Langzeit-Monitoring organischer Quell-Indikatoren auf Tagesbasis an der Aerosol-Mess-Station Augsburg des Helmholtz Zentrums: Anwendung für epidemiologische Untersuchungen
J. Schnelle-Kreis (HMGU / CMA), A. Peters (HMGU / EPI), H.-E. Wichmann (HMGU / EPI), U. Küpper (HMGU / EPI), J. Orasche (HMGU / CMA), G. Seibert (HMGU / CMA), R. Zimmermann (UR / HMGU)
- Fig. 1 Aerosol-Messstation des HMGU an der Fachhochschule in Augsburg. Im Vordergrund ist der Messcontainer des Instituts für Epidemiologie, im Hintergrund der Messcontainer der Kooperationsgruppe „Complex Molecular Analytics“ zu sehen
Zahlreiche epidemiologische Studien haben Assoziationen zwischen atmosphärischem Feinstaub und kardiovaskulärer Mortalität und Morbidität gezeigt. Hierbei wurden vor allem die Auswirkungen feiner (< 2,5 µm) und ultrafeiner (< 0,1 µn) Partikel in der Atemluft untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Konzentration dieser Partikel in der Atemluft in direkten Zusammenhang zu Herzfrequenz Variabilität, Blutdruck und Entzündungsmarkern gesetzt werden kann. Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind häufig mit Symptomen wie Kurzatmigkeit, Brustschmerz oder der Vermeidung körperlicher Aktivität aufgrund von Herzproblemen verbunden. Obwohl diese u. U. häufig auftretenden kardiorespiratorische Symptome die Lebensqualität der Betroffenen deutlich herabsetzen können, wurden sie in epidemiologischen Untersuchungen zur Auswirkung der Partikel bisher wenig beachtet.
In der – von der EU finanzierten – ULTRA Studie (Exposure and Risk Assessment for Fine and Ultrafine Particles in Ambient Air) konnte ein Zusammenhang zwischen dem Auftreten einiger kardiorespiratorischer Symptome und der Massenkonzentration an feinen Partikeln gezeigt werden. Unklar ist jedoch, welche Partikeleigenschaften für die beobachteten Effekte verantwortlich sind.
In anderen epidemiologischen Studien wurde versucht, anhand der elementaren Zusammensetzung der Partikel unterschiedliche quellenspezifische Fraktionen zu identifizieren, die für die Gesundheitseffekte verantwortlich sind. Diese Studien weisen darauf hin, dass insbesondere Partikel aus Verbrennungsprozessen und Verkehrsemissionen hohe Einflüsse auf die menschliche Gesundheit haben könnten. Allerdings weist die Quellenzuordnung anhand anorganischer Komponenten erhebliche Unschärfen auf. Eine deutlich verbesserte Differenzierung der Quellenzuordnung insbesondere für Verbrennungsaerosole kann durch die gezielte Analyse der organischen Aerosolbestandteile erreicht werden. So lassen sich z.B. anhand der Muster innerhalb der Substanzgruppe der Hopane Emissionen aus dem Bereich Verkehr (im Wesentlichen unverbranntes Schmieröl) und der Verbrennung von Kohle unterscheiden. Direkte gesundheitliche Wirkungen von Hopanen sind bisher allerdings nicht belegt. Hingegen eignen sich die als eindeutig kanzerogen geltenden polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK) nur sehr eingeschränkt dazu, die verschiedenen Quellen von Verbrennungsaerosolen zu charakterisieren.
Aufgrund der in toxikologischen Studien belegten Ähnlichkeiten der Mechanismen, die die Entstehung von Krebs und Arteriosklerose begünstigen, wird vermutet, dass PAK auch kardiovaskuläre Effekte haben können. So zeigte sich in Tierversuchen, dass Benzo[a]pyren möglicherweise durch die Auslösung von Entzündungsprozessen Arteriosklerose beschleunigen kann. In wieweit PAK an Kurzzeiteffekten von Partikeln auf das Herz-Kreislauf-System beteiligt sind, wurde bisher nicht untersucht.
Um eine Grundlage für epidemiologische Studien zu erhalten und die Quellenzuordnung auf Basis der organischen Verbindungen im Aerosol zu verbessern, werden seit dem Spätsommer 2002 an der Aerosolmessstation des HMGU (Abb. 1) täglich PM2.5 Feinstaubproben gesammelt. Für die Analyse der Proben wurde eine Methode entwickelt, mit der routinemäßig mehr als 200 organische Komponenten tagesaufgelöst quantifiziert werden können. Mit der direkten Thermodesorptions-Gaschromatographie-Massenspektrometrie (TD-GC-TOFMS) werden unpolare bis wenig polare mittel- bis nicht flüchtige organische Verbindungen ([SV]OC) in den Proben bestimmt. Primäres Ziel des Vorhabens ist die Identifizierung der Hauptquellen für organische Bestandteile der Feinstaubpartikel. Mit Hilfe der sog. Positiven Matrix-Faktorisierung konnten unterschiedliche Verbrennungsprozesse (im Verkehr; bei der Gebäudeheizung mit Holz, Kohle und Heizöl), Pflanzenabrieb und Photooxidation als relevante Quellen identifiziert werden.
- Fig 2 Assoziationen zwischen den kardiovaskulären Symptomen „Brustschmerzen“ (oben), „Vermeidung körperlicher Aktivität“ (mitte) und „Kurzatmigkeit“ (unten) und den Konzentrationen von PAK und ausgewählter Hopane am gleichen Tag (lag0) bis drei Tage nach Exposition (lag3)
In der – von der EU finanzierten – AIRGENE Studie (Air pollution and inflammatory response in myocardial infarction survivors: Gene-Environment interaction in a high risk group) wurde u.a. der Einfluss von Hopanen und PAK auf kardiovaskuläre Symptome bei Herzinfarkt-Überlebenden untersucht. Die Vermeidung von körperlicher Aktivität aufgrund von Herzproblemen nahm am Tag der Exposition in Zusammenhang mit den meisten der Hopane aus Verkehrsemissionen und der PAK zu (z.B. 10% pro 1,08 ng m-3 Anstieg in Benzo[a]anthracen, 95% Konfidenzintervall (KI) 2%-19%). Mit einer Verzögerung von einem bzw. zwei Tagen nahm dieses Symptom jedoch ab (siehe II.2). Ein häufigeres Auftreten von Kurzatmigkeit war mit den meisten der Hopane und allen PAKs 3 Tage nach der Exposition assoziiert (z. B. 10 % pro 0,21 ng m-3 Anstieg in 17α(H),21β(H)-30-Norhopan, 95% KI 2%-19%). Die Ergebnisse deuteten jedoch auch auf eine sofortige Abnahme von Kurzatmigkeit in Assoziation mit einigen PAK sowie auf eine um einen Tag bzw. zwei Tage verzögerte Abnahme in Assoziation mit den Hopanen (Abb. 2). Die Ergebnisse lieferten keine Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten von Brustschmerz und der Hopan- bzw. PAK-Konzentration.
In wieweit Hopane und / oder PAK direkt an den beobachteten Effekten beteiligt sind oder ob sie nur Indikatoren für andere hier nicht erfasste Partikeleigenschaften sind, konnte mit dieser Studie bisher nicht geklärt werden. Hierzu sind weitergehende Untersuchungen notwendig, die im Rahmen der programmorientierten Förderung (POF II) im Projektfeld NanoHealth, unterstützt von Drittmittelprojekten, durchgeführt werden.
