Umweltmedizin am IUK

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… laufende Projekte

Verbundvorhaben: Kombinierte technische und toxikologische Bewertung von Emissions-Minderungsmaßnahmen für Scheitholzfeuerungen; Teilvorhaben 3: Experimentelle Untersuchungen zur Aufklärung zellbiologischer Wirkungen und Validierung

Scheitholz-Einzelraumfeuerungen emittieren eine komplexe Mischung aus partikulären und gasförmigen Schadstoffen. Effiziente Minderungsmaßnahmen sind erforderlich, um die potentiell schädlichen Auswirkungen auf Mensch, Umwelt und Klima zu reduzieren. Das übergeordnete Ziel von TeToxBeScheit ist die Erarbeitung einer wissenschaftlich fundierten Grundlage für eine umfassende, praxisrelevante Bewertung marktverfügbarer, primärer und sekundärer Minderungseinrichtungen für Einzelraumfeuerungen. Technische sowie human- und ökotoxikologische Methoden werden hierzu für eine kombinierte Bewertungsstrategie zusammengeführt. Das Vorhaben knüpft somit an die Herausforderungen bezüglich der THG- und Schadstoffminderung für Biomassefeuerungen an und adressiert insbesondere eine aktuell unzureichende Bewertungsgrundlage. In TV 2 erfolgen humantoxikologische Untersuchungen (in-vitro), die es ermöglichen, das Gefährdungspotential einer Exposition gegenüber Verbrennungsaerosolen gesundheitlich zu bewerten. Der Einsatz einer mehrstufigen biologischen Testbatterie in für die Exposition relevanten Zell- und Gewebemodellen des Respirationstraktes ermöglicht die Ableitung möglicher Gesundheitsfolgen. Der Fokus der molekularbiologischen Analysen liegt auf relevanten mechanistischen Endpunkten, wie z.B. die Induktion von oxidativem Stress, Freisetzung von Entzündungsfaktoren, Bildung von DNA-Strangbrüchen oder der Identifizierung signifikanter Veränderungen auf Ebene der Genexpression. Die im Projektverlauf generierten humantoxikologischen Daten werden mit physikochemischen Analysen korreliert und in einer Bewertungsmatrix verarbeitet. Die Zielsetzung der Untersuchungen am Universitätsklinikum Freiburg im Verbundvorhaben ist es, eine wissenschaftlich fundierte Bewertungsgrundlage zu schaffen, die der weiterführenden Beurteilung der Effizienz von technischen Minderungseinrichtungen dient und eine Priorisierung von effektiven Maßnahmen zur Emissions- und Schadstoffminderung ermöglicht.

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Verbundvorhaben (FSP-Emissionen): Gesundheitliche Bewertung von Emissionen aus Holz und Holzprodukten in Innenräumen mittels experimenteller toxikologischer Untersuchungen und humanbasierter Beobachtungen; Teilvorhaben 1: Projektkoordination und humantoxikologische Untersuchungen

Im Rahmen einer literaturbasierten Studie werden zunächst bestehende Erkenntnisse zur gesundheitlichen Bedeutung von Holz-VOCs und deren bestehender Grenzwerte zusammengestellt. Auf dieser Informationsgrundlage erfolgt anschließend die Durchführung experimenteller Untersuchungen. Die neuartigen Testverfahren sollen auf Basis des gewonnenen Datenmaterials unter Einbeziehung von Tier- und Humandaten Analysen zum Zusammenhang zwischen in-vitro- und in-vivo-Effekten ermöglichen, mit dem Ziel der Entwicklung eines geeigneten Vorhersagemodels zur praktischen gesundheitlichen Bewertung von flüchtigen Bestandteilen aus Holz und Holzwerkstoffen. Durch den Verbund der Partner mit Kompetenzen in den Bereichen experimentelle Toxikologie, Holzforschung und Risikobewertung sowie unter Miteinbeziehung eines projektbegleitenden Expertenausschusses aus Wirtschaft, Forschung und Behörden, erlaubt GesundHOLZ einen die Nutzung betreffenden umfassenden Forschungs- und Entwicklungsansatz. Die Koordination des Verbundprojekts obliegt dem IUK, sowohl in der Vorbereitung als auch in der Durchführung. Weitere Aufgabenbereiche umfassen die Literaturstudie, die experimentelle humantoxikologische Untersuchungen von Holz-VOCs (Zell- und Gentoxizität, mögliche Reizwirkungen an Haut, Schleimhaut und Augen) im Zusammenhang mit den bei der Nutzung von Holz auftretenden VOC-Konzentrationen. Nach einer initialen Adaptierungs- und Etablierungsphase der teils neuartigen Mess- und Testverfahren mittels bekannter Leitsubstanzen aus Holzemissionen (z.B. alpha-Pinen), werden repräsentative Vertreter von Holz und Holzwerkstoffen mit dem entwickelten Methodenrepertoire und auf Grundlage einer emissionsnahen Beprobung auf ihr Gefährdungspotenzial für den Menschen untersucht. Auf Grundlage der generierten Ergebnisse aus den Teilvorhaben I-V erfolgt die regulatorische Bewertung unter besonderer Berücksichtigung einer möglichen Ableitung von praxisnahen Ziel- und Richtwerten.

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… abgeschlossene Projekte

ProCycle - Analyse und toxikologische Bewertung von Stäuben aus Recycling- und Verwertungsprozessen von Nanokompositen und Strategien zur Gefährdungsminimierung

An Arbeitsplätzen des werkstofflichen Recycling und der thermischen Verwertung von Nanocomposites (NCs) kann das Einatmen von Stäuben/Fasern oder von Aerosolen langfristig zu chronischen Erkrankungen der Atemwege oder anderer Organe führen. Daher wird im vorliegenden Teilprojekt untersucht, wie sich die beim Recyclingprozess und der thermischen Verwertung anfallenden NC-Stäube und -Aerosole auf die menschliche Zell- und Gewebeintegrität, das Wachstum, die Kommunikation zwischen Zellen oder auf die Integrität der Erbsubstanz auswirken. Als Untersuchungsgegenstand dienen zunächst der Modell-Nanofüllstoff nano-TiO2 sowie darauffolgend zwei weitere technisch relevante Nanofüllstoffe. Es werden Expositionszenarien zur emmissionsnahen Beprobung entwickelt und inhalations-toxikologische Untersuchungen in humanen Zell- und Gewebemodellen mit NC-Stäuben und NC-Aerosolen durchgeführt, die beim Vermahlen und bei der Verbrennung anfallen. Zielsetzung ist es, eine mögliche Aufnahme und Verteilung von Nanopartikeln aus NCs in Zellen und Gewebe zu erfassen, potentiell toxische Effekte der freigesetzten Nanopartikel in vitro zu ermitteln sowie die hierfür zugrunde liegenden zellulären Wirkmechanismen aufzuklären. Auf Grundlage dieser humantoxikologischen Untersuchungen kann ein direkter Bezug zu möglichen Auswirkungen auf die Gesundheit am Arbeitsplatz geschaffen werden.Die humantoxikologischen Untersuchungen am IUK werden im Rahmen von 4 Arbeitspaketen des Projektes ProCycle durchgeführt. Zunächst erfolgt die Etablierung aller toxikologischen Testsysteme inhumanen Zelllinien und 3D Gewebemodellen anhand von ausgewählten Modellsubstanzen. Im Anschlußerfolgen die toxikologischen Untersuchungen definierter Partikelfraktionen aus der Verbrennung und Vermahlung von Nanocompositen. Schwerpunkt der Untersuchungen liegt auf der Erfassung Zell-, Gewebetoxischer und entzündlicher Effekte sowie auf Mutagenität, als Indiz für die mögliche Entstehung von Krebs.

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Toxikologische Untersuchung von Feinstäuben aus der Biomasseverbrennung in einer Air-liquid-Interface Expositionseinheit (Vitrocell®) in humanen A549 Lungenzellen  

Feinstäube aus Biomasseverbrennung setzen sich vorwiegend aus anorganischen und zu geringen Anteil aus organischen Aerosolbestandteilen zusammen. Nach welchem Mechanismus diese Feinstäube ihren toxischen Effekt ausüben und inwieweit der anorganische Bestandteil zur Toxizität beiträgt, ist noch weitgehend ungeklärt. So wurden bisher unter anderem die Oberflächeneigenschaften der Partikel, ihr Gehalt an organischen Verbindungen, sowie ein Endotoxingehalt für die Toxizität verantwortlich gemacht. Ziel dieses Vorhabens ist es, die molekularen Wirkmechanismen der toxischen Effekte von luftgetragenen Feinstäuben bzw. ausgewählten anorganischen Bestandteilen aus der Biomasseverbrenung in geeigneten humanzellulären Systemen aufzudecken.Nach Größen-Auftrennung der Stäube mittels eines Berner Kaskaden Impaktors erfolgt eine Aerosol-Generierung der Feinstäube. Daneben werden die einzelnen Staubproben im mineralogisch-geochemischen Institut (MGI) physikalisch und chemisch charakterisiert. Im weiteren werden verschiedene Zellen bzw. Zelllinien mit den generierten Feinstäuben exponiert  und entsprechende toxischen Wirkungen mit bekannten modernen toxikologischen Assays (siehe unten) ermittelt. Hierbei werden direkte Wirkungen auf die DNA der Zellen (z.B. DNA-Brüche, klastogene und aneugene Effekte), sowie oxidativer Stress, Zellzyklus-veränderungen, Induktion von Apoptose, Signalling-Prozesse und immunologische Triggerungen untersucht. Die Aufdeckung der, den toxischen Effekten dieser speziellen Feinstäuben zugrunde liegenden, zellbiologischen Mechanismen ermöglichen eine Abschätzung des potentiellen gesundheitlichen Risikos von Feinstaub-Luftverunreinigungen, aus Biomasseverbrennung was für Risikomanagment (schnelle Beurteilung gesundheitsrelevanter Belastungen) und vorbeugendem Gesundheitsschutz (Präventivmassnahmen) unabdingbar ist.

Studien zur Toxizität holz- und holzwerkstoffspezifischer VOC-Emissionen: In vitro-Studie im biologischen Kammeremissionssystem (BIKAS) mit humanen A549 Lungenzellen  

Aus zahlreichen chemischen Analysen und Innenraumuntersuchungen ist bekannt, dass aus Holz und Holzwerkstoffen flüchtige organische Verbindungen (VOC) wie natürliche Terpene (α-Pinen, Δ-3-Caren) sowie gesättigte und ungesättigte Aldehyde (Hexanal, Heptenal, Octenal) in die Innenraumluft abgegeben werden können. Für die meisten der holz- bzw. holzwerkstofftypischen VOC-Emissionen sind jedoch bisher keine oder nur sehr unzureichende biologische Wirkungsstudien durchgeführt und publiziert worden. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, toxikologische Grunddaten für eine gesundheitliche Bewertung holz- bzw. holzwerkstofftypischer Emissionen zu erarbeiten. Über die ermittelten Dosis-Wirkungsbeziehungen einzelner VOC bzw. von VOC-Komplexgemischen in einem neuartigen, biologischen Kammeremissions- und -expositionssystem (BIKAS®) werden Wirkungsschwellenwerte (NOAEL) sowie toxikologisch begründete Orientierungswerte für humantoxikologisch tolerierbare, maximale Belastungen der Innenraumluft mit holz- bzw. holzwerkstoffspezifischen VOC abgeleitet. Hierzu werden Untersuchungen an einer humanen Tumorzelllinie aus der menschlichen Lunge (A549, type-II-alveolar cell like lung carcinoma cells), die über eine BIKAS®-Emissionskammer in einem Transwellsystem ( Fa. Vitrocell) an der Luft-Zell-Grenze gegenüber spezifischen VOC exponiert werden. Nach Exposition der Zellen wird die Zytotoxizität mittels enzymatischer und bioche-mischer Parameter (WST-1-Assay, Bestimmung der LDH-Aktivität) sowie in der Vitalfärbung (Erythrosin-B) bestimmt. Zudem werden Störungen des Zellzyklus mittels Durchflusszytometrie (FACS) sowie DNA-schädigende Effekte mittels Einzelzellgelelektrophorese (SCGE, Kometassay) untersucht. Die Konzentrationsverläufe in BIKAS® werden mittels Tenax®TA/Thermodesorption mittels GC-MSD bestimmt und mit den biologischen Effekten in den Lungenzellen korreliert.   Untersuchungen zur Humantoxizität holz- und holzwerk-stoffspezifischer VOC-Emissionen: Kontrollierte Expositionsstudie zur Ableitung irritativer und/oder inflammatorischer Effekte beim Menschen   Die Probandenstudie bildet die Ergänzung der in vitro-Studien zur Risikobewertung holz- und holzwerkstoff-spezifischer VOC-Emissionen in humanen Lungenzellen. Beim Menschen können innenraumlufttypische VOC konzentrationsabhängig insbesondere irritative, möglicherweise auch inflammatorische und/oder immunologische Effekte im Bereich der oberen Luftwege und Konjunktiven verursachen. Gesundheitsrelevante Erkenntnisse zu humanen Expositionen gegenüber holz- bzw. holzwerkstoff-spezifischen VOC liegen bisher nur in Einzelfällen, und dann zumeist auch nur für hohe VOC-Einzelstoffexpositionen vor (z.B. für α-Pinen, Δ-3-Caren und Hexanal). Belastbare Daten über gesundheitliche Wirkungen realitätsnaher und komplexer Expositionen des Menschen fehlen bisher. Ziel der Studie ist es, Grundlagen für eine humantoxikologische Bewertung holztypischer, komplexer Innenraumexpositionen zu erarbeiten. Hierbei werden sowohl realitätsnahe wie auch Worst-case-Expositionen in die Studie einbezogen, um toxikologisch bzw. gesundheitlich begründbare Belastungsgrößen für die Innenraumluft, so auch NIK-Werte (niedrigste, interessierende Konzentration) in Anlehnung an das Bewertungsschema des Ausschusses zur Bewertung von Bauprodukten (AgBB) abschätzen zu können. Hierzu werden in Zusammenarbeit mit dem Wilhelm-Klauditz-Institut (Fraunhofer-Gesellschaft) für Holzforschung in Braunschweig (WKI) Probanden in einem Modellraum (38 m3-Emissionskammer) gegenüber VOC-Komplexgemischen aus Hölzern bzw. Holzwerkstoffen exponiert. Vor und nach Exposition finden medizinische Untersuchungen sowie Fragebogenerhebungen statt [Erhebung mittels „Visual Analoge Scales“ (VAS) während der Exposition]. Zudem werden irritative und immunologische Effekte (IgE, CRP, Zytokine) und apparative Untersuchungen (Lungenfunktion, Messung von NO im Exhalat) objektiviert. Die Expositionshöhen in der Kammer werden mittels GC-MSD und weiterer analytischer Methoden bestimmt und mit den biologischen Effekten korreliert. Die Ergebnisse werden nach Studienabschluss publiziert.    

Pilotstudie: Evaluierung möglicher Beziehungen zwischen Emissionen aus Büromaschinen, insbesondere aus Fotokopierern und Laserdruckern, und Gesundheitsbeeinträchtigungen bzw. Gesundheitsschäden bei exponierten Büroangestellten  

Während der letzten Jahre häuften sich Meldungen von Büroangestellten über Gesundheitsbeeinträchtigungen, die auf Expositionen gegenüber Emissionen von Büro-maschinen, insbesondere Laserdruckern und Kopiergeräten zurückgeführt werden. Bei den dem Druckvorgang zugrunde liegenden, elektrophotographischen Verfahren laufen komplexe Prozesse ab, bei denen Toner- und Papierbestandteile unter Einwirkung von Licht und höheren Temperaturen reagieren können. Hierbei können flüchtige, organische Verbin-dungen (VOC), partikuläre Bestandteile aus Tonern und Papieren sowie Gase (Ozon) freigesetzt werden und zu Beeinträchtigung der Innenraumluftqualität führen. Bisher existie-ren keine personenbezogenen Studien, die eventuelle Beziehungen zwischen Bürogeräteemissionen und Gesundheitsstörungen zu belegen bzw. zu widerlegen in der Lage wären. Ebenso fehlen systematische Analysen geräteassoziierter Luftverunreinigungen an Arbeitsplätzen. Ziel der Pilotstudie (Machbarkeitsstudie) ist es, Anhaltspunkte zu erhalten, ob der Betrieb von Laserdruckern und Kopierern Einfluss auf die (gesundheitsrelevante) Innenraumluftqualität (IAQ) besitzt, und ob sich unter Berücksichtigung anderer beeinflussender Faktoren bei den von den Betroffenen geäußerten Gesundheitsbeschwerden um ein definierbares Beschwerde- bzw. Symptommuster handelt, das mit Büroarbeitsplätzen und IAQ assoziiert ist. Methoden zur Charakterisierung bürospezifischer Emissionen und büroassoziierter Gesundheits- bzw. Befindensstörungen sollen evaluiert werden. Insgesamt werden 63 Büroräume und die darin arbeitenden Menschen betrachtet. Die personenbezogenen Daten werden durch das interdisziplinäre Team des HZKUM Giessen erhoben, d.h. Anamnese, standardisierte Fragebogenerhebung, Konzentrationstest, körperliche Untersuchung (orientierende). Laboruntersuchungen sowie Spirometrie finden ebenso statt. Büroraumbezogene Untersuchungen umfassen physikalische Parameter (Temperatur, rel. Feuchte, Luftströmung), anorganische Gase (O3, CO, CO2, NO, NO2), VOC und TVOC, Partikelzählung (15 PM-Fraktionen) sowie Luftkeim-sammlung. Alle Untersuchungen werden vor Arbeitsbeginn, nach Inbetriebnahme der Drucker und Kopierer mit standardisierten Druckprogrammen sowie nach Arbeitsbeginn in den Büros unter Realraumbedingungen durchgeführt.

Abschlussbericht als pdf-Dokument