Zum Seiteninhalt springen

Staubanalysen in der Innenraumluft oder: Hortons passion
Wir sehen ihn nicht, wir riechen ihn nicht und doch ist er allgegenwärtig: Feinstaub.

Dass es auf Staubkörnchen kleine Städte wie in dem animierten Film ‚Horten hört ein Hu‘ gibt, ist unwahrscheinlich. Dass Staub eine Menge von Menschen (und Tieren) beschäftigen und zu deren zentralen Anliegen werden kann, schon eher. Ist er doch laut WHO weltweit für rund 10 % der Todesfälle, die auf kardiopulmonale Erkrankungen bzw. Krebserkrankungen der Luftröhre, Bronchien und Lunge zurückzuführen sind, verantwortlich. [1]

ForschungMessung & MonitoringInnenraum

Allen voran Verkehr, Industrieanlagen und Landwirtschaft sind für den Anstieg der von Menschen verursachten Feinstaubbelastung in den letzten Jahrzehnten verantwortlich. Die Staubkonzentration in der Außenluft wird laufend vom Österreichischen Umweltbundesamt erhoben2, der Staubkonzentration im Innenraum schenkt man jedoch wenig Beachtung. Das ist auch daran erkennbar, dass es für die Bewertung von Feinstaub lediglich Grenzwerte für den Außen-, nicht aber für den Innenbereich gibt3. Weil aber im Innenraum der in der Außenluft vorhandene Verdünnungseffekt fehlt und zusätzliche Quellen zur Belastung beitragen, ist die Feinstaubkonzentration oft höher als im Außenraum.
Woher kommt der Staub im Innenraum? Einerseits aus dem Außenbereich, abhängig insbesondere von der Nähe zu Verkehrs- bzw. Industrieanlagen sowie den meteorologischen Bedingungen. Andererseits trägt der Mensch mit seinen Tätigkeiten zu einer Erhöhung der Konzentration im Innenraum bei. Vor allem Verbrennungsprozesse wie der Abbrand von Kerzen, Räucherstäbchen und Zigaretten, aber auch Materialabrieb und Laserdrucker führen zu einem Belastungsanstieg. Aufgrund der unterschiedlichen Nutzung von Räumlichkeiten weisen Innenräume stark variierende Staubkonzentrationen und  zusammensetzungen auf. Die Erfassung der Feinstaubkonzentration im Innenraum muss daher immer in Zusammenhang mit der zeitgleichen Erhebung der Außenluftsituation, der Dokumentation der Raumnutzung sowie den während der Messung im Raum durchgeführten Aktivitäten stehen, da es durch Bewegungen zu einer Aufwirbelung vor allem der gröberen Feinstaubfraktion kommt.

Fein, feiner, am feinsten – Fein- und Ultrafeinstaub

Sowohl messtechnisch als auch medizinisch ist zwischen Feinstaub in den Fraktionen PM10, PM2.5 und PM1 sowie Ultrafeinstaub (UF) zu unterscheiden. Ultrafeinstaub besteht aus Partikeln mit einem aerodynamischen Durchmesser von < 0,1 µm,4 die Konzentrationsangabe erfolgt im Gegensatz zu den gröberen Fraktionen [µg/m³] in Anzahl pro Milliliter [1/ml]. Während WHO und EU5 für die Feinstaubfraktionen PM10 und PM2.5 Grenzwerte festgelegt haben, existieren keine für Ultrafeinstaub. Gemäß WHO gibt es keine Konzentration an Ultrafeinstaubpartikeln, unterhalb derer es zu keiner gesundheitsschädigenden Wirkung kommt6.
Von der Größe der gemessenen Staubpartikel lässt sich auf deren Quelle schließen, da gröbere Fraktionen großteils durch mechanische Prozesse wie Abrieb oder Erosion entstehen, während kleinere Partikelfraktionen (≤ PM2.5) häufig mit Verbrennungsprozessen in Zusammenhang stehen. Gröbere Partikel verbleiben weniger lang in Schwebe als kleinere – d.h. mit zunehmender Korngröße verringert sich ihre Schwebezeit und sie lagern sich ab, während Partikel mit einem kleineren aerodynamischen Durchmesser mehrere Tage in Schwebe bleiben. Ultrafeine Partikel tragen zwar nur einen kleinen Teil zur Masse des Gesamtstaubes bei, jedoch viel zur Anzahl der Teilchen in der Luft. In der Regel gilt: Je kleiner ein Partikel, desto schwerwiegender die gesundheitlichen Auswirkungen bei dessen Exposition, da sie über die Alveolen (Lungenbläschen) in die Blutbahn gelangen und so im gesamten Körper verteilt werden können. Aufgrund der anatomisch und funktionell engen Verbindung von Atmung und Blutkreislauf können Beeinträchtigungen des einen Systems (z.B. entzündliche Veränderungen im Atemtrakt) auch zu Störungen des anderen (z. B. kardiovaskuläre Erkrankungen) führen. Doch nicht nur Größe, auch Morphologie und Zusammensetzung eines Partikels und damit dessen toxikologisches Wirkungsprofil bestimmen seinen Effekt auf die Gesundheit. Je nach chemischer und biologischer Zusammensetzung bzw. an der Oberfläche von Staubteilchen anhaftende Metalle und Halbmetalle weisen Partikel aus unterschiedlichen Quellen mit unterschiedlicher Größe eine unterschiedliche Toxizität auf.
Gemeinsam mit der Holzforschung Austria (HFA), dem Österreichischen Kachelofenverband (KOV) und dem Zentrum für Elektronenmikroskopie Graz (FELMI-ZFE) führt das IBO derzeit das interdisziplinäre Forschungsprojekt Staubanalysen in der Innenraumluft durch. Schwerpunkte sind die quantitative Erhebung der Feinstaubkonzentration in der Innenraumluft, die Durchführung von Simulationen zur Staubaufwirbelung in Abhängigkeit vom Heizsystem und die qualitative Bestimmung des Staubs bzw. der Staubzusammensetzung mittels Rasterelektronenmikroskop. Ein weiterer Aspekt ist die Erhebung der Auswirkungen einer erhöhten Staubkonzentration auf die Gesundheit.
Ziel ist, ein Messverfahren zur quantitativen und qualitativen Bestimmung der Staubsituation im Innenraum zu entwickeln. Durch die enge Zusammenarbeit der beteiligten Institute kann sowohl die Feinstaubkonzentration im Innen- und Außenbereich als auch die qualitative Zusammensetzung des Staubes erhoben werden, wodurch im Idealfall auf dessen Quelle geschlossen werden kann. Dies ermöglicht, potentielle Feinstaub-Emittenten zu identifizieren und die Belastung durch entsprechende Maßnahmen zu vermeiden bzw. zu minimieren. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, durch Simulationen der Luftbewegung auf Staubverfrachtungen – vor allem im Zusammenhang mit dem Heizsystem – zu schließen.
Bisher durchgeführte Messungen zeigen einen deutlichen Zusammenhang von Innen- und Außenfeinstaubkonzentration, die wiederum stark witterungsbedingt ist. Allerdings erreicht die Innenraumluft in relativ kurzer Zeit nach Schließen von Fenster- bzw. Türöffnungen wieder das Ausgangsniveau vor dem Lüften. Bei Anheizen eines Kachelgrundofens kann es je nach Dichtheit der Ofenanlage zu einem geringfügigen, kurzzeitigen Anstieg der Fraktionen PM1 und PM2.5 unmittelbar nach Inbetriebnahme kommen. Außerdem konnte ein sehr hoher Anstieg der Ultrafeinstaub-Konzentration bei Kerzenabbrand und eine hohe Korrelation zwischen Feinstaubkonzentration und Ort der Messpunkte sowie der Aktivität im Raum durch Staubaufwirbelung festgestellt werden. Aufgrund der zahlreichen Einflussfaktoren ist ein großer Datensatz notwendig, um valide Aussagen zu Belastungsquellen und Staubverhalten treffen zu können. Das IBO bietet Screening-Messungen zur Erhebung der Feinstaubsituation im Innenraum an.   
Das Vorhaben wird im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Digitalisierung und Wirtschaftsstandort (BMDW) geförderten strategischen ACR-Projektes durchgeführt. ACR – Austrian Cooperative Research ist ein Netzwerk von Forschungsinstituten und betreibt angewandte Forschung und Entwicklung für Unternehmen, speziell für KMU.

Literatur und Informationen

  1.  Cohen A. et al. 2004. Urban air pollution. In: Ezzati M. et al., eds. Comparative quantification of health risks. Global and regional burden of disease attributable to selected major factors. Geneva, World Health Organization, 2004, 2 (17), pp 1353–1433
  2. www.umweltbundesamt.at/umweltsituation/luft/luftguete_aktuell
  3. Gesundheitliche Bedeutung von Feinstaub in der Innenraumluft. Bundesgesundheitsblatt – Gesundheitsforschung – Gesundheitsschutz 2008. November 2008, Volume 51 (1), pp 1370–1378
  4. Der aerodynamische Durchmesser ist der Durchmesser einer Kugel mit einer Dichte von 1g/cm³, die die gleiche Sinkgeschwindigkeit hat wie das betreffende Feinstaubpartikel.  
  5. EU-Richtlinie 2008/50/EG vom 21. Mai 2008
  6. WHO. 2013. Health effects of particulate matter. Policy implications for countries in eastern Europa, Caucasus and central Asia. p 6 (http://www.euro.who.int/__data/assets/pdf_file/0006/189051/Health-effects-of-particulate-matter-final-Eng.pdf)

 

Forschungszeitraum

Juli 2019 –

Abb. 1: Feinstaubmessgerät (Grimm 11-C)
Abb. 2: Ultrafeinstaubmessgerät (P-Trak 8525)
Abb. 3: Feinstaubkonzentration (PM10, PM2.5, PM1) in einer Wohnung mit Kachelgrundofenbetrieb. Aufgrund des Lüftens zu Beginn der Messung steigt die Konzentration aller drei gemessenen Feinstaubfraktionen deutlich an. Nach dem Anheizen des Kachelofens nimmt vor allem die Masse der feineren Fraktionen zu, sinkt dann aber dadurch, dass der Abbrand im geschlossenen Ofenraum stattfindet, im Lauf der Zeit wieder ab. Durch das Entzünden mehrerer Kerzen gegen Ende der Messung erhöht sich die Feinstaubkonzentration, allerdings erfolgt deren Verteilung abhängig von der Aktivität im Raum zeitverzögert.
Abb. 4: Photo eines Partikels mit der Größe von etwa 35 x 20 µm, aufgenommen mit dem Rasterelektronenmikroskop des Projektpartners HFA. Die Elementanalyse mittels EDS (Energiedispersive Röntgenanalyse) zeigt, dass dieser Partikel vor allem aus Silizium und Sauerstoff besteht und vermutlich ein von außen eingebrachtes Sandpartikel ist.