Neues Modell

Quantifizierung der chemischen Effekte von Luftschadstoffen

Forscher entwickeln ein Modell, das die chemische Exposition-Wirkungsbeziehung zwischen Luftschadstoffen und reaktiven Sauerstoffverbindungen in der Oberflächenflüssigkeit der Atemwege liefert.

Bedeutung von Luftschadstoffen

Das neue Modell liefert eine quantitative Grundlage, um die Bedeutung von Luftschadstoffen zu bewerten. | Ulrich Pöschl, MPI für Chemie

Luftverschmutzung kann zu oxidativem Stress und negativen Auswirkungen auf die Gesundheit wie Asthma und andere Atemwegserkrankungen führen. Die zugrunde liegenden chemischen Prozesse sind bisher jedoch nicht gut charakterisiert. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz, Deutschland, und der University of California in Irvine, USA, haben jetzt ermittelt, wie die chemischen Wirkungsbeziehungen zwischen Umgebungskonzentrationen von Luftschadstoffen und den Produktionsraten und Konzentrationen von reaktiven Sauerstoffverbindungen (ROS) in der Epithel-Oberflächenflüssigkeit (ELF) der menschlichen Atemwege sind.

Quantitative Grundlage zur Bewertung

Sie fanden heraus, dass in stark verschmutzten Umgebungen, Ozon und Feinstaub, der Metallionen und organische Aerosole enthält, die ROS-Konzentrationen in der ELF auf Werte erhöhen können, die charakteristisch für Atemwegserkrankungen sind. Die neuen chemischen Exposition-Wirkungsbeziehungen liefern eine quantitative Grundlage, um die Bedeutung spezifischer Luftschadstoffe in verschiedenen Regionen der Welt zu bewerten.

Die anthropogene Luftverschmutzung führt auf lokaler, regionaler und globaler Ebene zu einem massiven Anstieg von atmosphärischen Aerosolpartikeln und Spurengasen. So kann die Konzentration von Feinstaub mit Partikeldurchmessern kleiner als 2,5 Mikrogramm (PM2,5) in der verschmutzter Luft von Ballungsräumen bis zu mehreren hundert Mikrogramm pro Kubikmeter betragen. Dies ist zehn bis hundert Mal höher als beispielsweise in der reinen Luft eines Regenwaldes.

Radikal-Reaktionszyklen möglich

Feinstaub enthält in der Regel chemische Komponenten, die Oxidationsreaktionen auslösen können. Solche Bestandteile sind Metalle wie Kupfer und Eisen aber auch organische Verbindungen, die aus Verkehrsemissionen, Zigarettenrauch und anderen Quellen stammen. Werden sie eingeatmet und im menschlichen Atemtrakt abgelagert, können sie Radikal-Reaktionszyklen auslösen und aufrecht erhalten, durch die reaktive Sauerstoffverbindungen (ROS) in der Epithel-Oberflächenflüssigkeit gebildet werden. Diese Schicht bedeckt die Atemwege und die Lungenbläschen.

Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass eine übermäßige Konzentration an ROS wie Wasserstoffperoxid (H2O2) und Hydroxylradikalen (OH) oxidativen Stress verursachen kann. Das wiederum kann Zellen und Gewebe des Atemtrakts verletzten. Um zu verstehen, wie genau Luftverschmutzung zu negativen gesundheitlichen Auswirkungen wie Asthma, Allergien und anderen Atemwegserkrankungen führt, ist die Charakterisierung der ROS-Bildung somit von entscheidender Bedeutung. Allerdings wurden die ROS-Produktionsraten und Konzentrationen, die durch Luftschadstoffe in der Epithel-Oberflächenflüssigkeit (ELF) entstehen, bisher kaum quantifiziert.

Produktionsraten und Konzentrationen

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz und der University of California in Irvine, USA, haben diese Lücke jetzt mit einer Studie geschlossen, die gerade erst veröffentlicht wurde.

„Wir können nun die bisher unbekannten ROS-Produktionsraten und charakteristischen Konzentrationen ermitteln, die in der Oberflächenflüssigkeit der Atemwege durch Luftschadstoffe erzeugt werden. Dazu benutzen wir ein neues detailliertes Computermodell, das alle relevanten chemischen Reaktionen abbildet“, erklärt Pascale Lakey, Wissenschaftlerin am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz.

In der Reinluft von Regenwäldern liegen die PM2,5-Konzentrationen typischerweise unter 10 Mikrogramm pro Kubikmeter (g m-3). Unter solch sehr sauberen Bedingungen bewirkt die geringe ROS-Menge, die durch inhalierten Feinstaub chemisch erzeugt wird, keinen oxidativen Stress. Die Konzentration ist kleiner als der natürliche, physiologische ROS-Hintergrundpegel in der ELF, der bei etwa 100 Nanomol pro Liter liegt. In mäßig verschmutzter Luft mit PM2.5-Werten zwischen 10 und 50 Mikrogramm pro Kubikmeter ist die durch Partikel erzeugte ROS-Menge ähnlich oder größer als der physiologische Hintergrundpegel. Sie kann in Abhängigkeit von der Konzentration und der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel zu oxidativem Stress führen.