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Luftqualität

Stickoxide: Wie sie entstehen und was sie so gefährlich macht

Die anhaltende Diskussion über verkehrsbedingte Luftverschmutzung bringt Stickoxide in aller Munde. Doch auch in Innenräumen können hohe Konzentrationen von Stickstoffdioxid auftreten, was zusätzlich schwerwiegende gesundheitliche Probleme nach sich ziehen kann.

Maria Heß

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Seit vielen Wochen reißt die Debatte um Gefahren von Dieselmotoren und drohende Dieselfahrverbote in Deutschland nicht ab. Im Februar dieses Jahres befeuerten einige Lungenärzte erneut die ohnehin schon hitzige Diskussion mit ihren Zweifeln an den bestehenden Grenzwerten. Obwohl sich diese Kritik mittlerweile als nicht haltbar erwiesen hat, bricht das öffentliche Interesse an Stickoxiden nicht ab. So wiederholte der Komiker Mario Barth in seiner letzten Sendung „Mario Barth deckt auf“ – in der auch unser air-Q zum Einsatz kam – die Skepsis an den international festgelegten Grenzwerten. Bereits einen Tag zuvor widmete sich die Satiresendung „Die Anstalt“ ebenfalls dem Thema Stickoxidgrenzwerte und widerlegte die Grenzwertskeptiker.

Während viele Dieselfahrer mittlerweile befürchten, in ihrer individuellen Mobilität eingeschränkt zu werden, erkennen Gesundheitsexperten in der stetig zunehmenden Luftverschmutzung eine wachsende Gefahr für unser aller Wohlbefinden. So lud die Weltgesundheitsorganisation (WHO) Mitte Februar 2019 Experten nach Genf ein, um sich mit ihnen über die gesundheitlichen Risiken von Luftverschmutzung und möglichen Gegenmaßnahmen auszutauschen. Dabei liegt der Fokus des Diskurses längst nicht mehr allein bei der Verschmutzung der Außenluft. Die Luftqualität von Innenräumen ist gefährlich gewinnt in diesem Zusammenhang immer mehr an Aufmerksamkeit. Neben Feinstäuben und flüchtigen organischen Substanzen bieten hier vor allem Stickoxide einen konkreten Anlass für eine tiefer greifende Auseinandersetzung.

Was sind Stickoxide?

Stickoxide Entstehung Außenluft

In der Außenluft befinden sich bis zu sieben verschiedene Stickoxide. Verbindungen von Stickstoff und Sauerstoff zu Stickoxidverbindungen bilden sich ausschließlich bei endothermen Reaktionen, also nur bei einer Energiezufuhr von außen. Als zumeist unerwünschtes Nebenprodukt verschiedenster Verbrennungsprozesse, kann die Entstehung von Stickoxiden sowohl auf natürliche als auch auf vom Menschen hervorgerufene (anthropogene) Ursachen zurückgeführt werden.
Das natürliche Vorkommen von Stickoxiden in der Erdatmosphäre lässt sich vornehmlich auf das Auftreten von Blitzen zurückführen. Für die Stickstoffkonzentration in der mittleren und oberen Troposphäre sind dabei die Blitzfrequenz wie auch die Blitzlänge entscheidend. In diesem Teil der Atmosphäre zeichnen sich nach verschiedenen Studien Blitze für bis zu 90 % der Stickoxide verantwortlich.

Als die größten Stickoxidemittenten in der unteren Troposphäre gelten neben der Kraftstoffverbrennung im Straßenverkehr vor allem Feuerungsanlagen für fossile Energieträger wie Kohle, Erdöl, Erdgas und Holz sowie für Abfälle. In geschlossenen Räumen sorgt nicht nur die von außen eindringende Luft für eine Stickoxidbelastung. Weiterhin steigt die Stickoxidkonzentration der Atemluft durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zum Beispiel beim Kochen oder beim Beheizen von Kaminen und Kohleöfen. Auch die Entstehung des Treibhausgases Distickstoffoxid, bekannt als Lachgas, wird aufanthropogene Ursachen zurückgeführt. Dabei entsteht Lachgas nicht nur durch die Verbrennung fossiler Rohstoffe. Besonders die Düngung mit stickstoffhaltigen Düngemitteln in der Landwirtschaft trägt entscheidend zur Bildung von Lachgas (N₂O) bei. Die für die Luftqualität maßgeblichen Stickoxide sind allerdings Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO₂). In dicht besiedelten urbanen Regionen kann die Konzentration der beiden Gase zusammengenommen oftmals einen Wert von 500 µg/m³ überschreiten, wobei Stickstoffmonoxid in der Luft zu Stickstoffdioxid oxidiert. Weiterhin kann durch die Reaktion von NO₂ mit Wasser salpetrige Säure (HNO₂) entstehen, die ebenfalls zu den Umgebungsschadstoffen zählt. Zusätzlich gilt Stickstoffdioxid als Vorprodukt für zahlreiche sekundäre Schadstoffe, wie Salpetersäure oder auch anorganische Aerosole und Photooxidantien (z.B. Ozon).

Warum brauchen wir Grenzwerte für Stickoxide?

Diese vom Menschen verursachte Stickoxidbelastung birgt schwerwiegende Folgen für das Ökosystem. So sind Stickoxide an der Bildung von Ozon und Smog in der Atmosphäre beteiligt. Außerdem trägt beispielsweise die aus der Reaktion von Stickoxiden gebildete Salpetersäure erheblich zur Entstehung sauren Regens bei. Besonders Stickstoffdioxid ist mitverantwortlich für die Überdüngung und Versauerung von Böden und teilweise auch von Gewässern.Weiterhin kann Stickstoffdioxid bei Pflanzen zu Kümmerwuchs, vorzeitiger Alterung und Nekrosen (d.h. lokales Absterben von Gewebe) führen.

Messwert Stickstoffdioxid
Mehr zum Messwert Stickstoffdioxid.

Seit 2004 wurden zahlreiche Studien veröffentlicht, die einen Zusammenhang belegen zwischen den täglichen Schwankungen der Stickstoffdioxidkonzentration und Veränderungen im Auftreten von Atemwegsbeschwerden, Einlieferungen in Krankenhäusern und sogar der Sterblichkeit. Weitere Studien zeigen zudem eine Verbindung zwischen Krankheits- sowie Sterblichkeitsraten und einer langfristigen Exposition durch Stickstoffdioxid. Alle bisher veröffentlichten Kurzzeit- wie Langzeitstudien bestätigen diese schädlichen Auswirkungen von Stickstoffdioxid schon bei Konzentrationen am Rande oder sogar unterhalb der EU-Grenzwerte. Dieser Grenzwert orientiert sich an den Empfehlungen der WHO, die als Jahresgrenzwert 40 µg/m³ und als 1-Stunden-Grenzwert 200 µg/m³ festgelegt hat. Die Erkenntnisse aus toxikologischen Untersuchungen und Studien in geschlossenen Räumen legen eine kausale Interpretation zwischen Stickstoffdioxid und Auswirkungen auf die Atemwege nahe. Daher erwägt die Weltgesundheitsorganisation, ihre Empfehlungen der Grenzwerte für Stickstoffdioxid dementsprechend anzupassen. Im Zuge dessen fordert die WHO einerseits einen kurzfristig angesetzten und epidemiologisch begründeten Leitfaden. Andererseits verlangt sie eine auf den aktuellen Erkenntnissen beruhende Richtlinie für die jährlichen Durchschnittswerte.

Ein Teil der Studien wurde im Innenraum durchgeführt, wo Stickstoffdioxid durch unventilierte Verbrennungsgeräte gezielt erzeugt wird. Andere Studien widmeten sich der Außenluft, in der Stickstoffdioxid lediglich ein Bestandteil des Luftgemisches bildet. Diese komplexe Wechselbeziehung der einzelnen Luftkomponenten erschwert die Interpretation jener Studien, da die Ursachen nachweisbarer gesundheitlicher Auswirkungen nicht eindeutig NO₂ zugeordnet werden können. Aus diesem Grund werden meisten Rückschlüsse über die gesundheitsschädigenden Effekte von Stickstoffdioxid aus in Innenräumen vorgenommene toxikologische Untersuchungen sowie Beobachtungsstudien gezogen.

Trotzdem können auch Studien zur Qualität der Umgebungsluft Aussagen über die gesundheitsschädlichen Effekte von Stickoxiden treffen. So konnten beispielsweise schädliche Auswirkungen von Stickstoffdioxid bei festgelegten Belastungsraten anderer Schadstoffe nachgewiesen werden. Auch konnte eine Änderung der Effektevon Feinstäuben durch Stickstoffdioxid belegt werden.

Gesundheitsschädliche Auswirkungen von Stickstoffdioxid

Eine Belastung durch Stickstoffdioxid kann verschiedene körperliche Folgen nach sich ziehen. Dazu gehören u.a.:

  • Schädigungen der Schleimhautgewebe
  • Reizungen der Augen
  • Schädigungen des gesamten Atemtrakts
  • Erhöhtes Risiko für Herz-Kreislauf-Erkrankungen
  • Erhöhtes Risiko für Diabetes Typ II
  • Zunahme der Sterblichkeit sowie der ursachenspezifischen Krankenhauseinweisungen in der Gesamtbevölkerung

Da Stickstoffdioxid eine vergleichsweise geringe Wasserlöslichkeit vorweist, wird es nicht in den oberen Atemwegen, also dem Mund- und Rachenraum sowie der Nase und der Nasennebenhöhlen, gebunden.Demzufolge erreicht der Schadstoff die unteren Atemwege wie Bronchien und Alveolen und kann dort Entzündungen und Schädigungen der Zellgewebe verursachen. In den Bronchien kann durch NO₂ eine Überempfindlichkeit entstehen, welche die Entwicklung allergischer Erkrankungen der Atemwege begünstigt.

Die stete Zunahme allergischer Beschwerden besonders in schadstoffreichen, urbanen Gebieten lässt einen Zusammenhang vermuten zwischen einer Stickoxidbelastung und allergiebedingten Immunreaktionen. Mehrere Studien sind mittlerweile zu der Schlussfolgerung gelangt, dass die in der Atemluft befindlichen Stickoxide an allergene Proteine andocken. Diese nitrierten Allergene fördern vermutlich die Produktion von Antikörpern, die zur Immunabwehr Histamin und histaminähnliche Substanzen freisetzen und somit allergische Reaktionen hervorrufen. Besonders durch die Luftverschmutzung im verkehrs belasteten städtischen Raum können Stickoxide das Allergiepotenzial von Pollen und Feinstäuben erhöhen. Feuchter Sommersmog kann die Nitrierungsrate noch vergrößern, wodurch schon innerhalb weniger Stunden in der Luft befindliche Proteine mit Stickstoff angereichert sind. Daher besteht der berechtigte Verdacht, dass eine Stickoxidbelastung der Luft die Entstehung von Allergien begünstigen und die Reaktionen bei Allergiepatienten verstärken. Zu den typischen damit verbundenen Krankheitserscheinungen zählen neben allergischer Rhinitis (Heuschnupfen), Asthma bronchiale, atopischen Ekzemen(Neurodermitis) und anaphylaktischen Schocks auch Nesselsucht sowie Sinusitis.

Zwischen 2014 und 2016 konnten sowohl die Weltgesundheitsorganisation, das schweizerische Tropen- und Public Health Institut (Swiss TPH), als auch die Gesundheitsbehörden von Kanada (Canada Health) und den USA (U.S. EPA) in Kurzzeitstudien Zusammenhänge zwischen einer Belastung durch Stickstoffdioxid und einer Steigerung der Gesamtmortalität und der durch Herz-Kreislauf- sowie durch Atemwegserkrankungen bedingten Sterblichkeit aufdecken. Für das Jahr 2014 wurden bei einer unteren Quantifizierungsgrenze von 10 µg/m³ NO₂ über einen längeren Zeitraum insgesamt 5.966 vorzeitige Todesfälle auf die Belastung durch Stickstoffdioxid zurückgeführt. In diesem Zusammenhang wurden die verlorenen Lebensjahre weltweit auf insgesamt 49.726 geschätzt.
Auch der Anstieg kardiopulmonaler, also Herz und Lunge zugleich betreffender, Notfälle sowie die Zunahme der Krankenhausaufenthalte aufgrund von Beschwerden des Herz-Kreislauf-Systems sowie der Atemwege wurden mit einer Erhöhung der Stickstoffdioxidwerte assoziiert.

Stickstoffdioxid Grafik: Verkehrsclub Österreich (VCÖ) 2015 Quelle: Sottropietra
Grafik: Verkehrsclub Österreich (VCÖ) 2015; Quelle: Sottropietra

Für das Risiko, durch eine langfristige Stickstoffdioxidexposition an Diabetes mellitus zu erkranken, gibt es mittlerweile moderate Evidenzen. Evidenzen bezeichnen in diesem Kontext jene Ergebnisse, die sich konsistent in Studien zeigen und damit auf einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten bestimmter Erkrankungen und Stickstoffdioxid schließen lassen. Ob diese moderat oder stark ausfallen, liegt an der Anzahl der durchgeführten Studien. Die bisher veröffentlichen Untersuchungen beziehen in ihre Beobachtungen Diabetes-typischer körperlicher Beeinträchtigungen lediglich diabetisch bedingte Nervenleiden sowie den sogenannten „Diabetikerfuß“ ein. Andere durch Diabetes verursachte Leiden, wie Herzmuskelerkrankung und Nephropathie, fanden dabei keine Beachtung. Daher ist sogar von einer Unterschätzung NO₂-bedingter Behinderungen auszugehen.

NebenTyp-2-Diabetes zeigen sich noch weitere konsistent beobachtete gesundheitliche Folgen von Stickstoffdioxidexposition. Dazu zählen u.a. die Erkrankungsrate (Morbidität) durch Bluthochdruck aber auch Sterblichkeitsrate (Mortalität) aufgrund von Herzinsuffizienz und ischämische Herzkrankheit (IHK) sowie Schlaganfällen.

Durch seine reizende und erstickende Eigenschaft, schädigt das Gas NO₂ besonders den Atemtrakt. Mittlerweile geben konsistente Ergebnisse zahlreicher Studien eine starke Evidenz, dass Stickstoffdioxid die Entstehung der chronisch obstruktiven Lungenerkrankung (COPD) begünstigt. Weitere Studien belegen einen Zusammenhang zwischen einer Stickstoffdioxidbelastung und zahlreichen Schädigungen der Atmungsorgane. Zu diesen zählen – je nach Dauer der Exposition und der aufgenommenen Schadstoffmenge – akute Lungenödeme, Entzündungen der Bronchiolen oder auch die asthma-ähnliche reaktive Atemwegserkrankung.Zusätzlich zeichnet sich NO₂ mitverantwortlich für eine erhöhte bronchiale Reaktivität und damit für die Entstehung von Asthma bronchiale sowie darüber hinaus für eine Verengung der Bronchien und einer insgesamt erhöhten Anfälligkeit für respiratorische Infekte. Besonders über einen längeren Zeitraum von mehreren Jahren betrachtet, birgt eine Belastung mit Stickstoffdioxid die Gefahr einer Beeinträchtigung der Lungenfunktion bei Erwachsenen beziehungsweise des Wachstums der Lunge bei Kindern. Außerdem steigen das Lungenkrebsrisiko sowie das Risiko eines verringerten Geburtsgewichts von Neugeborenen.

Maßnahmen gegen eine Stickstoffdioxidbelastung

Laut der WHO leben mittlerweile 91 % der Erdbevölkerung an Orten, an denen die Luftschadstoffe die empfohlenen Grenzwerte überschreiten. Weltweit werden 4,2 Millionen Todesfälle auf Luftverschmutzung der Außenluft und nochmals 3,8 Millionen Todesfälle auf eine Schadstoffbelastung der Innenraumluft zurückgeführt. Diese dramatischen Zahlen offenbaren einen dringenden Handlungsbedarf zur Verringerung der Luftschadstoffe allgemein und von Stickstoffdioxid im Besonderen. Die notwendigen Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität bedürfen politischer Regulationen aber auch individueller Lösungsansätze.

Politische Maßnahmen:

  • Umfangreiche Veränderungen in der kommunalen wie nationalen Verkehrsplanung: Ausweitung alternativer Antriebssysteme, wie Elektromotoren und das Tanken mit Flüssiggasen, Einführung von Umweltzonen zur Schadstoffbegrenzung schwerbelasteter Gebiete, Ausbau des öffentlichen Personennahverkehrs sowie der Fahrradinfrastruktur etc.
  • Schrittweiser Ausstieg aus einer auf fossilen Brennstoffen beruhenden Energieversorgung und zeitgleicher Ausbau erneuerbarer Energien abseits von Verbrennungsprozessen
  • Umsetzung einer nachhaltigen Land- sowie Forstwirtschaft
  • Eine weitere, durchaus umstrittene Maßnahme ist der Einsatz des sogenannten Cloud Seeding, wobei mit Flugzeugen spezielle Chemikalien freigesetzt werden, die die Bildung von Wolken beschleunigt und durch den Niederschlag Luftschadstoffe bindet

Individuelle Maßnahmen:

  • Umfangreiche und präzise Echtzeit-Messungen mit spezifischen Sensoren zur Verhinderung falscher Klassifikationen von Schadstoffen, zur besseren Identifizierung der Hauptschadstoffquellen sowie deren Spitzenwerten wie Langzeitexpositionen
  • Auch in Innenräumen nach Möglichkeit auf Verbrennungsprozesse verzichten, z.B. Rauchen, Kochen auf Gasherden oder Grillen in unmittelbarer Nähe, etc.
  • Einsatz von Luftreinigern, wobei darauf geachtet werden sollte, dass bei der Filterung der Schadstoffe nicht andere Schadstoffe, wie Ozon, genutzt werden.
  • Überdenken des eigenen Mobilitäts- und Konsumverhaltens: möglichst saisonal und regional einkaufen, Produkte selbst herstellen bzw. reparieren, im Einzelhandel einkaufen statt Waren nach Hause liefern zu lassen, auf Fahrrad und ÖPNV umsteigen, etc.
Stickstoffdioxid Expertin Maria Hess
E-Mail: info@air-q.com
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