Chronische Atemwegsprobleme, Herz-Kreislauferkrankungen bis hin zu Diabetes und Demenz: Die gesundheitlichen Schäden durch Feinstaubbelastung sind vielfältig und schwerwiegend. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass jährlich über sechs Millionen Todesfälle von erhöhter Feinstaubexposition verursacht werden. Noch vielfältiger ist die chemische Zusammensetzung dieser winzigen Partikel in der Luft, die aus menschengemachten und natürlichen Quellen stammen. Welche Partikel im Körper welche Reaktionen und langfristig Erkrankungen auslösen, ist Gegenstand intensiver Forschung.

Im Fokus stehen besonders reaktionsfreudige Komponenten, in Fachkreisen Sauerstoffradikale oder „Reactive Oxygen Species“ (ROS) genannt. Diese können in den Atemwegen mit Biomolekülen auf und in Zellen oxidativ reagieren und sie dadurch schädigen, was wiederum Entzündungsreaktionen auslösen und Auswirkungen auf den ganzen Körper haben kann.

Bisher sammelten Fachleute den Feinstaub auf Filtern und analysierten die Partikel mit einer Verzögerung von Tagen bis Wochen. „Weil diese Sauerstoffradikale so schnell mit anderen Molekülen reagieren, müsste man sie aber ohne Verzögerung messen“, erklärt der Atmosphärenwissenschaftler Prof. Dr. phil. nat. Markus Kalberer.

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In Echtzeit aus der Luft gemessen

Das Team vom Departement Umweltwissenschaften hat eine neue Methode entwickelt, um Feinstaub in Sekundenschnelle zu messen. Die Partikel werden dabei direkt aus der Luft in einer Flüssigkeit gesammelt. Dort kommen sie mit verschiedenen Chemikalien in Kontakt. Die Sauerstoffradikale reagieren in dieser Lösung und erzeugen quantifizierbare Fluoreszenzsignale.

Die Messungen mit der neuen Methode zeigen: 60 bis 99 % der Sauerstoffradikale verschwinden binnen Minuten oder Stunden. Die bisherigen Analysen von Feinstaub über die Filterablagerung hat somit ein verzerrtes Bild geliefert. „Weil der Messfehler bei der verzögerten Analyse aber nicht konstant ist, lässt er sich nicht so einfach herausrechnen“, sagt Kalberer. Der echte Anteil schädlicher Substanzen im Feinstaub liege deutlich höher als bisher angenommen.

Die Herausforderung bei der neuen Methode bestand laut dem Atmosphärenforscher vor allem darin, ein Messgerät zu entwickeln, dass autonom und kontinuierlich chemische Analysen unter stabilen Bedingungen nicht nur im Labor, sondern auch während Feldmessungen an unterschiedlichsten Standorten durchführt.

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Andere und stärkere Entzündungsreaktionen

Weitere Untersuchungen mit Lungenepithelzellen im Labor lieferten außerdem Hinweise, dass insbesondere die kurzlebigen hochreaktiven Bestandteile des Feinstaubs anders wirken als die Partikel, die mit den bisherigen verzögerten Messungen analysiert wurden. Die kurzlebigen Feinstaubpartikel lösten andere und stärkere Entzündungsreaktionen aus.

In einem nächsten Schritt soll das Messgerät weiterentwickelt werden, um tiefere Einblicke in die Zusammensetzung und Auswirkungen von Feinstaub zu gewinnen. „Wenn wir den Anteil hochreaktiver, schädlicher Komponenten genauer und zuverlässig messen, lassen sich auch besser Schutzmaßnahmen ergreifen“, erklärt Kalberer.

Bedeutung für die klinische Praxis: Die schnelle Abnahme dieser reaktiven Komponenten nach der Feinstaubemission impliziert, dass die gesundheitlichen Auswirkungen von Luftverschmutzung unmittelbar nach der Exposition am stärksten sind. Dies ist besonders relevant für Patienten mit bestehenden Atemwegserkrankungen oder kardiovaskulären Risikofaktoren. Bisherige Leitlinien, wenn sie denn überhaupt existieren, definieren zwar Grenzwerte für Feinstaubexposition, z. B. die US-amerikanische Umweltschutzbehörde (EPA) mit ihren National Ambient Air Quality Standards (NAAQS), berücksichtigen jedoch (noch) nicht das oxidative Potential von Feinstaub.