MOE-Fellowship

Jan Bendl

Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) und ihre Derivate in der stÀdtischen Luft

Luftverschmutzung ist eines der grĂ¶ĂŸten und ungelösten Umweltprobleme in Europa, welches die menschliche Gesundheit und LebensqualitĂ€t dramatisch beeintrĂ€chtigt. Nach Angaben des EEA gibt es jĂ€hrlich mehr als 430 000 vorzeitige TodesfĂ€lle durch PM2,5 (Partikel mit einem Durchmesser kleiner 2,5 Mikrometer). Diese Aerosolpartikel stammen hauptsĂ€chlich aus unvollstĂ€ndigen Verbrennungsprozessen (z.B. Heizofen, Verkehr, Kochen, Zigarettenrauch, Industrie, Wildbrand usw.) und enthalten verschiedene organische Verbindungen, die an Partikel unterschiedlicher GrĂ¶ĂŸe gebunden sind. Die GrĂ¶ĂŸenvorteilung der Aerosole ist wichtig, da kleine Partikel (kleiner als 1 Mikrometer) durch die Alveolaren direkt in die Blutbahn eindringen können. Benzo(a)pyren und andere polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) sowie deren Derivate können DNA-SchĂ€den verursachen, die in weiterer Folge zu Krebserkrankungen, fetalen Störungen usw. fĂŒhren können.

Die LuftqualitĂ€t in Europa wird durch europaweites Netzwerk staatlicher Mess-stationen gut ĂŒberwacht - aus historischen GrĂŒnden werden jedoch meist nur GroßstĂ€dte beobachtet. Heutzutage werden industrielle Emissions-quellen gesetzlich kontrolliert, jedoch private Quellen wie die private Heizsysteme in kleinen Siedlungen werden dabei nicht berĂŒcksichtigt. Dadurch entstehen besonders wĂ€hrend der Winterzeit Probleme, wenn Temperaturinversionen auftreten. Auch die Geomorphologie ist ein wichtiger Faktor. In den Siedlungen in der Tschechischen Republik, wo Menschen selbst minderwertige Braunkohle verbrennen, ist die Situation schlechter als in Deutschland. In deutschen HĂ€usern werden jedoch Kamine immer beliebter und auch die Holzverbrennung produziert PAKs.

Unser Ansatz war es, mobile Feldmessungen an verschiedenen Orten durchzufĂŒhren. Um die zeitliche und rĂ€umliche VariabilitĂ€t der Luftverschmutzung zu untersuchen, habe ich drei identische Kinderwagen mit Aluminiumboxen entwickelt, die mit Instrumenten zur Aerosolpartikelmessung und -probenahme ausgestattet sind.

Dank der Zusammenarbeit zwischen der KarlsuniversitĂ€t Prag und dem Helmholtz Zentrum MĂŒnchen konnten wir einzigartige und sehr umfangreiche Messungen realisieren. Unsere ersten Messungen fĂŒhrten wir in Augsburg durch, wo eine 12 km lange Strecke kontinuierlich ĂŒberlappend von drei SpaziergĂ€ngern wiederholt wurde. Danach fĂŒhrten wir 4 Tage lang gleichzeitig Wintermessungen am tschechischen und deutschen Standort im Bayerischen Wald in zwei kleinen und sehr Ă€hnlichen StĂ€dten - Bayerisch Eisenstein und ĆœeleznĂĄ Ruda - durch, die nur 2,5 km voneinander entfernt sind. Wir konnten direkt Unterschiede in den PM-Konzentrationen direkt beobachten und den grenzĂŒberschreitenden Transport bewerten. An beiden Orten starteten wir um 5 Uhr morgens mit einer 3,5 km langen Route und wiederholen den Fußmarsch sie alle 2 Stunden bis 22 Uhr.

Wir beobachteten folgende Parameter in einer zweiten Auflösung: PartikelgrĂ¶ĂŸenverteilung (OPS-GerĂ€t, TSI-Hersteller und 11E-GerĂ€t von GRIMM), PM10, PM2,5, PM1 (DustTrak DRX, TSI), Partikelzahlkonzentration (PTrak, TSI), Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit und in 10 Sekunden Auflösung Black Carbon und Brown Carbon (MA200, AethLabs). Auch  neu entwickelte, kostengĂŒnstige PM10 und PM2,5 GerĂ€te werden getestet. Alle 10 Sekunden wurde ein Bild zur besseren Datenauswertung erstellt und die Position wurde mit GPS (64s, Garmin) verfolgt, um die Ergebnisse in Karten darzustellen, in denen die Konzentrationen der einzelnen Parameter durch Farbe dargestellt werden. Die Aerosole wurden am persönlichen Kaskadenimpaktor von SIOUTAS in verschiedenen GrĂ¶ĂŸenfraktionen zur weiteren Analyse entnommen.

FĂŒr die chemische Analyse von PAKs, deren Derivaten und anderen organischen Verbindungen ist es notwendig, hoch sensitive GerĂ€te einzusetzen, da die Masse der Filter aufgrund der kurzen Probenahmezeit gering ist. Dazu wurden In-situ Thermodesorption Flugzeit-Gaschromatographie Massenspektrometrie (IDTD-GC-TOF-MS) eingesetzt, das vom Helmholtz Zentrum MĂŒnchen entwickelt wurde. WĂ€hrend meines Aufenthaltes wandte ich diese Methode auf einem neuen System der Firma LECO, das eine noch höhere SensitivitĂ€t aufweist als das Original. Allerdings hatten wir ein Paar Schwierigkeiten mit den GerĂ€ten wie Fehlen von Einzelteilen, Verunreinigungen usw., sodass meine Proben noch nicht analysiert werden konnten. Also werde ich sie am Ende meines Stipendienaufenthaltes oder danach analysieren. Dann werde ich meine Ergebnisse veröffentlichen.

Wir beobachteten eine hohe zeitliche und rĂ€umliche VariabilitĂ€t von PM in Augsburg und beiden StĂ€dten im Bayerischen Wald. WĂ€hrend die Emissions Hot-Spots in Augsburg, durch den Verkehr verursacht werden, sind in KleinstĂ€dten Kamin und Kachelöfen fĂŒr die hohen Schadstoffemissionen verantwortlich. So betrug z.B. der Median von PM2,5 wĂ€hrend des 26. 9. 2018 in ĆœeleznĂĄ Ruda 43 ”gm-3 und in Bayerisch Eisenstein 24 ”gm-3 im gleichen Zeitraum. Die maximale Konzentration beim Gehen durch eine Emissionfahne aus dem Schornstein erreichte 2440 ”gm-3 bzw. 1570 ”gm-3, was in beiden FĂ€llen Extremwerte sind. Dann ist die Expositionszeit dieser Werte entscheidend. Die PM2,5 -Mediane in Augsburg waren in der Regel doppelt so niedrig. Es werden noch weitere Ergebnisse gezeigt und diskutiert.


Übersicht

Förderzeitraum

07.02.2018 - 06.02.2019

Institut

Helmholtz Zentrum MĂŒnchen Deutsches Forschungszentrum fĂŒr Gesundheit und Umwelt GmbH Kooperationsgruppe Comprehensive Molecular Analytics

Betreuer

Dr. JĂŒrgen Schnelle-Kreis

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