Schlüsselwörter
Luftverschmutzung - öffentliche Gesundheit - Herz-Kreislauf-Erkrankungen
Keywords
air pollution - public health - cardiovascular diseases
Luftverschmutzung ist eine bedeutsame Ursache für Krankheiten und vorzeitige Todesfälle.
Besonders Feinstaub ist gesundheitlich bedenklich, da er tief in die Atemwege vordringen
und sowohl lokal als auch systemisch negativ über oxidativen Stress und entzündliche
Prozesse wirken kann. Aktuelle Schätzungen gehen von einer globalen Übersterblichkeit
von etwa 5 bis mehr als 10 Millionen vorzeitigen Todesfällen pro Jahr durch Luftverschmutzung
aus, wobei Herz-Kreislauf-Erkrankungen für einen Großteil der Todesfälle verantwortlich
sind. Präventive Maßnahmen zum Schutz der öffentlichen Gesundheit sind zwingend erforderlich.
Glossar
COPD:
chronisch obstruktive Lungenerkrankung
EU:
Europäische Union
GBD:
Global Burden of Disease
GEMM:
Global Excess Mortality Model
IHK:
ischämische Herzerkrankung
IUA:
Infektion der unteren Atemwege
LK:
Lungenkrebs
SA:
Schlaganfall
WHO:
World Health Organization
Einleitung
Luftverschmutzung ist ein vorherrschendes Risiko für die öffentliche Gesundheit, gleich
zu bewerten wie die Risiken des Tabakrauchens, Übergewichts und Diabetes, was zu Morbidität
und vorzeitiger Letalität führt [1]
[2]. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat gasförmige Schadstoffe und Feinstaub
als signifikante Risikofaktoren für Infektionen der Atemwege, chronisch obstruktive
Lungenerkrankungen (COPD), Lungenkrebs sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen identifiziert,
die zu Herzinfarkten und Schlaganfällen führen. Weltweit verursachen Krankheiten aufgrund
von Luftverschmutzung mehr Todesopfer als HIV/AIDS, Tuberkulose und Malaria zusammen
und sind jedes Jahr für wirtschaftliche Verluste in Höhe von Billionen Euros verantwortlich
[1].
Die letzte Aktualisierung der Luftqualitätsrichtlinien durch die WHO erfolgte im Jahr
2005 und befürwortete obere Schwellenwerte für Feinstaub mit einem Durchmesser von
weniger als 10 µm und 2,5 µm (PM10 und PM2,5), Ozon (O3) und Stickstoffdioxid (NO2) und Schwefeldioxid (SO2). Viele Länder haben die Richtlinie für den Jahresmittelwert für NO2 von 40 µg/m3 übernommen, beispielsweise die Europäische Union (EU – einschließlich Deutschland),
während nur wenige Länder die Richtlinie für PM2,5 von 10 µg/m3 umgesetzt haben. Viele Länder haben höhere Schwellenwerte definiert oder regeln die
Luftqualität überhaupt nicht. In der EU und in Deutschland beträgt der jährliche PM2,5-Luftqualitätsstandard
25 µg/m3, während der „mittlere Belastungsindikator“, basierend auf 3-jährigen Durchschnittskonzentrationen,
20 µg/m3 betragen soll. Dies hat jedoch keinen rechtlichen Status, und die EU empfiehlt die
Umsetzung auf nationaler Ebene, was aber nicht stattgefunden hat. Dies ist besorgniserregend,
insbesondere weil vor Kurzem durchgeführte Studien deutliche gesundheitliche Auswirkungen
unterhalb der aktuellen Luftqualitätsrichtlinien gezeigt haben [3].
In Deutschland sind die Emissionen von Luftschadstoffen seit Jahrzehnten zurückgegangen,
insbesondere zwischen 1990 und 2000, während in den letzten 20 Jahren die Emissionsreduktionen
fortgesetzt wurden, jedoch langsamer ([Abb. 1]). Erwähnt werden sollte, dass der starke Emissionsrückgang nach 1990 weitgehend
auf den Zusammenbruch der Industrie und die Sanierung von Kraftwerken in Ostdeutschland
zurückzuführen ist, wo die Luftverschmutzung in der Zeit vor der Wiedervereinigung
außerordentlich hoch war. Die starken Ammoniakemissionen aus der Landwirtschaft, einem
Gas, das in der Atmosphäre Ammoniumsalzpartikel bildet, sind seit mehr als 25 Jahren
weitgehend unverändert geblieben. Derzeit wird die jährliche WHO-Richtlinienkonzentration
für PM2,5 (10 µg/m3) immer noch überschritten, obwohl die Anzahl der Überschreitungen im Vergleich zu
früheren Jahren zurückgegangen ist [4].
Abb. 1 Emissionsminderung von Luftschadstoffen in Prozent im Vergleich zu 1990. NMVOC sind
flüchtige (nicht-Methan-)organische Verbindungen, die zur Bildung von Ozon und organischen
Partikeln beitragen (Daten nach [4]).
Luftverschmutzung ist ein bedeutsamer Risikofaktor für die Gesundheit. In Deutschland
sind die Emissionen von Luftschadstoffen in den letzten Jahrzehnten zurückgegangen,
wobei die jährliche WHO-Richtlinienkonzentration für PM2,5 von 10 µg/m3 immer noch überschritten wird.
Die Belastung durch PM2,5
Die Belastung durch PM2,5
In der Luft suspendierte Feinstaubpartikel bestehen aus einer Mischung von Staub,
Ruß, anorganischen Säuren, Salzen und flüchtigen organischen Verbindungen. Direkte
Freisetzungen von Partikeln in die Atmosphäre werden als Primäremissionen definiert
und können sowohl natürlich (z. B. Wüstensand, Pollen, Vulkanasche oder Partikel aus
Wald- und Buschbränden) als auch anthropogen sein. Letztere umfassen Verbrennungsprodukte
(z. B. Flugasche, Ruß, primären organischen Kohlenstoff), Brems- und Reifenverschleiß
sowie Produkte aus industriellen Öfen. Sekundärpartikel werden in der Atmosphäre chemisch
aus Vorläufergasen wie SO2 und NO2 gebildet, die größtenteils mit der Nutzung fossiler Brennstoffe verbunden sind und
zu Säuren oxidiert werden, die dann mit Ammoniak (NH3) Salze bilden. Das NH3 wird aus der Landwirtschaft freigesetzt, insbesondere aus der intensiven Tierhaltung
und der Verwendung von Düngemitteln.
Organische Gase, die durch Verkehr, häusliche Kleinfeuer, petrochemische Industrie
und die Verflüchtigung von Lösungsmitteln freigesetzt werden, können zu Reaktionsprodukten
oxidiert werden und die sekundären organischen Partikel bilden. Auch können Primär-
und Sekundärpartikel in der Atmosphäre mit toxischen Substanzen wie Schwer- bzw. Übergangsmetallen
oder bakteriellen und pilzlichen Entzündungstreibern (z. B. Endotoxine) beladen werden
oder die Oberfläche organischer Partikel kann durch die UV-Strahlung sowie Reaktion
mit Ozon oder Stickoxiden noch reaktiver werden. Dieser als „Partikel-Alterung“ bezeichnete
Prozess könnte nachhaltig zur Toxizität der atmosphärischen Partikel beitragen. Das
Gemisch aus primären und sekundären Teilchen stellt Feinstaub dar und ist für die
öffentliche Gesundheit besonders relevant, da dieser tief in die Atemwege eindringen
und sowohl lokal (Lunge) als auch systemisch (Herz-Kreislauf sowie Gehirn) negativ
wirken kann. [Abb. 2] zeigt die jährlichen durchschnittlichen PM2,5-Konzentrationen in Deutschland.
Abb. 2 Jährliche mittlere PM2,5-Konzentrationen in Deutschland, abgeleitet aus Luftqualitätsstations-
und Satellitendaten (Daten nach [5]).
Feinstaubpartikel bestehen aus einer Mischung von Staub, Ruß, anorganischen Säuren,
Salzen und flüchtigen organischen Verbindungen, die primär emittiert (unmittelbare
Freisetzung an der Quelle) oder sekundär (durch gasförmige Vorläufersubstanzen) in
der Atmosphäre gebildet werden. Feinstaub ist gesundheitlich besonders bedenklich,
da er tief in die Atemwege vordringen und sowohl lokal als auch systemisch negativ
wirken kann.
Gesundheitsrisiken
Die Exposition mit PM2,5 kann zu einem chronischen Ungleichgewicht von oxidativen
und antioxidativen Prozessen (oxidativer Stress) führen, Entzündungsreaktionen begünstigen
und somit Einfluss auf die Entstehung von Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen
nehmen [6]. Oxidativer Stress kann entweder direkt durch Inhalation reaktiver Sauerstoffspezies
in PM2,5 erfolgen oder indirekt durch deren katalytische Erzeugung in der Epithelflüssigkeit
beim Inhalieren toxischer Partikelkomponenten [7]. Bei letzterem Prozess könnte die oben erwähnte Beladung der Partikel mit Schwer-
bzw. Übergangsmetallen sowie Endotoxinen und anderen Pyrogenen eine wesentliche Rolle
spielen. Die langfristigen Auswirkungen von Entzündungen in den Atemwegen können lokale
Konsequenzen haben, z. B. Asthma und Emphyseme, sowie chronisch systemische Folgen
wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen [8]. Darüber hinaus kann auch das Ozon durch oxidativen Stress zu Atemwegs- und Herz-Kreislauf-Erkrankungen
führen, einhergehend mit immunentzündlichen Reaktionen innerhalb der Lunge und darüber
hinaus [9].
Die Schädlichkeit von Feinstaub ist nur teilweise durch seine chemische Zusammensetzung
bedingt, da größere Teilchen chronische Reizungen der Atemwege auslösen können, während
die ultrafeinen Staubteilchen (Partikel kleiner als 0,1 µm) einfacher in die Blutbahn
gelangen können und zirkulatorisch andere Organe (sogar des Gehirns) beeinflussen.
Biopersistente Partikel, einschließlich Wüstenstaubkörner, die nicht vom Organismus
abgebaut werden, tragen zu systemischem pathophysiologischen Stress bei [10]. Infolge chronischer Belastung kann die Lebensfähigkeit von Alveolar-Makrophagen,
die für das Identifizieren und die Entfernung von Bakterien und anderen schädliche
Organismen verantwortlich sind, erheblich abnehmen [6]. Der physische und oxidative Stress aufgrund der Ablagerung von PM2,5 in der Lunge
und die daraus resultierenden Entzündungen verschlimmern insbesondere die
Pathogenese und den Schweregrad bereits bestehender Krankheiten. Eine Entzündung der
unteren Atemwege setzt Botenstoffe frei, die Entzündungsreaktionen im ganzen Körper
hervorrufen können, welche die Elastizität der Blutgefäße verringern sowie zu gestörter
Blutgerinnung, Arteriosklerose und Krankheiten beitragen und so zu Herzinfarkten und
Schlaganfällen führen [7]. Die Entzündungsreaktionen wurden auch mit Diabetes Typ 2 und neuropsychiatrischen
Störungen in Verbindung gebracht [11]
[12].
Die Exposition mit Feinstaub und Ozon kann zu einem erhöhten Risiko für Atemwegs-
und Herz-Kreislauf-Erkrankungen beitragen, die über oxidativen Stress und entzündliche
Prozesse sowie die begünstigte Ausbildung von Herz-Kreislauf-Risikofaktoren vermittelt
werden.
Gesundheitseffekte und Übersterblichkeit
Gesundheitseffekte und Übersterblichkeit
Wir berechnen die Belastung der Bevölkerung durch Luftverschmutzung mit einem dateninformierten
atmosphärischen Modellierungsansatz [13]. Zu den Datenquellen gehören satelliten- und bodengestützte Fernerkundungsstationen
sowie weltweit rund 4500 Standorte zur Überwachung der Luftqualität. Zur Bewertung
der Gesundheitseffekte verwenden wir das „Global Excess Mortality Model“ (GEMM), das
auf relativen Risikofunktionen basiert, die aus 41 Kohortenstudien in 16 Ländern abgeleitet
wurden [14]. Das Modell wurde verwendet, um die altersabhängigen Übersterblichkeitsraten und
die verlorenen Lebensjahre aus 5 Krankheitskategorien zu berechnen: Infektionen der
unteren Atemwege (IUA), die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), ischämische
Herzerkrankungen (IHK), Schlaganfälle (SA), Lungenkrebs (LK) sowie eine Kategorie,
die alle nicht übertragbaren Krankheiten plus IUA
beschreibt, aus der wir die „sonstigen“ nicht übertragbaren Krankheiten ableiten.
Letztere Kategorie kann aufgrund von begrenzten epidemiologischen Informationen nicht
spezifiziert werden und umfasst beispielsweise neurologische Störungen, Bluthochdruck
und Diabetes.
[Abb. 3] zeigt die Prozentsätze der Übersterblichkeit, die PM2,5 und O3 durch verschiedene Krankheitskategorien 3 unterschiedlichen Ländern zugeschrieben
werden. Sie zeigt, dass in Ländern mit mittlerem und hohem Einkommen Herz-Kreislauf-Erkrankungen
vorherrschen (IHK, SA), während in Ländern mit niedrigem Einkommen Infektionen der
unteren Atemwege, insbesondere bei Kindern, bedeutsam sind. In Afrika sterben immer
noch viele Kinder an einer Lungenentzündung, während dies in Europa eine geringfügige
Ursache für die Kindersterblichkeit ist. Weltweit tragen durch Luftverschmutzung verursachte
Herz-Kreislauf-Erkrankungen zu 45–50% zu frühzeitigen Todesfällen bei. Da die Kategorie
„Sonstige“ Bluthochdruck und Diabetes Typ 2 umfasst, die ebenso zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen
beitragen, ist diese Krankheitskategorie die wichtigste gesundheitliche Folge von
Luftverunreinigung. Es sollte erwähnt werden, dass das Mitzählen von
„sonstigen“ nicht übertragbaren Krankheiten zu höheren Schätzungen der Übersterblichkeit
führt als bei manchen anderen Bewertungen, wie beispielsweise bei den Global-Burden-of-Disease-Studien
(GBD) [2], die nur bestimmte Krankheiten berücksichtigen.
Abb. 3 Prozentuale Beiträge von Krankheitskategorien, die zu einer Übersterblichkeit durch
Luftverschmutzung beitragen. Die IUA sind die Infektionen der unteren Atemwege, COPD
ist die chronisch obstruktive Lungenerkrankung, SA steht für Schlaganfälle, IHK sind
die ischämischen Herzkrankheiten, LK ist Lungenkrebs, plus sonstige nicht übertragbare
Krankheiten (Daten nach [13]).
Unsere Ergebnisse für die EU legen nahe, dass die Luftverschmutzung jährlich etwa
592000 (95%-Konfidenzintervall 483000–701000) Todesfälle verursacht. Etwa 247000 (206000–285000)
pro Jahr werden auf ischämische Herzkrankheiten und Schlaganfälle zurückgeführt. In
Deutschland gibt es 123000 (102000–146000) frühzeitige Todesfälle pro Jahr, von denen
etwa 42200 auf ischämische Herzerkrankungen, 6700 auf Schlaganfälle und 47000 auf
andere nicht übertragbare Krankheiten zurückzuführen sind. Von den frühzeitigen Todesfällen
könnten potenziell bis zu 115000 (94000–136000) pro Jahr, das heißt 93%, durch Maßnahmen
zur Verringerung der Luftverunreinigung vermieden werden, davon 76000 (63000–89000)
pro Jahr (62%) durch die Umstellung von der Nutzung fossiler Brennstoffe auf erneuerbare
Energiequellen. Dies zeigt die großen Vorteile für die öffentliche Gesundheit, wenn
Deutschland sich ambitionierte Ziele für die Energiewende setzen würde.
Zur Bewertung der Gesundheitseffekte von Luftverschmutzung stehen neue Risikoschätzfunktionen
(GEMM) zur Verfügung, die zeigen, dass Luftverschmutzung jährlich etwa 592000 Todesfälle
in der EU verursacht, wobei ischämische Herzerkrankungen und Schlaganfälle für einen
Großteil dieser Todesfälle sorgen.
Diskussion
Basierend auf fast 5 Jahrzehnten epidemiologischer und biomedizinischer Forschung
wurde überzeugend gezeigt, dass Luftverunreinigung ein wichtiger Risikofaktor für
die öffentliche Gesundheit ist. Die WHO hat Richtlinienkonzentrationen für ihre Mitgliedstaaten
formuliert, die jedoch von den meisten Ländern, einschließlich Deutschland, unterboten
werden. Darüber hinaus werden die Empfehlungen der WHO derzeit geprüft, da gezeigt
wurde, dass gesundheitliche Auswirkungen bei PM2,5-Werten auftreten, die unter den
aktuellen Richtlinienkonzentration liegen, was in Ländern wie Australien und Kanada
bereits zu Verschärfungen unter 10 µg/m3 geführt hat. Die Gesundheitsfolgen sind für eine große (und wachsende) Anzahl von
Krankheitskategorien gut dokumentiert, einschließlich Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
In Deutschland sind mindestens 39% der durch Luftverunreinigung verursachten Übersterblichkeit
auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen zurückzuführen. Dies ist eine Untergrenze, da ein
großer Teil der sonstigen nicht übertragbaren Krankheiten durch Luftverschmutzung
ebenfalls zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führt.
Unsere Schätzung der globalen Übersterblichkeit aufgrund von Luftverunreinigung beträgt
8,8 (7,11–10,3) Millionen pro Jahr, was gut mit der Studie von Burnett u. Mitarb.
[14] übereinstimmt, jedoch deutlich höher ist als die Schätzung der GBD [2], die nur bestimmte Krankheitskategorien und nicht die „sonstigen“ nicht übertragbaren
Krankheiten berücksichtigt. Unsere Schätzung ist jedoch niedriger als die neue globale
Schätzung von Vohra u. Mitarb. [15], die von einer Übersterblichkeit von mehr als 10 Millionen pro Jahr nur für PM2,5
aus der fossilen Energienutzung ausgeht. In der neuesten Literatur reichen die globalen
Schätzungen von etwa 5 bis mehr als 10 Millionen pro Jahr, abhängig von den Schadstoffverbindungen,
Krankheitskategorien und Expositionsbelastungsfunktionen, die berücksichtigt werden.
Schließlich haben wir den Verlust der Lebenserwartung durch Luftverschmutzung bewertet
und mit anderen Gesundheitsrisikofaktoren verglichen [13]. Die globale Schätzung für Luftverschmutzung ist 2,9 Jahre und für das Tabakrauchen
2,2 Jahre. Da ungefähr zwei Drittel der weltweiten Luftverschmutzung anthropogen sind
und verhindert werden könnten, ist der globale mittlere Verlust der Lebenserwartung
durch Rauchen und die vermeidbare Luftverschmutzung etwa gleich. Der Verlust der Lebenserwartung
durch alle Arten von Gewalt ist etwa 0,3 Jahre, was eine Größenordnung geringer ist
als durch Luftverschmutzung. In Europa beträgt der Verlust der Lebenserwartung aufgrund
von Luftverunreinigung etwa 2,2 Jahre, von denen 1,7 Jahre durch die Senkung der Schadstoffemissionen
als vermeidbar gelten.
Wir kommen zu dem Schluss, dass die Regulierung der Luftschadstoffe eine wirksame
Maßnahme zur Gesundheitsförderung darstellt, ähnlich wie das Beschränken von Rauchen,
und einen wichtigen Beitrag zur Prävention von Herz-Kreislauf-Erkrankungen leisten
kann.
Luftverschmutzung stellt eine bedeutsame globale Ursache für Krankheiten und vorzeitige
Todesfälle dar. Aktuelle Schätzungen gehen von einer globalen Übersterblichkeit von
etwa 5 bis mehr als 10 Millionen vorzeitigen Todesfällen pro Jahr aus. Präventive
Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung, wie die Regulierung von Luftschadstoffen, sind
zwingend notwendig.
