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Feinstaub: Wie ein Waldbrand der Gesundheit schadet

Der Rauch von Waldbränden verursacht jedes Jahr schätzungsweise zehn- bis hunderttausende vorzeitige Todesfälle. Was richtet der Qualm im Körper an? Und lässt sich etwas dagegen unternehmen?
Ein Feuerwehrwehrmann steht allein im brennenden Wald

An einem kühlen Septembermorgen 2021 in San Francisco packt eine Gruppe von Feuerwehrleuten ihre Ausrüstung in einen knallroten Einsatzwagen. In der Luft liegt der stark süßliche Geruch von Kiefernharz von einem rasch anwachsenden Waldbrand. Der steht kurz davor, das größte Einzelfeuer in der Geschichte Kaliforniens zu werden. Das so genannte Dixie Fire breitet sich über die Berge der Sierra Nevada aus und wird letztlich mehr als 3900 Quadratkilometer Wald zerstören, bevor es Ende Oktober vollständig unter Kontrolle gebracht werden kann.

Ehe die Feuerwehrleute allerdings die 1000 anderen Helfer bei den Löscharbeiten unterstützen können, müssen sie noch einen Stopp einlegen: In einem kleinen Klassenzimmer im Schulungsgebäude der Feuerwehr von San Francisco nimmt eine Forschergruppe um die Biologin Mary Prunicki von der nahe gelegenen Stanford University Blutproben von jedem einzelnen Feuerwehrmann und lässt sie Fragebogen ausfüllen.

Die Proben vergleicht die Expertin für Umweltverschmutzung mit denjenigen, die die Feuerwehrleute bei ihrer Rückkehr abgeben. Prunicki möchte herausfinden, wie der Körper auf den Rauch reagiert. Treten beispielsweise Entzündungen oder Veränderungen der Immun- und Herzfunktion auf?

Der Rauch von Waldbränden ist jedes Jahr für Zehn- bis Hunderttausende von vorzeitigen Todesfällen auf der ganzen Welt verantwortlich. Prunicki ist eine von einigen hundert Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit, die die gesundheitlichen Auswirkungen der Rauchbelastung systematisch untersuchen. Sie will aufklären, weshalb der Qualm für den Menschen schädlicher ist als andere Formen der Umweltverschmutzung.

Die Forschenden untersuchen dabei sowohl die kurz- als auch die langfristigen Auswirkungen. Außerdem beschäftigen sie sich mit der Frage, wer den Schadstoffen am stärksten ausgesetzt ist und wie man die Menschen und ihre Gesundheit vor den Rauchschwaden schützen kann, die sich nach einem Brand wie dem Dixie Fire über Tausende von Kilometern erstrecken können.

Ein kleiner Funke kann ein Inferno auslösen

Besonders in den vergangenen Jahren sind solche Fragen dringlicher geworden, da der Klimawandel Dürren und Hitzewellen weltweit verschärft hat. Risikobehaftete Flächen, auf denen bereits ein kleiner Funke die trockene Vegetation in Brand setzen und ein Inferno auslösen kann, gibt es mittlerweile doppelt so viele wie noch vor einigen Jahren. Infolgedessen nehmen Häufigkeit, Ausmaß und Intensität von Waldbränden auf der ganzen Welt zu. Offensichtlich dauern deshalb auch die Rauchperioden immer länger an.

Waldbrände haben in den vergangenen zehn Jahren vor allem den Westen der Vereinigten Staaten verwüstet – doch einige andere Länder hatten ebenfalls mit den schlimmsten Brandkatastrophen seit Generationen zu kämpfen. So verbrannte in Sibirien 2021 eine größere Fläche als im gleichen Jahr durch alle anderen Brände der Welt zusammen. Und Australien leidet noch immer unter den Folgen der verheerenden Buschbrände der Jahre 2019 und 2020, die umgangssprachlich als »Black Summer« bezeichnet werden. Tausende Häuser wurden zerstört und mindestens 30 Menschen sowie hunderte Millionen von Tieren verloren ihr Leben.

»Die letzten 5 Jahre sind mit den 10 bis 15 Jahren davor nicht vergleichbar«, sagt Sam Heft-Neal, ein Umweltökonom an der Stanford University, der die Gesundheitsrisiken von Waldbränden untersucht. Man habe es nun mit einem völlig anderen Feuerregime zu tun.

Waldbrände: Eine toxische Partikelmischung

Der Rauch von Waldbränden enthält dutzende verschiedener Partikel, darunter Ruß und chemische Verbindungen wie Kohlenmonoxid. Im Fokus der Fachleute für Luftqualität stehen allerdings vor allem die kleinsten Partikel im Qualm, die nur einen Durchmesser von 2,5 Mikrometer oder weniger haben – das ist ein 40stel der durchschnittlichen Dicke eines menschlichen Haares.

Die Feuerwehrleute, die Prunicki untersucht, werden mit großen Mengen dieses so genannten PM2,5-Feinstaubs konfrontiert. Laut Francesca Dominici, Biostatistikerin an der Harvard T. H. Chan School of Public Health in Boston, Massachusetts, ist jede noch so kleine Menge an eingeatmetem Feinstaub bedenklich, da er bis in die feinsten Ritzen der Lunge vordringt und von dort in den Blutkreislauf gelangt.

Auf Rauch in den Atemwegen reagiert der Körper, als wären dort Keime oder Infektionen, sagt Fay Johnston, Umweltepidemiologin an der University of Tasmania in Hobart, Australien. Das geht mit einer ganzen Reihe von physiologischen Veränderungen einher: Das Hormon Kortisol und der Blutzuckerspiegel steigen an, was wiederum den Herzschlag unregelmäßiger macht und die Wahrscheinlichkeit von Blutgerinnseln erhöht. Die Lungenschleimhaut entzündet sich, wodurch das Atmen schwerfällt.

»Man atmet nur noch eine giftige Suppe ein«(Biostatistikerin Francesca Dominici, Harvard University)

Prunicki hofft, diese physiologischen Veränderungen zu verstehen, indem sie bestimmte Moleküle im Blut misst – so genannte Biomarker, die über die momentane Funktion der Atemwege und des Immun- sowie des Herz-Kreislauf-Systems Auskunft geben. An den Feuerwehrleuten, die berufsbedingt einer hohen Rauchbelastung ausgesetzt sind, möchte sie herausfinden, ob sich eine Exposition in den Biomarkern bemerkbar macht. Und wenn ja: Sind die Veränderungen dauerhaft und ähneln sie denjenigen von Menschen, die anderweitig einer hohen Rauchbelastung ausgesetzt sind?

In der Nähe eines Feuers kann die PM2,5-Belastung manchmal mehr als 15-mal so hoch sein wie der von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) festgelegte 24-Stunden-Grenzwert von 35 Mikrogramm pro Kubikmeter. Doch viele Feuerwehrleute würden bei der Brandbekämpfung keine Atemschutzmasken tragen, weil diese hinderlich sind, sagt Prunicki.

»Unverschämt hoch«, findet Francesca Dominici den Wert. »An diesem Punkt atmet man nur noch eine giftige Suppe ein.« Aber selbst niedrigere Werte können der Statistikerin zufolge ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko darstellen, weil die Menschen unter solchen Bedingungen weniger dazu neigen, Schutzmaßnahmen zu ergreifen. Wie Prunicki und Kollegen zeigen konnten, kann selbst in mehr als 100 Kilometer von Waldbränden entfernten Gebieten die Rauchexposition so hoch sein, dass die dort lebenden Menschen eine Reihe von Biomarker-Veränderungen zeigen, die auf eine Fehlfunktion des Immun- und des Herz-Kreislauf-Systems hindeuten.

Außerdem kann Rauch Menschen für Infektionskrankheiten anfälliger machen oder die Symptome von Atemwegserkrankungen verschlimmern, etwa von Covid-19 oder der Grippe. Dominici und ihre Kollegen schätzen, dass erhöhte PM2,5-Werte während der Brandsaison 2020 in Washington, Kalifornien und Oregon zu etwa 19 700 zusätzlichen Covid-19-Erkrankungen und 750 Todesfällen geführt haben könnten.

Gemäß der anerkanntesten Hypothese machen sich hier die negativen Einflüsse auf das Immunsystem und Entzündungen durch PM2,5 bemerkbar. Betroffene werden anfälliger für Infektionen, was zu einem Ansteigen der Fälle führt. Zusätzlich verschlimmern sich die Symptome der Krankheit. Eine umstrittenere Vermutung ist laut Dominici, dass manche Atemwegsviren – darunter auch Sars-CoV-2 – auf den Feinstaubpartikeln haften und so in das Lungengewebe eindringen können.

Riskante Exposition

Vor allem wenn Millionen Menschen gleichzeitig vom Rauch betroffen sind wie während des »Black Summer« in Australien, machen sich die gesundheitlichen Auswirkungen bemerkbar. Das Team um Fay Johnston berichtete, dass der Rauch der Brände zu Tausenden von Krankenhausaufenthalten und Hunderten von Todesfällen auf Grund von Herz- und Atemwegsproblemen geführt hat. Immerhin waren mehr als 80 Prozent der australischen Bevölkerung einer erhöhten Rauchbelastung ausgesetzt.

Generell zeigen die Forschungsdaten: An Tagen mit hohem Rauchaufkommen steigt die Anzahl der Personen, die mit Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen sowie Diabetes ins Krankenhaus eingeliefert werden – insbesondere bei Kindern und älteren Menschen. Auch bei Schwangeren besteht ein höheres Risiko, an Schwangerschaftsdiabetes oder Bluthochdruck zu erkranken oder ein untergewichtiges Kind zu gebären: Heft-Neal schätzt, dass sich fast 7000 Frühgeburten in Kalifornien zwischen 2007 und 2012 auf die Exposition gegenüber Waldbrandrauch während der Schwangerschaft zurückführen lassen.

Hier spiele auch der sozioökonomische Status eine Rolle, sagt Dominici. Denn Menschen in ärmeren Gegenden arbeiteten eher im Freien, zum Beispiel in der Landwirtschaft oder im Baugewerbe. Außerdem hätten sie häufiger andere Krankheiten und weniger Zugang zu einer angemessenen Gesundheitsversorgung oder Luftfilteranlagen. Auf Grund dieser Faktoren würden Waldbrände zu einer noch größeren Belastung für einkommensschwache Regionen.

Welche Langzeitfolgen hat die Rauchbelastung?

Die Untersuchung der langfristigen gesundheitlichen Auswirkungen von Rauch auf den Menschen hat sich als schwierig erwiesen. Längsschnittstudien, die den Gesundheitszustand der Menschen nach der Exposition verfolgen, müssten sich über Jahrzehnte erstrecken. Noch dazu sollten sie zwischen den Auswirkungen vieler verschiedener Umweltexpositionen unterscheiden.

Im Jahr 2008 bot sich der Immunologin Lisa Miller von der University of California in Davis eine gute, wenn auch traurige Gelegenheit, langfristige Auswirkungen in einer kontrollierten Population zu beobachten. Sie führte gerade an einer Gruppe von Rhesusaffen (Macaca mulatta) eine Studie zu Allergien und Asthma durch, als schlimme Brände Nordkalifornien heimsuchten. 25 neugeborene Makaken waren zehn Tage lang einer PM2,5-Belastung ausgesetzt, die über dem US-amerikanischen Grenzwert lag.

Seit diesem Vorfall überwacht Miller die Gesundheit der Affen und die ihrer Nachkommen. Im Vergleich zu Makaken, die im darauf folgenden Jahr geboren wurden, wies die Gruppe von 2008 eine geringere Immunreaktion und eine geringere Lungenkapazität auf. In einer noch nicht veröffentlichten Studie untersuchte das Immunologen-Team die Lungen der Tiere und stellte fest, dass sich das zugehörige Gewebe verhärtet hatte, was womöglich die Atmung beeinflusst. Vielleicht kompensieren die Affen auf diese Art und Weise die eingeschränkte Atemfunktion.

Miller denkt, dass diese Daten auch Hinweise auf die langfristige Toxizität des Rauchs von Waldbränden für die Atemwege und die Immunfunktion des Menschen liefern. Man könne sicher sagen, dass er schädlich sei, sagt sie. Gleichwohl ließen sich die Ergebnisse nicht direkt auf den Menschen übertragen. Die meisten sind nicht rund um die Uhr im Freien wie die Affen aus dem kontrollierten Experiment. Hinzu kommt, dass Menschen anders auf Rauch reagieren könnten als Makaken.

Der Forschung gehen die unbelasteten Kontrollgruppen aus

Um das tatsächliche Ausmaß der Rauchbelastung durch Waldbrände für Menschen zu bestimmen, wenden Forscher Techniken des maschinellen Lernens auf meteorologische Modelle und hochwertige Satellitendaten an. Damit können sie vorhersagen, wie sich der Qualm durch die Atmosphäre bewegt. Zusätzlich liefern Sensoren, die die Luftqualität in Häusern messen, den Forschern eine Flut von Echtzeitdaten. Auf diese Weise können sie die PM2,5-Werte immer genauer verfolgen.

Doch präzisere Daten lösen folgendes Problem nicht: »Den Wissenschaftlern gehen die Vergleichsgruppen aus«, sagt Lisa Miller. Schlechte Luftqualität ist heute allgegenwärtig – mehr als 90 Prozent der Kinder auf der ganzen Welt atmen Luft ein, deren PM2,5-Werte über den Grenzwerten der Weltgesundheitsorganisation WHO liegen. Die Zahl der nicht exponierten Menschen oder Primaten für Langzeitstudien schrumpft kontinuierlich. Dieser Umstand mache die Forschung umso dringender, findet Miller.

Es gehe in dem Forschungsbereich nun besonders darum, zu verstehen, welche der chemischen Verbindungen im Waldbrandrauch die Atemwege mehr belasten als andere Arten der Luftverschmutzung und wie diese Stoffe mit menschlichen Zellen zusammenwirken und sie schädigen. Zwar würden wir in unseren Kaminen Holz seit Anbeginn der Zeit verfeuern, sagt sie. Heutzutage verbrenne aber nicht nur Biomasse, sondern gleichzeitig auch künstlich hergestelltes Material.

Schutz in geschlossenen Räumen suchen

Eine weitere wichtige Frage ist laut Heft-Neal, wie stark der Rauch in die Häuser eindringt. Generell empfehlen Gesundheitsbehörden den Risikogruppen, an Tagen mit schlechter Luftqualität in geschlossenen Räumen zu bleiben und alle Türen und Fenster zu schließen. Aber diese Empfehlungen seien »sehr allgemein und nicht differenziert«, sagt Johnston. In Australien sind ihr zufolge solche Ratschläge nicht besonders hilfreich, da die Wohnungen dort in der Regel nicht sehr gut isoliert sind.

Vorläufige Untersuchungen in kalifornischen Häusern mit Raumluftsensoren haben gezeigt, dass die Luft im Innern zwar weniger als die Hälfte der Feinstaubkonzentration im Freien enthielt. Gleichwohl stieg die PM2,5-Konzentration bei Waldbränden auch in Innenräumen fast um das Dreifache und übertraf damit den von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde festgelegten Grenzwert für die 24-Stunden-PM2,5-Belastung. Allerdings sind die Infiltrationsraten wahrscheinlich von Gebäude zu Gebäude unterschiedlich. Daher müsse man unbedingt herausfinden, welche Arten von Häusern sich am besten für den Schutz vor Luftverschmutzung eignen, findet Heft-Neal.

»Wir denken nicht darüber nach, was in dem Rauch ist. Wenn wir wüssten, was wir in unserem Beruf einatmen, wären wir nicht in der Lage, ihn auszuüben«(Leutnant Ken Smith, Fahrer eines Feuerwehrwagens)

Colleen Reid, eine Gesundheitsgeografin an der US-amerikanischen University of Colorado Boulder, misst die Luftqualität in Schulen. Das sind kritische Orte, da Kinder im Allgemeinen anfälliger für den Rauch von Waldbränden sind als Erwachsene. Reid und ihre Kollegen planen, die Luft innerhalb und außerhalb von Schulgebäuden in Colorado zu bestimmen und sie mit derjenigen im Zuhause der Schüler zu vergleichen. Nach den derzeitigen Leitlinien für die öffentliche Gesundheit in den USA ist es den einzelnen Schulbezirken überlassen, ob sie bei Ereignissen, die die Luftverschmutzung erhöhen, geöffnet bleiben. Es komme in solchen Fällen eigentlich darauf an, ob die Luftqualität in den Schulen oder zu Hause besser ist, sagt Reid. Doch diese Daten gebe es nicht wirklich.

Ihre Forschung könnte lokale Behörden bei der Frage unterstützen, ob Schutzräume mit gereinigter Luft eingerichtet werden sollten. Schulen könnten den Schülerinnen und Schülern dort tagsüber saubere Luft zur Verfügung stellen – sowie der gesamten Gemeinde, wenn kein Unterricht stattfindet, erklärt Reid.

Um solche Empfehlungen für die öffentliche Gesundheit zu erarbeiten, brauche es auf Gemeindeebene mehr Messstationen für die Luftqualität in Innenräumen. Das gelte gleichermaßen für die individuelle Überwachung, sagt Prunicki, insbesondere für diejenigen, die wie die untersuchten Feuerwehrleute einer hohen Belastung ausgesetzt sind. Ihre Forschungsarbeiten zu kardiovaskulären und immunologischen Biomarkern könnten die Grundlage dafür bilden, dass Feuerwehrleute und andere gefährdete Bevölkerungsgruppen eines Tages mit einem einfachen Bluttest feststellen können, ob sie ein gefährliches Maß an lebenslanger Rauchbelastung erreicht haben. Dann könnten sie zusätzliche Vorsichtsmaßnahmen ergreifen, um sich vor dem Qualm zu schützen. Prunicki zieht einen Vergleich zu Röntgentechnikern, die Dosimeter am Körper tragen, die ihre Strahlenbelastung überwachen. »Warum können wir das nicht auch mit Rauch machen?«, fragt sie.

Die Wurzel des Problems bekämpfen

Die Umweltepidemiologin Fay Johnston findet es ebenfalls wichtig, die gesundheitsschädliche Wirkung des Rauchs zu erforschen und das individuelle Risiko einzuschätzen. Sie gibt allerdings zu bedenken, dass sich diese Art Forschung nicht mit der Wurzel des Problems befasse: dem Klimawandel.

Man könne endlos forschen, um dann entzündungshemmende Mittel oder subventionierte Luftfilter zu empfehlen. »Wir werden aber nicht weiterkommen, bis wir endlich das grundlegende Problem angehen«, sagt sie und meint damit den Klimawandel. Den derzeit eingeschlagenen Weg findet sie schrecklich.

Klimamodelle prognostizieren, dass die Brände 2021 in Kalifornien und Russland erst der Anfang sind. Gemäß einer Bewertung des Klimawandels aus dem Jahr 2018 wird die jährlich verbrannte Fläche in Kalifornien beispielsweise bis zum Ende des Jahrhunderts um 77 Prozent zunehmen, wenn die Treibhausgasemissionen weiter steigen. Immerhin gibt es Bemühungen seitens Forschung und Politik, dieses Albtraumszenario abzuwenden.

Waldbrand in Kalifornien 2018 | Das »Woolsey Fire« brannte im November 2018 in Kalifornien knapp 40 000 Hektar Land nieder. Mehr als 295 000 Menschen wurden evakuiert.

Aktuelle Prognosen zeigen eine enorme Belastung des Gesundheitswesens durch steigende Emissionen, da möglicherweise Millionen von Menschen mit eingeschränkten Atemwegs-, Herz-Kreislauf- und Immunfunktionen zu kämpfen hätten, vor allem innerhalb der Hochrisikogruppen. Die zusätzlichen Gesundheitskosten im Zusammenhang mit vorzeitigen Todesfällen und Krankenhauseinweisungen, die auf den »Black Summer« in Australien zurückgehen, schätzen Fachleute beispielsweise auf zwei Milliarden australische Dollar (rund 1,3 Milliarden Euro). Dieser Betrag sei etwa zehnmal höher als der der vergangenen Jahre, sagt Johnston.

Unterdessen arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weiter daran, die Risiken einer Rauchexposition zu ermitteln. Die Einsatzkräfte beteiligen sich bereitwillig an der Forschung, fürchten jedoch die Ergebnisse. Als Leutnant Ken Smith die Tür seines Feuerwehrwagens öffnet, hält er inne: »Wir denken nicht darüber nach, was in dem Rauch ist. Wenn wir wüssten, was wir in unserem Beruf einatmen, wären wir nicht in der Lage, ihn auszuüben.«

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