06.02.2023 Ι Große Mengen Feinstaub in der Luft sind gesundheitsschädlich. Forschende aus der Schweiz haben das oxidative Potenzial von Feinstaub erkundet. Es könnte in Zukunft als Kriterium für die Abschätzung von Risiken dienen.
Als Feinstaub bezeichnet man Partikel mit einem Durchmesser von höchstens zehn Mikrometern – PM10 genannt – und noch kleinere PM2.5-Teilchen, die durch Autoabgase, Heizungen, Industriebetriebe und natürliche Quellen in unsere Lungen gelangen. Zwar haben strenge Überwachung und Maßnahmen zur Reduktion die Belastungen seit den Neunzigerjahren gemindert, doch vielerorts, gerade in Städten, bleibt das Problem bestehen. Je kleiner die Partikel, desto tiefer gelangen sie in die menschliche Lunge. Doch welche Anteile sind besonders gefährlich? Um das herauszufinden, wurde vor einigen Jahren das neue Kriterium «oxidatives Potenzial» entwickelt: ein Begriff, der die Fähigkeit eingeatmeter Partikel beschreiben soll, die Bildung so genannter freier Radikale im Körper auszulösen, die letztlich zu Entzündungen führen können.
Messkampagne an fünf Schweizer Orten
Mit Hilfe des Nationalen Beobachtungsnetzes für Luftfremdstoffe (NABEL), das die Empa mit dem Bundesamt für Umwelt (BAFU) betreibt, sammelten die Forschenden zwischen Juni 2018 und Mai 2019 Feinstaubproben der Kategorien PM2.5 und PM10 rund um die Uhr. Die Messstationen deckten die ganze Spanne von Feinstaubbelastungen ab und lagen in Städten, der Agglomeration und in ländlichen Gebieten südlich und nördlich der Alpen.
Insgesamt analysierten die Fachleute im Labor rund 900 Proben. Zudem testeten sie Verfahren für das oxidative Potenzial, die mit unterschiedlichen Analysesubstanzen arbeiten: Ascorbinsäure (kurz: AA), Dithiothreitol (DTT) und Dichlorfluorescein (DFCH). Beim AA-Test erlaubt der Verbrauch von Ascorbinsäure Rückschlüsse auf die oxidative «Giftigkeit» der Feinstaubprobe, zum Beispiel durch enthaltene Metalle. Die beiden weiteren Verfahren funktionieren in ähnlicher Weise, verwenden aber andere Substanzen zur Detektion. Vereinfacht gesagt, so Christoph Hüglin, bieten die drei Methoden unterschiedliche Perspektiven auf ähnliche biologische Prozesse.
Maschinelles Lernen reduziert Komplexität
Neben dem oxidativen Potenzial wurde eine Vielzahl chemischer Inhaltstoffe des Feinstaubs analysiert. So entstand eine grosse Datenmenge über Elemente, Ionen und organische Stoffe, aus denen der Feinstaub in der Schweiz besteht. Um in diesen Datenmassen diejenigen «verdächtigen Inhaltstoffe» mit dem grössten oxidativen Potenzial zu identifizieren, setzten die Empa-Forscher auf Methoden des «maschinellen Lernens». Genauer: den Algorithmus «Random Forest», der, bildlich gesprochen, einen Wald aus unzähligen Bäumen wachsen lässt, die jeweils Entscheidungen über Zusammenhänge in den Daten treffen. In diesem Fall also den Inhaltsstoffen von Feinstaub und dem zugehörigen oxidativen Potenzial. Am Ende wird aus den Entscheidungen des gesamten Waldes ein mittleres Modell gebildet.
So reduzierten die Forschenden die Zahl der verdächtigen Inhaltstoffe von Feinstaub auf rund ein Dutzend, die sie wiederum mit konventionellen Rechenverfahren und Modellen analysierten, um schließlich den wichtigsten Gesundheitsgefährdern auf die Spur zu kommen.
Vielversprechende Ergebnisse
Die Resultate bestätigen bekannte Fakten wie ein klares Stadt-Land-Gefälle beim Feinstaub mit seinen gesundheitlichen Folgen sowie eine höhere Belastung im Winter als im Sommer. Allerdings mit Ausnahmen. So waren die Werte für das oxidative Potenzial, bezogen auf das Luftvolumen, im Süden der Schweiz in der kalten Jahreszeit besonders deutlich gestiegen. Die niedrigsten Mittelwerte zeigten ländliche Gegenden, während die höchsten Werte im gesamten Zeitraum von einer städtischen und verkehrsbelasteten Messstation stammten. An verkehrsreichen Knotenpunkten in Städten machen neben Abgasen auch andere Emissionen Sorgen. Dazu gehören Metalle wie Kupfer, Zink und Mangan. Sie deuten auf Feinstaubbestandteile hin, die etwa aus dem Abrieb von Autoreifen oder Bremsbelägen stammen können.
Wie genau das Kriterium des oxidativen Potenzials gesundheitliche Gefahren beschreiben kann, wird in der Fachwelt derzeit kontrovers diskutiert. Schließlich beantworten selbst präziseste Messungen und Analysen von Luftschadstoffen keine offenen Fragen zu Entzündungsprozessen im menschlichen Körper. Doch Empa-Forscher Hüglin geht nach den Analysen mit seinem Team immerhin davon aus, dass sich daraus sinnvolle Massnahmen ableiten lassen. Bezüglich des oxidativen Potenzials sollten die Bestandteile aus dem Straßenverkehr, die nicht aus Abgasen stammen, besonders beachtet werden.
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