Forschungsprojekt: Elektronenmikroskopische Charakterisierung ultrafeiner Umweltpartikel
Kurzbeschreibung:
Partikuläre Luftinhaltsstoffe bilden, wenn sie dispers in der Luft verteilt sind, mit den Gasen kolloidale Systeme, die auch als Aerosol bezeichnet werden. Der Begriff umfasst sowohl „feste“ (Stäube) als auch „flüssige“ Partikel (Nebel). Neben den natürlichen Aerosolquellen (z.B. Seesalz der Meere, Vulkanausbrüche, aufgewirbelter Saharasand) und biogenen Aerosolen (z.B. Pollen, Sporen, Bakterien, Viren) spielen anthropogene Quellen (z.B. Verbrennungsprozesse) eine wichtige Rolle. Nach ihrer Freisetzung bilden die anorganischen und organischen Reaktionszwischenprodukte schnell ultrafeine Partikel (Nukleation), die im weiteren Verlauf aus thermodynamischen Gründen zu größeren Einheiten aggregieren (Koagulation). Die Partikel der feinen Fraktion entstehen primär durch diese Umwandlungsprozesse aus Gasen oder im Rahmen von Verbrennungsprozessen. Sie setzen sich typischerweise zusammen aus Nitraten, Sulfaten, Ammonium, elementarem Kohlenstoff, einer großen Anzahl organischer Verbindungen und Spurenelemente. Die Partikel in der groben Feinstaubfraktion entstehen hingegen weitgehend durch mechanische Prozesse wie Erosion, Aufwirbelung und durch den Zerfall größerer fester Partikel. In städtischer Umgebung beinhaltet diese Fraktion typischerweise aufgewirbelten Staub von Straßen und von industriellen Prozessen, sowie biologisches Material wie Pollen und Bakterien und deren Fragmente. Sie enthält ebenfalls vom Wind getragenes Erdkrustenmaterial aus landwirtschaftlichen Prozessen, unbedecktem Boden, Schotterstraßen und Bergbauaktivitäten.
Vor diesem Hintergrund wird klar, dass Umweltaerosole äußerst komplexe dynamische Systeme sind, die im zeitlichen Verlauf beständigen Veränderungen unterworfen sind, die u.a. ihr Verhalten und ihren Verbleib in der Atmosphäre wesentlich beeinflussen.
Typische Quellen für Stäube in der Außenluft sind verschiedene Verbrennungsprozesse, der Straßenverkehr und Industrieprozesse, während in Wohninnenräumen insbesondere Zigarettenrauch, andere Verbrennungsprozesse (z.B. beim Kochen und Heizen) eine Rolle spielen können. Bei Feinstaub handelt es sich um eine Mischung aus verschiedenen Komponenten mit unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften. Dabei können verschiedene Eigenschaften relevant für unterschiedliche gesundheitliche Wirkungen sein.
Primär wird Feinstaub anhand der Größe der Partikel charakterisiert. Daraus resultieren die Bezeichnungen PM10, PM2,5 etc. sowie die Einteilung in eine grobe Fraktion (coarse fraction, PM10-PM2,5), eine feine Fraktion (PM2,5) und eine ultrafeine Fraktion (PM0,1). In Abhängigkeit von der Größe können Partikel unterschiedlich weit in den Atemtrakt gelangen. Es wird daher angenommen, dass feinere Partikel stärkere Gesundheitseffekte hervorrufen als gröbere. Experimentelle Studien weisen darauf hin, dass ultrafeine Partikel stärkere Effekte auslösen, aber auch die chemische Zusammensetzung der Stäube eine große Bedeutung für die Wirkung hat. So scheinen z.B. Metalle eine wichtige Rolle bei der Entzündungsreaktion in der Lunge, den kardiovaskulären Effekten und auch bei allergischen Reaktionen zu spielen.
Die Zusammensetzung des Umweltaerosols ist äußerst komplex und enthält sehr unterschiedliche Partikel, die sich insbesondere in Größe, Form und chemischer Zusammensetzung erheblich unterscheiden können. Während die größeren Partikel dabei überwiegend die Masse des Umweltaerosols bestimmen, wird die Anzahlkonzentration und auch die Oberfläche fast ausschließlich durch die sehr kleinen Partikel dominiert. Ultrafeine Partikel lassen sich insbesondere als Partikelanzahlkonzentration mit dem Prinzip des Kondensationskernzählers (CNC/CPC) bestimmen. Da die als Messgröße dienende Lichtabsorption mit dem Partikeldurchmesser stark abnimmt, werden die Feinpartikel künstlich (z.B. durch Anlagerung von Butanol) vergrößert. Zur Bestimmung von Korngrößen kann dem Kondensationskernzähler ein elektrischer Klassierer (DMA, Differential Mobility Analyzer) vorgeschaltet werden. Dabei werden die im Messgasstrom enthaltenen Partikel nach ihrer elektrischen Mobilität im Anschluss an eine elektrische Aufladung getrennt. Eine Kombination aus Kondensationskernzähler und elektrischem Klassierer wird auch als DMPS (Differential Mobility Particle Sizer) oder SMPS (Scanning Mobility Particle Sizer) bezeichnet.
Die chemische und physikalische Zusammensetzung der Partikel des Umweltaerosols, insbesondere der ultrafeinen Partikelfraktion, ihre Größe, Oberfläche, Form, Anzahl usw. müssen besser charakterisiert werden. Hier sind dringend Studien notwendig, die zu einem besseren Verständnis der Art und Zusammensetzung der luftgetragenen Partikel aus den unterschiedlichen Quellen führen. Derartige Informationen fehlen weitgehend.
Laufzeit: 2014 bis 2017