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Green-Zones.eu › Umwelt & Gesundheit › Luftverschmutzung

Luftverschmutzung – Mammutaufgabe der modernen Medizin

Seit Beginn der technischen Entwicklung sind die Auswirkungen auf Mensch und Umwelt nicht immer ausschließlich positiv. Von katastrophaler Wasserqualität im Rhein in den 60ern, verursacht durch industrielle Abwässer, über die durch FCKW angegriffene Ozonschicht in den 80ern, sind die Auswirkungen von Luftverschmutzung im letzten Jahrzehnt mehr und mehr in den Fokus gerückt. Seit dem Jahr 2008 sind die Einflüsse von Feinstaub und Stickoxiden, sowie anderen schädlichen Substanzen in der Luft nicht zuletzt durch die EU Luftqualitätsrichtlinie 2008/50/EG wichtiger Bestandteil der europäischen Gesetzgebung und nun auch zunehmend Fokus der medizinischen Forschung geworden. Und die Ergebnisse lassen aufhorchen. Denn die Liste der durch Luftverschmutzung verursachten Leiden wird immer länger. Neben Atemwegserkrankungen, die beim Einatmen von schlechter Luft naheliegen, werden zunehmend Schäden an wichtigen Organen wie dem Herzen und Gehirn, aber auch Sinnesorganen festgestellt. Des Weiteren sind mentale und psychische Probleme wie Depression auf die Luftverschmutzung zurückzuführen.

Etwa 55% der Weltbevölkerung leben in Städten und sind dauerhaft schlechter Luftqualität ausgesetzt. Obwohl die Folgen der Luftverschmutzung in Europa in den letzten Jahrzehnten schon massiv zurückgegangen sind (22), sind die Auswirkungen des Feinstaub (auch Particulate Matter, PM) auf die menschliche Gesundheit enorm. Das Projekt „Global Burden of Disease“, das Krankheiten und Todesfälle quantifiziert, schätzt Luftverschmutzung mit ca. 4.2 mio. Toten weltweit auf Platz fünf der Gründe für vorzeitige Sterbefälle (2). Die Europäische Umweltagentur nennt Luftverschmutzung das größte durch Umweltfaktoren verursachte Gesundheitsrisiko, das im Jahr 2018 zu ca. 400 000 frühzeitigen Todesfällen in Europa führte (22). In dieser Zeit wurden die von der EU festgelegten Grenzwerte häufig überschritten. So lebten in den Jahren 2016-2018 4-8% der Bevölkerung in Gegenden, in denen der EU-Grenzwert für PM2.5 überschritten wurde. Der Grenzwert der WHO, bis zu dem PM2.5 als nicht gesundheitsschädlich angesehen wird, liegt deutlich höher als der gesetzlich festgelegte Wert der EU, so dass ganze 74-78 % der EU-Bevölkerung in Gegenden mit überschrittenem Grenzwert lebten (22).

Die schädlichen Substanzen gelangen hauptsächlich durch Verbrennungsprozesse im Personen- und Güterverkehr aber auch der Industrie, Landwirtschaft und des Haushalts in die Luft. Hierbei entsteht primärer Feinstaub, also zum Beispiel metallene Partikel, welche direkt von der Quelle in die Luft freigesetzt werden, und sekundärer Feinstaub, der aus gasförmigen Vorläufersubstanzen wie Stickstoff in der Luft entsteht. Die Größe der Teilchen wird genutzt, um Feinstaub in Kategorien einzuteilen: so entspricht PM10 zum Beispiel Feinstaub mit einem Durchmesser von höchstens 10µm (1). Beim Einatmen gelangt der Feinstaub über die Atemwege in die Lunge. Je kleiner die Teilchen, wie zum Beispiel PM2.5 oder PM0.1, desto weiter können die Partikel vordringen und somit bis hin zu den Lungenbläschen (Alveolen) und dem Lungengewebe gelangen oder sogar in den Blutkreislauf übergehen. Von hier können sie nahezu alle körperlichen Zellen direkt erreichen und schädigen.

Die Europäische Umweltagentur listet Lungenkrebs mit 17%, Koronare Herzkrankheit, also die Unterversorgung des Herzens mit Sauerstoff mit 12%, Schlaganfälle mit 11% und chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) mit 3% als Hauptursachen für vorzeitige Todesfälle in Verbindung mit Luftverschmutzung (22). Vor allem PM2.5 wurde durch diverse Mechanismen mit Herz-Kreislauf-Erkrankungen in Verbindung gebracht. Hierzu gehören Dysfunktion des Endothels, also der Barriere zwischen Blut und Gewebe, Gefäßverengung, hoher Blutdruck, systemische Entzündungen und oxidativer Stress, der durch freie Radikale ausgelöst wird (3).

Bereits in der kindlichen Entwicklung kann Feinstaub PM2.5 die Entwicklung der Bronchien beeinträchtigen und somit die spätere Lungenfunktion einschränken (2) Außerdem können eingeatmete Partikel in der Lunge das Immunsystem schwächen, indem Sie hemmend auf Fresszellen einwirken. Forscher der Universität Cambridge fanden heraus, dass die Fresszellen in Gegenwart von im Feinstaub vorhanden Metallen wie Eisen und Kupfer aber auch Arsen, Zinn, Antimon und Vanadium, Bakterien und andere Fremdkörper nicht mehr aufnehmen und verdauen können. Des Weiteren sendeten die Fresszellen unter Einfluss des Feinstaubs vermehrt inflammatorische Botenstoffe aus, die Entzündungserkrankungen wie Bronchitis und Lungenentzündungen auslösen können (4). Feinstaub kann außerdem die Balance verschiedener Typen von weißen Blutkörperchen durcheinanderbringen und somit eine Asthmaerkrankung fördern (2).

Auch Rhinitis-Symptome, also eine blockierte oder verschnupfte Nase ohne das Auftreten einer Erkältung, waren durch den Feinstaub verstärkt, fanden Forscher der Universität Versailles St-Quentin-en-Yvelines. Vor allem PM10 löste eine Intensivierung der Beschwerden aus, aber auch PM2.5 und Stickstoffdioxid (NO2) führten zu verstärkten Symptomen. Der vermutete Mechanismus, der diese Verstärkung auslöst sei wiederum ein vermehrtes Aufkommen von Entzündungen in den Atemwegen sowie oxidativer Stress, also freie Radikale, die Zellen schädigen können (5).

Im Herzen beeinträchtigte Feinstaub die Funktion der Mitochondrien, so Forschungsergebnisse der Universität Lancaster. Mitochondrien sind Bestandteile menschlicher Zellen, die auch als Kraftwerke der Zellen bezeichnet werden. Sie produzieren das Molekül ATP, welches als Energie-Lieferant fungiert. Im Herzen wird diese Energie unter anderem für die Kontraktion der Herzkammern benutzt, die Blut und somit frischen Sauerstoff durch den Körper pumpen. Die Forscher stellten fest, dass Feinstaub vor allem die Membranen der Mitochondrien schädigte und dazu führte, dass die Zellen vermehrt Stressproteine produzierten (6).

Auch im Hirn haben Forscher bereits beachtliche Mengen von Feinstaub gefunden und auf Ihre Einflüsse dort untersucht. So fanden Forscher der Universität Lancester zum Beispiel Nanopartikel von Magnetit im Hirngewebe. Diese magnetischen Teilchen bilden freie Radikale, und wurden bereits mit Alzheimer und anderen neurodegenerativen Krankheiten in Verbindung gebracht. Durch die stark abgerundete und geschliffene Form der Teilchen konnten die Forscher deren Ursprung Verbrennungsmotoren und Bremsreibung zuordnen, da die hierbei entstehende Hitze nahezu sphärenförmige Teilchen entstehen lässt. Die enorm geringe Größe dieser Teilchen (meist unter 200 Nanometer) ermöglichte ihnen außerdem, direkt über die Blut-Hirn-Schranke nach dem Einatmen ins Gehirn zu gelangen (7).

Ähnlich wie im Gehirn kann Feinstaub in anderen Organen neurodegenerative Auswirkungen haben. Eine Studie des National Institute for Health Research in London hat nun selbst eine Gefährdung desAugenlichtes auf Luftverschmutzung zurückführen können. Somit hatten Menschen, die erhöhtem Feinstaub PM2.5 ausgesetzt waren, eine höhere Wahrscheinlichkeit, an Glaukom zu erkranken. Diese irreversible Krankheit schädigt den Sehnerv und ist mit ca. 60 mio. Menschen weltweit die häufigste Ursache für Erblindung. Eine Veränderung im Augendruck der Erkrankten, eigentlich häufig als Ursache des Glaukoms identifiziert, konnten die Forscher nicht mit Feinstaub in Verbindung bringen. Auch hier gehen die Forscher daher davon aus, dass neurotoxische Auswirkungen wie oxidativer Stress und Entzündungen und hiermit einhergehende Gefäßveränderungen die Ursache der Glaukome sein könnten (8).

Feinstaub kann also enorme physische Schäden verursachen. Forschungsergebnisse gehen aber noch deutlich weiter und haben Feinstaub auch mit diversen mentalen und psychischen Krankheiten in Verbindung gebracht.

Vor allem Kinder und junge Erwachsene sind während der Entwicklung des Gehirns enorm durch die Luftverschmutzung beeinträchtigt. Auch hier gehen Forscher davon aus, dass durch Feinstaub ausgelöste neurotoxische Vorgänge der Auslöser sind und zum Beispiel Lern- und Entwicklungsstörungen verursachen können. Forschungen in Barcelona ergaben, dass Kinder, die an Schulen mit starker Luftverschmutzung lernten, reduzierte kognitive Entwicklungen in verschiedenen Bereichen des Gedächtnisses zeigten. So war das Arbeitsgedächtnis dieser Kinder, das für das Erlernen von Lesen, Schreiben und Rechnen wichtig ist, beeinträchtigt. Auch ihre Unaufmerksamkeit war gesteigert (9). Forschungen der Universität Cincinnati zeigten, dass Kinder die im ersten Lebensjahr an sehr befahrenen Straßen gelebt hatten, mit 12 Jahren ein ca. 4% geringeres Volumen grauer Substanz im Hirn aufwiesen. Die graue Substanz ist mit Gedächtnisleistung aber auch dem Erlernen der Sprache assoziiert. Auch Bereiche des Gehirns, die sensomotorische Aufgaben erfüllen, sowie das teilweise für Emotionen zuständige Limbische System waren deutlich kleiner als bei Kindern, deren frühkindliche Entwicklung in ländlichen Gebieten stattfand (10).

Andere Studien haben sogar Zusammenhänge zwischen Luftverschmutzung und psychischen Störungen wie Schizophrenie gefunden. Dass Entzündungen, zum Beispiel des zentralen Nervensystems, psychische Störungen auslösen können, wurde bereits gezeigt (11). Forscher gehen daher auch davon aus, dass Feinstaub, der eben solche Entzündungen auslösen kann, als Ursache für psychische Störungen in Frage kommt. Nun haben Untersuchungen der Umeå Universität in Schweden gezeigt, dass Kinder und Jugendliche in der Tat vermehrt unter psychischen Störungen litten, wenn Sie erhöhter Luftverschmutzung ausgesetzt waren. Eine Steigerung von 10 µg/m3 NO2 führte demnach zu einer 9%igen Steigerung mentaler Krankheiten. Bei Feinstaub (PM2.5 und PM10) war die Veränderung mit 4% etwas geringer. (12). Auch Forschungen am Kinderhospiz Cincinnati ergaben, dass psychische Leiden wie Angstzustände, Schizophrenie und Depression und sogar Suizidgedanken häufiger auftraten, wenn Kinder erhöhter Luftverschmutzung ausgesetzt waren (13). Schwangere, die kurz vor oder während der Entbindung hoher Luftverschmutzung ausgesetzt waren, brachten sogar öfter Kinder zur Welt, die unter Autismus bzw. einer Autismus-Spektrum-Störung litten (14).

Auch bei Erwachsenen wurden Konzentrationsstörungen aber auch schwerwiegende Krankheiten wie Alzheimer (21) und Demenz mit schlechter Luftqualität in Verbindung gebracht.  Forscher der Pädagogischen Universität Peking fanden heraus, dass Luftverschmutzung die kognitiven Fähigkeiten von erwachsenen Menschen deutlich reduzieren kann. Vor allem ältere Menschen zeigten eine Beeinträchtigung, die mit einer um ein Jahr verkürzten schulischen Bildung vergleichbar war (15). Ein Experiment der Universität Maastricht zeigte, dass Schachspieler bei erhöhter Feinstaubkonzentration deutlich öfter Konzentrationsfehler machten. Die Wahrscheinlichkeit, einen Fehler zu machen stieg somit bei einem Anstieg von 10 µg/m3 des Feinstaubs PM2.5 um ganze 26% an (16). Untersuchungen in London ergaben, dass Menschen in Gegenden mit einer NO2-Konzentration von über 41.5 µg/m3 einem signifikant höheren Risiko ausgesetzt waren, an Demenz zu erkranken, als Menschen in Gegenden mit weniger als 31.9 µg/m3 NO2 (17).

Ausblick für die Forschung

Noch immer ist die direkte kausale Verbindung zwischen Luftverschmutzung und Erkrankung auch trotz zunehmender Untersuchungen schwer festzumachen. Dies liegt vor allem daran, dass die Abläufe schlecht in vivo, also im lebenden betroffenen Gewebe, über lange Zeiträume beobachtet werden können und Forschungen meist unter Laborbedingungen stattfinden. So können die Einflüsse von Feinstaub direkt im Gewebe zwar untersucht werden, es bleibt aber schwierig, Leiden wie Lungen- oder Herz-Kreislauf-Erkrankungen eindeutig auf die Luftverschmutzung zurückzuführen und diese als Hauptursache zu erkennen (8, 11, 17, 20). Dies liegt vor allem auch daran, dass genetische Veranlagungen und Umweltfaktoren, wie Lebensweise und Ernährung oder Stress, einen Einfluss auf die Leiden der Betroffenen haben. Exakte Zahlen zu den Folgen der Luftverschmutzung sind daher schwierig und es gibt sowohl in Bezug auf Erkrankungen wie auch Todesfälle meist nur Schätzungen (2, 19).

Nichts desto trotz, wie hier beschrieben, ist eindeutig erforscht, dass Feinstaub durch unterschiedlichste Mechanismen toxisch auf Zellen einwirkt, ihre Membranen zerstört und sie zur Produktion unterschiedlichster Stoffe animiert. Er ist daher eindeutig mit diversen Erkrankungen verknüpft. Zusätzlich zeigen die hier beschriebenen empirischen Forschungsprojekte ein signifikant erhöhtes Vorkommen verschiedenster Erkrankungen in Populationen, die starker Luftverschmutzung ausgesetzt sind.

Forschungseinrichtungen haben nun sogar angefangen, die Einflüsse von Feinstaub auf andere Lebewesen zu untersuchen. Die Ergebnisse überraschen kaum: was schädlich für den Menschen ist, gefährdet auch andere Organismen. Beispielsweise wurde nun ein erhöhtes Bienensterben mit schlechter Luftqualität in Verbindung gebracht (18). So könnte sich Feinstaub nicht nur auf direktem Wege auf unsere Gesundheit auswirken, sondern auch indirekt Faktoren unseres Lebens, wie zum Beispiel unsere Ernährung, beeinflussen. Wie weit dieser Einfluss reicht, ist eine Frage für die Forschung. Klar ist jedenfalls schon jetzt, durch die Bandbreite der Erkrankungen und Leiden, sowohl physisch als auch psychisch, und die enorme Anzahl von Menschen, die schlechter Luftqualität tagtäglich ausgesetzt sind, scheint Luftverschmutzung die Mammutaufgabe der modernen Medizin zu sein.

Quellen
  1. Umwelt Bundesamt (2020). Feinstaub. www.umweltbundesamt.de/themen/luft/luftschadstoffe/feinstaub
  2. D. E. Schraufnagel, et al. (2019). Air Pollution and Noncommunicable Diseases
  3. R.D. Brook, et al. (2010). Particulate Matter Air Pollution and Cardiovascular Disease
  4. L. Selley, et al. (2019). Brake dust exposure exacerbates inflammation and transiently compromises phagocytosis in macrophages.
  5. E. Burte, et al. (2019). Long-term air pollution exposure is associated with increased severity of rhinitis in 2 European cohorts.
  6. B.A. Maher, et al. (2020). Iron-rich air pollution nanoparticles: An unrecognised environmental risk factor for myocardial mitochondrial dysfunction and cardiac oxidative stress
  7. B.A. Maher, et al. (2016). Magnetite pollution nanoparticles in the human brain.
  8. S.Y.L. Shua, et al. (2019). The Relationship Between Ambient Atmospheric Fine Particulate Matter (PM2.5) and Glaucoma in a Large Community Cohort.
  9. J. Sunyer, et al. (2015). Association between Traffic-Related Air Pollution in Schools and Cognitive Development in Primary School Children: A Prospective Cohort Study
  10. T. Beckwith, et al. (2020) Reduced gray matter volume and cortical thickness associated with traffic-related air pollution in a longitudinally studied pediatric cohort.
  11. A. Kewalramani, et al. (2008). Asthma and Mood Disorders.
  12. A. Oudin et al. (2016). Association between neighbourhood air pollution concentrations and dispensed medication for psychiatric disorders in a large longitudinal cohort of Swedish children and adolescents.
  13. C. Brokamp (2019). Pediatric Psychiatric Emergency Department Utilization and Fine Particulate Matter: A Case-Crossover Study
  14. A.L. Roberts et al. (2013). Perinatal Air Pollutant Exposures and Autism Spectrum Disorder in the Children of Nurses’ Health Study II Participants
  15. X. Zhang et al. (2018). The impact of exposure to air pollution on cognitive performance
  16. S. Künn et al. (2019). Indoor Air Quality and Cognitive Performance.
  17. I.M. Carey et al. (2018). Are noise and air pollution related to the incidence of dementia? A cohort study in London, England.
  18. G.G. Thimmegowda et al. (2020). A field-based quantitative analysis of sublethal effects of air pollution on pollinators.
  19. WHO (2020). Air pollution. www.who.int/health-topics/air-pollution
  20. A.E. Budson (2020). Does air pollution cause Alzheimer’s disease? https://www.health.harvard.edu/blog/does-air-pollution-cause-alzheimers-disease-2020072320627
  21. J. Kilian & M. Kitazawa (2018). The emerging risk of exposure to air pollutionon cognitive decline and Alzheimer's diseaseeEvidence from epidemiological and animal studies
  22. European Environment Agency (2020). Healthy environment, healthy lives: how the environment influences health and well-being in Europe.
  23. J.E. Fisher, et al. (2016). Physical Activity, Air Pollution, and the Risk of Asthma and Chronic Obstructive Pulmonary Disease.