schadstoffen ab und belasten somit die Atemluft von Mensch und Tier. In den Emissionen sind metallische sowie Kohlenstoff-Nanopartikel aus den Tonern enthalten, die mit jedem Atemzug in den Körper gelangen. In der Lunge, im Blut sowie in allen erreichten Organen sowie Zellen können sich die Nanopartikel ablagern und zellschädigenden oxidativen Stress, Entzündungen oder gar gentoxische Effekte auslösen.
Laserdrucker stoßen Ultrafeinstaub aus, der die Luftqualität negativ beeinflusst.Typische Symptome einer Nanopartikel-Belastung durch Laserdrucker
Haben Sie häufig mit Laserdruckern, Fax-/Kopiergeräten oder Tonerstäuben zu tun – etwa im Büro oder an Ihrem heimischen Arbeitsplatz? Dann sollten Sie auf mögliche Auswirkungen achten. Beobachten Sie Ihre Gesundheit sowie Ihr Wohlbefinden in der Nähe der Geräte. Treten häufig folgende Symptome auf?
- Erkältungssymptome wie Niesen, Schnupfen, Husten, Halsschmerzen, Asthma oder chronischer Bronchitis (COPD)
- rote, juckende, brennende Augen
- Hautrötungen, Juckreiz, Pusteln, v. a. im unbekleideten Bereich wie im Gesicht, im Dekolleté oder an den Händen
- Kopfschmerzen oder Schmerzen im Bewegungsapparat, insbesondere in der Muskulatur
- Entzündungen der Blase oder Prostata
- Konzentrations-, Gedächtnis- und Wortfindungsstörungen
- Erschöpfung, Burnout oder Depressionen
Wie reduziert man die Auswirkungen durch Laserdrucker & Kopierer?
- Drucken Sie lieber mit einem Tintenstrahldrucker (Tinte, statt Toner)
- Verwenden Sie für Laserdrucker (tonerbasierte Drucksysteme) immer einen Filter.
- Stellen Sie Laserdrucker und Kopierer möglichst in separate Räume auf. Idealerweise sollte dieser Raum über eine eigene Zu- und Abluft verfügen, die nicht mit der zentralen Klimaanlage für Zu- und Abluft gekoppelt ist.
- Überprüfen Sie die Luftqualität mit einem Luftmessgerät wie dem air-Q.
Feinstaub mit dem Luftmessgerät air-Q verlässlich erkennen
Der Luftanalysator air-Q kann Feinstaub unterschiedlicher Partikelgrößen erkennen. Mit dem sensiblen Luftmessgerät detektieren Sie über Sensoren alle drei unterschiedlichen Größen PM₁, PM₂,₅ und PM₁₀ in Echtzeit. Werden der Feinstaubwert oder die Grenzwerte anderer Luftschadstoffe überschritten, schlägt der air-Q Alarm. Anhand des intuitiv erfassbaren Ampelsystems sehen Sie über die LED-Lämpchen, ob und wie sich die Luftqualität verändert. Eine detaillierte Entwicklung der Messwerte zeichnen die Tabellen und Charts im Webbrowser oder in unserer air-Q Web App ab.
Das Luftmessgerät air-Q detektiert Feinstaubpartikel verschiedener Größe.
Autor: Undine Jaehne
Quellen:
- WHO report ”The economic costs of the health effects of air pollution in the European Region”
- GSF-Forschungszentrum für Umwelt und Gesundheit, Mitglied der Helmholtzgemeinschaft: "Großes Netzwerk für kleine Teilchen – AEROSOLFORSCHUNGIN DER GSF"
