1
Feinstäube und Umweltzonen
R. Zellner
1
, T.A.J.. Kuhlbusch
2
, V. Diegmann
3
, H. Herrmann
4
, M. Kasper
5
,
K. G. Schmidt
2
, W. Dott
6
und J. Bruch
7
Eine Stellungnahme von Fachleuten aus dem Arbeitsausschuss „Feinstäube“
von ProcessNet, KRdL und GDCh*
)
Umweltzonen zum Schutz der Bevölkerung vor den gesundheitsschädigenden
Auswirkungen der Feinstaubbelastung sind zum Alltagsbild vieler deutscher
Großstädte geworden. Nach gut einem Jahr ihrer Einrichtung werden sie von den
Befürwortern gelobt und von den Gegnern nach wie vor abgelehnt. Eine Gruppe von
Experten aus dem Arbeitsausschuss „Feinstäube“ von ProcessNet, KRdL und GDCh
hat sich kürzlich mit den Grundlagen der Feinstaubbelastung und ihrer Wirkung
befasst und die Sinnhaftigkeit von Umweltzonen unter wissenschaftlichen Aspekten
überprüft. Danach sind Umweltzonen durchaus sinnvoll. Die verwendete Metrik eines
rein massenbezogenen Grenzwertes ist aus zahlreichen epidemiologischen
Untersuchungen wirkungsseitig abgeleitet, jedoch nicht toxikologisch begründet. Der
Expertenkreis befürwortet deshalb wirkungsbezogene Forschungen, in denen die
Relevanz anderer Partikelmetriken, wie die chemische Zusammensetzung, Größe
und Oberfläche, für die menschliche Gesundheit geklärt wird.
1. Warum wird der Feinstaub reguliert?
Motivation Gesundheit
Die Motivation für eine gesetzliche Regulierung des Feinstaubs in der Umwelt durch
Einführung von Grenzwerten ist der Schutz der Gesundheit. Eine Reihe von
epidemiologischen Untersuchungen (US-EPA, 2004; Wichmann, 2005; WHO, 2006)
zeigt, dass Feinstäube in der Luft gesundheitsschädigende Wirkungen haben. Zu
diesen gehören Erkrankungen der Atemwege (chronisch obstruktive Lungen-
erkrankungen (COPD), Einschränkungen der Lungenfunktion) und des Herz-
Kreislauf-Systems (erhöhte kardiopulmonale Sterblichkeit). Aus diesem Grunde ist
die Einführung eines Grenzwertes - also einer oberen, tolerablen Belastungsgrenze -
mit dem Ziel, solche Auswirkungen zu vermeiden oder zumindest zu vermindern,
grundsätzlich sinnvoll. In der heute gültigen EU-Richtlinie, die zum 17.09.2002 auch
in die deutsche Gesetzgebung überführt wurde, gilt ein Grenzwert von 50
μg/m
3
als
Tagesmittel mit 35 zulässigen Überschreitungen pro Jahr.
Grenzwerten für gesundheitsschädigende Substanzen in der Umwelt oder am
Arbeitsplatz werden in der Regel wirkungsbezogene, toxikologische oder
epidemiologische Untersuchungen zu Grunde gelegt. Im Falle der derzeitigen
Feinstaubregulierung sind die bestehenden Massengrenzwerte allerdings nicht
toxikologisch begründet, sondern das entsprechende Gesundheitsrisiko ist aus
epidemiologischen Studien abgeleitet (WHO, 2006). Es fehlt also derzeit eine

2
toxikologische Begründung des Grenzwertes, die durch die chemische und
physikalische Komplexität der Feinstäube in der Umwelt erschwert wird. Mit Blick auf
gezielte und besser begründete Maßnahmen zum Schutz der Gesundheit sollte
deshalb in Zukunft verstärkt die Größenverteilung und die Inhaltsstoffe der Partikel in
wirkungsseitige Studien einbezogen werden. Die Reduktion der Gesamtmasse der
Stäube
ist
eine
wirksame
Minderungsmaßnahme,
die
die
statistische
Lebenserwartung bei einer Abnahme der PM2.5-Belastung von 10 μg/m³
(Jahresmittel) um sieben Monate erhöht (Pope et al., 2009). Es sollte jedoch
wissenschaftlich geprüft werden, ob andere Partikelmetriken geeignet sind, die
Minderungsmaßnahmen noch gezielter und damit kosteneffizienter anzusetzen.
Warum sind die Partikelgröße und die chemische Zusammensetzung wichtig?
Die gegenwärtige gesetzliche Regelung für Feinstäube hat als alleinige Zielgröße
eine Obergrenze für die Gesamtmasse von PM10 (Particulate Matter < 10 μm im
Durchmesser). Mit der Verabschiedung der neuen Luftreinhalterichtlinie der
Europäischen Gemeinschaft (EU, 2008) im April 2008 erfolgte eine Ergänzung
dahingehend, dass zusätzlich auch eine Massenobergrenze der (kleineren) PM2.5-
Fraktion eingeführt wurde. Durch den alleinigen Bezug zur Masse bleiben aber die
Effekte der stofflichen Zusammensetzung sowie der Partikelgröße, -oberfläche und –
teilchenzahl weiterhin nicht ausreichend berücksichtigt.
Es ist nachgewiesen, dass die Wirkung von Partikeln auch durch ihre Form sowie die
Morphologie und chemische Natur ihrer Oberfläche bestimmt wird. Wichtig ist z. B.
die Anlagerung semi-volatiler organischer Substanzen. Einige dieser Substanzen
lösen sich rasch aus dem Partikel, während andere – insbesondere die fettlöslichen –
ihre Wirkung eher über einen längeren Zeitraum entfalten.
Als ein wesentlicher Wirkmechanismus von inhalierten Partikeln wird die Auslösung
von entzündlichen Vorgängen in den Atemwegen betrachtet. Toxikologische
Untersuchungen sowie direkte Befunde beim Menschen zeigen aber auch
Auswirkungen der durch die Partikelbelastung der Lunge hervorgerufenen
Entzündung auf das Herz-Kreislauf-System. Bestimmte Inhaltsstoffe der Partikel
haben eine besondere Wirkung. Experimentell konnte auch das Vordringen kleinster
Anteile von Nanopartikeln in das Körpersystem selbst beobachtet werden. Ob dies
jedoch zu einer Gesundheitsgefährdung führt, wird derzeit intensiv untersucht.(siehe
z. B.
www.spp1313.de
).
Die gesundheitsschädigende Wirkung von Rußpartikeln aus Verbrennungs-
prozessen, wie z.B. den Abgasen von Dieselmotoren, ist größer als z.B. die Wirkung
von Partikeln aus Krustenmaterial (Bodenpartikel). Allerdings ist nicht jeder Ruß
identisch und die Bedeutung von begleitenden gasförmigen Emissionen wie NO
x
und
SO
x
scheint ebenfalls nicht vernachlässigbar zu sein. In Abhängigkeit von der Art der
Dieselmotoren (Lkw
versus
Pkw, modern
versus
alt) ist besonders die
Zusammensetzung der emittierten Partikel und damit die Art der Wirkung
unterschiedlich. So enthalten Partikel aus alten Schwerlastmotoren bis zu 50 Prozent
organische Anteile, während moderne Pkw-Dieselmotoren nur wenige Prozent dieser
Substanzen aufweisen.

3
Im Sinne der Wirksamkeit von Maßnahmen heißt diese Differenzierung dennoch
immer, dass eine Verringerung der Rußpartikel-Emissionen zu einer lufthygienischen
Verbesserung führt, unabhängig davon, ob tatsächlich deutliche Reduktionen in den
PM10-Massenkonzentrationen erzielt werden oder nicht. Andererseits kann nicht
ausgeschlossen werden, dass selbst im Falle der Einhaltung von Grenzwerten
aufgrund von relativ hohen Konzentrationen stark gesundheitsschädigender Partikel
eine Gesundheitsgefährdung besteht.
Die Charakterisierung der Größenverteilung in Verbindung mit der der chemischen
Zusammensetzung von Partikeln ist also neben der Messung der Gesamtmasse für
weitergehende
Forschungen
zur
potentiellen
Gesundheitsgefährdung
durch
Feinstaub unabdingbar. Die Methoden hierfür sind verfügbar, allerdings noch nicht
standardmäßig in die Feldbeobachtung eingeführt.
2. Quellen von Feinstäuben und die Grenzwertüberschreitungen
Feinstäube haben eine Vielzahl von Quellen. Global mengenmäßig am wichtigsten
sind die durch Winderosion von Böden oder der Meeresoberfläche erzeugten
Mineralstäube bzw. Kochsalzpartikel. Zur Luftbelastung mit Feinstäuben tragen aber
auch die Emissionen aus verschiedenen anderen Sektoren wie Verkehr, Haushalte
(Festbrennstoffe), Industrie und Gewerbe bei. Aber auch gasförmige Vorläufer-
substanzen wie SO
2
, NO
x
, NH
3
, Isopren u.a., die aufgrund ihrer Oxidation in der
Atmosphäre zu Partikelbildung führen, sind bei den Emissionen zu berücksichtigen.
Wegen der räumlich sehr uneinheitlichen Verteilung dieser Quellen ist auch ihre
relative
Bedeutung
für
die
Partikelbelastung
an
einem
bestimmten
Ort
unterschiedlich. Allerdings sorgt der Transport in der Atmosphäre für eine
Vermischung und eine Überlagerung der Quellen.
Die Bedeutung des Verkehrs
Unter allen Emittenten von Feinstäuben hat der Verkehr eine gewisse
Sonderstellung. Neben der Partikelemission aus der unvollständigen Verbrennung
tragen in seinem Falle auch indirekte Emissionen wie die Aufwirbelung von
Straßenstaub und der Reifenabrieb zur Erzeugung von Feinstaub bei. D.h. selbst
saubere Motoren in Fahrzeugen sind Quellen von Feinstäuben.
Nach Beobachtungen aus den Luftmessnetzen des Bundes und der Länder tragen
die lokalen Emittenten in einer Stadt in Deutschland zwischen 30 und 70 Prozent zur
PM10-Belastung bei (Diegmann et al., 2006). Der Anteil des Verkehrs allein an
diesen Belastungen liegt zwischen 25 und 50 Prozent (John und Kuhlbusch, 2004;
Quass et al., 2004). Daher liegt der Fokus von Maßnahmen zur Verbesserung der
Luftqualität im innerstädtischen Bereich vornehmlich auf dem Straßenverkehr. Ein
Schwerpunkt hierbei bildet die Minderung der Rußpartikel-Emissionen, die
hauptsächlich aus den Dieselmotoren (Lkw und Pkw) stammen. Der Beitrag von
Otto-Motoren zur Ruß-Emission ist praktisch vernachlässigbar.
Wie aus den Daten des PM10-Messnetzes des Bundes und der Länder seit 2001
ebenfalls hervorgeht, bewegen sich bei ländlichen Stationen die beobachteten
Massenkonzentrationen von Feinstäuben meist innerhalb der geltenden Grenzwerte.

4
Überschreitungen treten dagegen häufiger in städtischen Bereichen und hier
insbesondere an Standorten auf, die stark durch den Kraftfahrzeugverkehr geprägt
sind. Dazu treten Grenzwertüberschreitungen im Nahbereich diffuser industrieller
Quellen auf. Eine Beteiligung des Verkehrs an den erhöhten Staubmengen und den
Grenzwertüberschreitungen kann deshalb nicht bestritten werden. Sie ist aus den
Beobachtungen des Umweltbundesamtes, der
Landesämter und verschiedener
Forschungsprojekte (z.B. Brüggemann et al., 2000; Herrmann et al., 2006)
überzeugend belegt.
Die Experten aus dem Arbeitsausschuss „Feinstäube“ weisen daher darauf hin, dass
Stellungnahmen wie das ADAC-Gutachten, das den Beitrag des Verkehrs zu
Partikelbelastung, insbesondere für das Beispiel der Stadt Berlin negiert (Möller,
2008; ADAC, 2008), nicht im Einklang mit den Beobachtungen stehen und einer
wissenschaftlichen Grundlage entbehren.
Die Rolle des Ferntransports
Für die Bewertung der an einem bestimmten Ort beobachteten Staubmenge ist es
von Bedeutung, dass neben den lokalen Quellen auch die regionalen und über-
regionalen Quellen, aus denen Feinstäube herantransportiert werden, zu diesen
Belastungen beitragen. Viele der derzeitig beobachteten Überschreitungen des
PM10-Grenzwertes kommen nämlich dadurch zustande, dass bereits beträchtliche
Feinstaubkonzentrationen aus der regionalen Hintergrundbelastung in die Ballungs-
räume „importiert“ werden. Zu dieser Grundbelastung kommen dann Beiträge des
urbanen Hintergrunds und schließlich die Spitzenbelastungen in quellnahen Berei-
chen wie an verkehrsreichen Straßen oder im Nahbereich industrieller Quellen mit
diffusen Staubemissionen hinzu.
In einer Reihe von Forschungsprojekten (z. B. Brüggemann et al., 2007) wurde der
Beitrag des Ferntransports an den urbanen PM-Belastungen detailliert untersucht
und als durchaus bedeutend erkannt. Das Ausmaß des durch Transport bedingten
Beitrags ist allerdings an die meteorologischen Bedingungen wie Windstärke und
-richtung geknüpft und deshalb nicht konstant, sondern zeitlich und räumlich variabel.
Umgekehrt beeinflusst der Transport von Luftmassen natürlich auch den
Luftaustausch und ist damit ebenfalls für die Luftqualität zuständig. Die Beteiligung
des Ferntransports an den lokalen Staubmengen bedeutet aber auch, dass das
Problem der Grenzwertüberschreitungen im städtischen Bereich zusätzlich/ebenso
durch die Regulierung von Quellen im überregionalen Bereich angegangen werden
muss.
Ferntransport ist aber nicht der alleinige Verursacher einer lokalen Belastung und die
Bedeutung lokaler Quellen ist unbestritten. Aus diesem Grunde sind lokale
Reduktionsmaßnahmen grundsätzlich geeignet, die Staubbelastung zu reduzieren.
Dies konnte auch messtechnisch belegt werden (Bruckmann et al., 2007). Die
pauschale Wirkungslosigkeit solcher Maßnahmen, wie sie im Gutachten des ADAC
(ADAC, 2008) im Kontext mit den Umweltzonen impliziert wird, ist wissenschaftlich
nicht begründet. Dies wird u.a. schon dadurch verdeutlicht, dass Grenzwert-
überschreitungen in deutschen Städten überwiegend an verkehrsbelasteten
Standorten vorkommen.

5
3. Maßnahmen und deren Minderungspotenziale
Überschreitungen der Feinstaub-Grenzwerte können durch verkehrliche Maß-
nahmen, wie die Einrichtung von verkehrsbeschränkten bzw. -beruhigten
Umweltzonen (Low Emission Zones,
www.lowemissionzones.eu),
oder abgas-
technische Maßnahmen, wie die Einführung von Dieselruß-Partikelfiltern reduziert
werden.
Verkehrsbeschränkende Maßnahmen senken lokal akute Belastungen, insbesondere
durch stark kohlenstoffhaltige, quellnahe und kleine Partikel an stark befahrenen
Straßen. Sie reduzieren darüber hinaus die Staubbelastung durch Aufwirbelung und
Reifenabrieb. Durch die Einrichtung großflächigerer Umweltzonen sollte es zudem
möglich sein, auch die Partikelbelastung im städtischen Hintergrund zu senken und
so die Zahl von Grenzwertüberschreitungen insgesamt weiter zu reduzieren. Ein
weiterer Vorteil der verkehrsbeschränkenden Maßnahmen ist ihre schnelle
Wirksamkeit. Ihr Nachteil ist der Eingriff in individuelle Mobilität, Transport und
Versorgung sowie der Aufwand in der Kontrolle ihrer Befolgung.
Weniger schnell wirksam, um lokale Überschreitungen zu reduzieren, ist dagegen
der Ersatz von alten Diesel-Kfz durch neue mit Partikelfiltersystemen bzw. die Nach-
rüstung von Diesel-Kfz mit Rußpartikelfiltern. Diese Maßnahme wirkt außerdem eher
flächendeckend als lokal. Dennoch trägt auch sie dazu bei, die lokale Belastung mit
gesundheitsgefährdenden Rußpartikeln zu reduzieren, und sie ist langfristig die
Maßnahme der Wahl und den Umweltzonen überlegen.
Abschätzungen des Potenzials verschiedener Maßnahmen zur Minderung von
Partikelemissionen zeigen, dass sich die einzelnen Maßnahmen unterschiedlich auf
die Jahresmittelwerte von PM10 in innerstädtischen Gebieten auswirken (Diegmann
et al., 2006). Das größte Minderungspotenzial hat danach die Umweltzone, weil
hierbei u.a. der Zugang von verhältnismäßig stark PM10 emittierenden Diesel-
Fahrzeugen der Euro-3-Norm eingeschränkt ist. Abschätzungen zeigen, dass die
Einführung der Umweltzonen zu einer etwa 10%igen Reduktion des Jahresmittel-
wertes von PM10 führen könnte. Dies bedeutet auch, dass bei einer Über-
schreitungshäufigkeit von z. B. 70 Tagen mit Tagesmittelwerten von mehr als
50 μg/m³ die Anzahl der Überschreitungstage um 20 Tage gesenkt werden kann.
Die vollständige Nachrüstung von Diesel-PKW mit Partikelfiltern dagegen verbessert
die PM10-Jahresbelastung nur um etwa 6%, das vollständige lokale Durchfahrts-
verbot für LKW um etwa 5 Prozent. Während die Umweltzone ihre Wirkung nur in
ihren eigenen Grenzen entfalten kann, wirken sich die beiden letzteren Maßnahmen
in der Regel auf ein größeres Gebiet und somit auch auf die Hintergrundbelastung
aus. Bei mangelnder Befolgung eines Verbots bzw. niedrigerer Nachrüstungsrate von
Partikelfiltern wird die Absenkung des Jahresmittelwerts jedoch entsprechend
geringer ausfallen.
Verkehrslenkende oder –beschränkende Maßnahmen schaffen vermutlich auch
wesentliche Anreize zur Nachrüstung von Diesel-Kfz mit Rußpartikelfiltern. Bei
großflächiger Nachrüstung und ggf. öffentlicher Förderung ist allerdings zu beachten,
dass sich die Kosten erheblich unterscheiden können. Die Vermeidung der Emission
eines Kilogramms Ruß kostet bei der Nachrüstung von PKW mit offenen Partikel-

6
Minderungssystemen mit typischerweise 1000 € bis zu 100 mal mehr, als für die
Ausstattung von schweren Nutzfahrzeugen und Baumaschinen mit geschlossenen
Filtern für den gleichen Effekt investiert werden muss. Die vollständige Ausrüstung
von Nutzfahrzeugen mit Partikelfiltern würde die Konzentration von Rußpartikeln
drastisch senken und damit die Qualität der Atemluft erheblich verbessern.
Resumee:
Feinstäube in der Luft haben nachteilige gesundheitliche Auswirkungen und sollten
deshalb reduziert werden. Sie haben eine Reihe unterschiedlicher Quellen, die unter-
schiedlichen Verursachern zuzuordnen und räumlich uneinheitlich verteilt sind. Auch
unterscheiden sie sich erheblich in der chemischen Zusammensetzung und damit
hinsichtlich ihrer toxischen Wirkkomponenten sowie in der Größe, Gestalt und
Anzahlkonzentration. Hervorgehoben werden sollten in diesem Zusammenhang auch
Partikel-Emissionen mit Gehalten an Schwermetallen oder Übergangsmetallen, die
als besonders toxisch zu betrachten sind.
Dies alles macht die Immission von Feinstäuben zu einem komplexen Thema, das
Gegenstand
intensiver
interdisziplinärer
Forschung
bleiben
muss.
Die
wirkungsdifferenzierte physikalische und chemische Analyse von Feinstäuben ist
nach wie vor eine enorme wissenschaftliche Herausforderung.
Trotz dieser offenen Fragestellungen hat sich die Umweltpolitik zu Recht zum
Handeln entschlossen und eine Obergrenze für die Feinstaubmasse festgelegt. Da
die Überschreitung der Grenzwerte eine Rechtsverletzung darstellt, sind die
betroffenen Kommunen zum Handeln verpflichtet und haben mit der Einführung von
Umweltzonen reagiert.
Solche Umweltzonen haben ihren Sinn, da sie vor Ort und schnell die gesundheits-
gefährdende Belastung mit Rußpartikeln aus Dieselmotoren wegen der Zufahrts-
verbote hoch emittierender Fahrzeuge zu reduzieren vermögen (Berliner
Meteorologen, 2008; Lutz, 2008). Ihr Effekt auf die Gesamtmasse und damit auf die
Zielgröße PM10 wird aber nur relativ klein sein, da Rußpartikel auf Grund ihrer
geringen Größe nur wenig zur Gesamtmasse der Stäube beitragen. Die
Implementierung weiterer Maßnahmen zur Reduktion von anderen, nicht-
verkehrbezogenen Emissionen (z.B. Hausbrand, Industrie) ist sinnvoll.
Die Expertengruppe plädiert daher dafür, die Forschungen über die Auswirkungen
auch anderer Partikelmetriken wie die Oberfläche oder ihrer Inhaltsstoffe auf die
menschliche Gesundheit zu verstärken. Dazu gehört u.a. eine stärkere Konzentration
auf den Rußgehalt und andere Inhaltsstoffe sowie die Partikelanzahl. Eine
entsprechende abgastechnische Regulierung im Rahmen der Emissionsstufe EURO-
6 ist in Vorbereitung (EU-Regulation 715/2007). Auf Basis dieser wirkungsbezogenen
Untersuchungen wird dann zu entscheiden sein, ob eine andere Partikelmetrik die
festgestellten gesundheitlichen Wirkungen besser abbildet und als praktikable Metrik
zur Festsetzung von Grenzwerten herangezogen werden kann. Diese Metrik muss
dann geeignet sein, die gesamte Kausalkette von den Emissionen über die
Immissionen zu den Wirkungen zu beschreiben.

7
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10
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8
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*
)
Ziele und Aufgaben des Arbeitsausschusses „Feinstäube“
Der Arbeitsausschuss „Feinstäube“ wurde im Jahr 2006 auf Beschluss der
Gesellschaften
DECHEMA
(Gesellschaft
für
Chemische
Technik
und
Biotechnologie), GDCh (Gesellschaft Deutscher Chemiker) und KRdL (Kommission
Reinhaltung der Luft im VDI) gegründet. Sie befasst sich mit den Feinstäuben in der
Umwelt von der Entstehung (Emission, Reduktionstechnologien) über die
Ausbreitung (Transport) und die chemische und physikalische Transformation bis zur
Immission (Messtechnik und –strategien) und den gesundheitlichen Auswirkungen.
Ihr Ziel ist, den Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse in den verschiedenen
disziplinären
Feldern
kritisch
zu
bewerten
sowie
Forschungs-
und
Entwicklungsbedarf abzuleiten. Auch die Stellungnahme zu wichtigen Aspekten der
Feinstaubproblematik in der öffentlichen oder politischen Diskussion gehört zu den
erklärten Aufgaben des Ausschusses. Die fachliche Zusammensetzung des
Ausschusses entspricht ihrer interdisziplinären Ausrichtung; ihre Mitglieder stammen
aus Forschungseinrichtungen, der Industrie und aus Behörden. Die Leitung des
Ausschusses haben die Professoren K. G. Schmidt (IUTA, Duisburg) und R. Zellner
(Universität Duisburg-Essen).
-----
1
Institut für Physikalische Chemie, Universität Duisburg-Essen
2
IUTA e.V., Duisburg
3
IVU Umwelt GmbH, Freiburg
4
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (IfT), Abt. Chemie, Leipzig
5
Matter Engineering AG - Nanoparticle Measurement, Wohlen, Schweiz
6
Medizinische Fakultät, Institut für Hygiene und Umweltmedizin der RWTH Aachen;
7
IBE gGmbH, Marl