03/2000

Ozon - ein mutmaßliches Umweltkanzerogen?

T. Gebel

Einleitung

Im Jahr 1995 erfolgte eine toxikologische Neubewertung von Ozon für den Arbeitsplatz. Dies hatte eine verstärkte öffentliche Diskussion über die gesundheitliche Bedeutung des auch bei Sommersmog in der Umwelt vorkommenden Reizgases zur Folge. Ozon war als "möglicherweise krebserzeugend beim Menschen" behaftet der Kategorie 3 der gesundheitsschädlichen Arbeitsstoffe zugeordnet worden. Eine Klassifikation in diese Kategorie ist vorläufig und erfolgt auf der Basis einer unzureichenden Datenlage, die den Verdacht auf eine krebserregende Wirkung nahelegt.

Bei denjenigen Stoffen der Kategorie 3, denen zudem ein genotoxisches Potential, d.h. eine direkt DNA-schädigende Wirkung zugesprochen wird, wird der MAK-Wert, die am Arbeitsplatz maximal erlaubte Konzentration dieses Stoffes, ausgesetzt. Dies ist für Ozon der Fall. Das Aussetzen des MAK-Wertes basiert auf der Überlegung, daß theoretisch ein einziges Molekül zur Induktion einer Tumorerkrankung (hier Lungentumoren) führen könnte und somit kein toxikologisch begründeter Grenzwert festgelegt werden kann, da die Exposition auf null reduziert werden müßte. Da dies in der Regel an den entsprechenden Arbeitsplätzen in der Praxis nicht möglich ist, wird der toxikologisch begründete MAK-Wert durch einen TRK-Wert, die Technische Richtkonzentration, ersetzt. Diese gibt die am Arbeitsplatz nach dem Stand der Technik zu erreichende niedrigste Konzentration an und ist nicht toxikologisch begründet.

Der vormalige MAK-Wert für Ozon von 200 ľg O3/mł wurde nach der oben erwähnten Neubewertung durch einen TRK-Wert in gleicher Höhe ersetzt. Numerisch hat sich also 1995 für die Ozonexposition am Arbeitsplatz nichts geändert, es ergibt sich jedoch aufgrund dieser Situation ein Problem hinsichtlich des in der Umwelt ubiquitär vorkommenden pulmonalen Reizgases: jeder Mensch in Deutschland kann bei Aufenthalt im Freien bei klaren Sommertagen zeitweise Ozon in Konzentrationen von 100 ľg O3/mł bis über dem gültigen Arbeitsplatz-TRK-Wert von 200 ľg O3/mł ausgesetzt sein; der Stoff aber ist seit der Neueinstufung für den Arbeitsplatz mit dem Verdacht einer kanzerogenen Wirkung behaftet.
Umweltbedingte Exposition
mit Ozon

Im Innenraum (auch von KFZ), wo sich der Mensch überwiegend aufhält, ist die Ozonexposition vernachlässigbar, da der Stoff an Oberflächen schnell abreagiert. Die bis vor einigen Jahren vorkommenden höheren Ozonemissionen von Fotokopierern und Laserdruckern wurden durch Einbau von Aktivkohlefiltern in die Geräte minimiert und sind damit kein Problem mehr.

In der Außenluft wird Ozon bei starker Sonnenlichteinstrahlung hauptsächlich durch Stickoxid- und Kohlenwasserstoffemissionen des Kraftfahrzeugverkehrs generiert. Es werden weitere Sekundärschadstoffe wie Peroxyacetylnitrat, Acrolein und Formaldehyd gebildet, Ozon aber stellt mit bis zu 90 Prozent die Hauptkomponente dar. Nachts wird Ozon in städtischen Ballungsgebieten aufgrund des Mangels an UV-Licht durch Reaktion mit verkehrsbedingt emittiertem Stickstoffmonoxid zu großen Teilen wieder abgebaut. Mit dem Wind kann es aus Ballungsgebieten in sog. "Reinluftgebiete" transportiert werden. Dort kommt es aufgrund des Stickstoffmonoxidmangels (wenig KFZ-Verkehr) nicht zu einem bedeutenden Ozonabbau in der Nacht, so daß sich die Ozonwerte bei langandauernden Schönwetterlagen in diesen Regionen aufschaukeln können (Abb. 2). Die zukünftige Entwicklung der Expositionen wird mit der Reduktion der Emissionen des KFZ-Verkehrs durch zunehmend abgasärmere Kraftfahrzeuge weiter rückläufig sein.

Ozon - Eigenschaften und Wirkungen

Da Ozon chemisch sehr reaktiv und ein starkes Oxidationsmittel ist, reagiert es generell an allen Oberflächen ab, auf die es auftrifft. Es besitzt eine relativ geringe Wasserlöslichkeit und gelangt aus diesem Grund nach Inhalation verstärkt in die tieferen Atemwege. Bei Ruheatmung werden je 50 Prozent des inhalierten Ozons in den oberen Atemwegen und den Bronchien absorbiert; bei körperlicher Belastung gelangen 25 Prozent bis in die Alveolen, der in den oberen Atemwegen aufgenommene Anteil sinkt auf 10 Prozent. Ozon reagiert zu 90 Prozent in der Lungenflüssigkeit ab, der restliche Anteil gelangt zur Abreaktion an die Epithelialzellmembranen (Abb. 3). Die hauptsächlich entstehenden Folgeprodukte sind verschiedene Aldehyde sowie Wasserstoffperoxid (H2O2), in geringerem Ausmaß entstehen Radikale und im wasserfreien Milieu der Zellmembran ringförmige Ozonide. In weiteren Folgereaktionen entsteht auch das hoch toxische Hydroxylradikal (•OH), durch Wasserstoffperoxid sind zudem Peroxidationsprozesse von Zellmembranlipiden die Folge. Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale sind typische Vertreter des Sauerstoffstreß. Das Auftreten von Sauerstoffstreß ist generell mit der Sauerstoffatmung verknüpft und tritt auch ohne erhöhte Ozon-Exposition auf: zur Verbrennung von organisch gebundenem Kohlenstoff wird Luftsauerstoff chemisch aktiviert, daher werden im menschlichen Körper in einer Vielzahl von Stoffwechselwegen permanent reaktive Spezies von Sauerstoff als Nebenprodukte freigesetzt. In ganz basalen zellulären Funktionen wie der Atmungskette, aber auch z.B. bei der ß-Oxidation von Fettsäuren in den Peroxisomen sowie im Fremdstoff- und Arzneistoffwechsel werden diese Spezies frei. Insbesondere durch eine dieser Spezies, das Hydroxylradikal, wird die DNS angegriffen. Sowohl nach erhöhtem Sauerstoffstreß als auch nach hoher Ozonexposition konnten im Laborexperiment die gleichen DNS-Basenveränderungen nachgewiesen werden, vor allem 8-Hydroxyguanin, Thyminglykol und 5-Hydroxymethyluracil, welche Mutationen zur Folge haben können. Über diesen Weg könnte die mutmaßlich krebserregende Wirkung von Ozon erklärt werden. Nun ist der Organismus sehr gut gegen Sauerstoffstreß gewappnet und hat sich seit Beginn der Luftatmung daran angepaßt: eine sehr große Zahl von Enzymen wie auch Antioxidantien können die reaktiven Vertreter von Sauerstoff und auch von Ozon inaktivieren sowie die oxidativen Schäden an der DNA effektiv reparieren. In einem gewissen Rahmen kann der Organismus auf erhöhten Sauerstoffstreß und wohl auch auf Ozon reagieren, indem er die Spiegel dieser Enzyme und der Antioxidantien erhöhen kann. Kommt es jedoch durch sehr hohe Belastungen zu einer chronischen Überlastung dieser Schutzreaktionen, ist durchaus denkbar, daß Ozon über diesen Weg Lungentumore erzeugen könnte. Ein weiterer Mechanismus, über den Ozon Tumore zur Folge haben könnte, ist seine chronisch inflammative Wirkung. Damit ist eine mitogene Wirkung (Promotorwirkung) verbunden, ruhende Zellen werden erneut zur Mitose angeregt. Initiierte, d.h. vorgeschädigte Zellen können über diesen Weg zu malignen Tumorzellen entarten.
Beide Mechanismen weisen darauf hin, daß es erst bei vergleichsweise hohen Ozonexpositionen zu einem erhöhten Risiko der Induktion von pulmonalen Tumoren kommen dürfte.

Kanzerogenität

Die Ergebnisse zweier neuerer Studien können die Schwierigkeiten in der Bewertung der Kanzerogenität von Ozon exemplarisch beleuchten. Im einem 1994 publizierten Langzeittierversuch des US-amerikanischen National Institute of Health zeigte sich lediglich bei weiblichen Mäusen unter der höchsten Expositionsdosis von
2 000 ľg O3/mł eine statistisch signifikant erhöhte Rate bronchioalveolärer Adenome und Karzinome. Weder bei 240 noch bei 1 000 ľg O3/mł zeigten sich erhöhte Lungentumorraten, sowie auch nicht bei den männlichen Mäusen oder den ebenfalls untersuchten Ratten beider Geschlechter.

Zur pulmonalen Humankanzerogenität von Ozon wurde 1977 bis 1992 in Kalifornien (Großräume San Francisco, San Diego und Los Angeles) eine prospektive epidemiologische Studie mit 6 338 Personen im Alter von 27 " 95 Jahren durchgeführt. Lediglich bei den männlichen Probanden zeigte sich mit 16 Fällen von Lungenkrebs eine signifikante Assoziation zu deren Ozon-Exposition. Diese lag mit im Mittel 556 h pro Jahr mit Ozon > 200 ľg/mł etwa um den Faktor zehn höher als bei einem vergleichsweise langen Aufenthalt im Freien in Deutschland. Die weiblichen Studienteilnehmer waren aufgrund ihres zeitlich kürzeren Aufenthaltes im Freien um 50 Prozent weniger mit Ozon exponiert, was die fehlende Korrelation von Lungentumoren und Ozonexposition für das weibliche Geschlecht erklären könnte. Die Bewertung dieser Befunde wird dadurch erschwert, daß die Ozonbelastung mit der Luftbelastung von Fein- und Ultrafeinstäuben assoziiert war, so daß die Lungentumoren bei den männlichen Probanden möglicherweise durch diese Stäube (mit-) verursacht waren und nicht durch Ozon (allein). Weiter waren für die Studie Adventisten des 7. Tages ausgewählt worden, da der Konsum von Rauchwaren in dieser religiösen Gruppe verpönt ist. Daher dürften in diesem Personenkreis durch Rauchen so gut wie keine Lungentumoren erzeugt worden sein. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, daß der (heimliche) Konsum von Zigaretten real höher war als bei der Befragung während der Studie angegeben.

Aus diesen exemplarischen Studien läßt sich zusammenfassend der folgende Schluß ziehen: wenn Ozon ein pulmonal kanzerogenes Potential haben sollte, ist dies nur bei sehr hohen Expositionen, die chronisch zu einer Überlastung der entsprechenden Schutzmechanismen und/oder zu einem dauerhaften Entzündungsreiz führt, relevant.

Zusammenfassung und Ausblick

Seit 1998 kann eine dosisabhängige Bewertung bestimmter Kanzerogene für den Arbeitsplatz Berücksichtigung finden. So gibt es kanzerogene Stoffe, für die aufgrund von Kenntnissen zum Wirkungsmechanismus oder der Wirkungsstärke belegt ist, daß sie erst oberhalb bestimmter Belastungen zu einer nennenswerten Induktion von Tumoren führen. Für solche Stoffe kann seit 1998 eine toxikologisch begründete maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK-Wert) angegeben werden, der MAK-Wert wird nicht mehr automatisch ausgesetzt. Auch für Ozon weisen die vorliegenden Daten durchaus in diese Richtung; eine arbeitsplatzbezogene Neubewertung unter Berücksichtigung dieser neuen Verhältnisse ist jedoch bisher nicht erfolgt. Ein nennenswertes kanzerogenes Potential scheint für Ozon erst ab einer bestimmten Expositionshöhe zu einer chronischen Überlastung der Schutzmechanismen gegen Sauerstoffstreß und/oder zu einem dauerhaften Entzündungsreiz zu führen. Die Höhe dieser Exposition liegt mit einer großen Wahrscheinlichkeit über den in Deutschland vorliegenden Belastungen bei Sommersmog. Neben dieser mutmaßlich wohl schwachen kanzerogenen Wirkung von Ozon darf bei Festlegung der Grenzwerte jedoch nicht seine akut pulmonale Reizwirkung vergessen werden, die insbesondere bei empfindlichen Personenkreisen wie Kindern berücksichtigt werden muß. Daher erscheint eine Expositionsminimierung aus präventivmedizinischer Sicht generell sinnvoll.

Anschrift des Verfassers:

PD Dr. rer. nat. Thomas Gebel
Allgemeine Hygiene und Umweltmedizin
der Georg-August-Universität Göttingen
Windausweg 2
37073 Göttingen

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Diese Seite wurde zuletzt aktualisiert am: 10.03.2000

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