Unsichtbarer Rauch: Was wir einatmen, wenn Kohle abgebaut und verbrannt wird

Ein Partikel, kleiner als ein Punkt

Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Als ultrafeine Partikel, kurz UFP, werden gewöhnlich Partikel bezeichnet, die kleiner als 100 Nanometer beziehungsweise 0,1 Mikrometer sind.

Ein menschliches Haar ist mehrere Zehntausend Nanometer dick. Die obere Größengrenze von PM2,5 — 2,5 Mikrometer — ist 25-mal größer als die anerkannte obere Grenze für UFP von 0,1 Mikrometer. Hier werden zwei Obergrenzen verglichen; das bedeutet nicht, dass jedes PM2,5-Partikel 25-mal größer ist als jedes UFP. Viele Viren liegen in derselben Größenordnung wie UFP, obwohl ein Virus und ein Schadstoffpartikel völlig verschiedene Dinge sind.

Der Unterschied zwischen PM2,5 und UFP besteht nicht einfach darin, dass die einen „groß“ und die anderen „klein“ sind. Die Kategorien schließen einander nicht aus: Ultrafeine Partikel können in der gesammelten PM2,5-Fraktion enthalten sein, doch eine Massenmessung von PM2,5 zeigt nicht, wie viele davon vorhanden waren. PM2,5 wird außerdem über den aerodynamischen Durchmesser definiert, während UFP in verschiedenen Studien anhand der elektrischen Mobilität oder anderer gemessener Eigenschaften getrennt werden können. Diese Größen hängen zusammen, stimmen aber nicht immer überein.

PM2,5 wird gewöhnlich als Masse gemessen. Bei UFP werden häufiger die Partikelanzahl und die Größenverteilung erfasst. Stellen Sie sich vor, ein einziges Korn würde in eine riesige Zahl von Nanopartikeln zerlegt: Die Gesamtmasse würde sich kaum verändern, aber die Zahl der Partikel und ihre gesamte Oberfläche würden stark zunehmen.

Auf dieser Oberfläche können organische Verbindungen, Sulfate und Metalle vorkommen. Ein und dasselbe Mikrogramm Aerosol kann deshalb je nach Größe, Zusammensetzung, Form und Löslichkeit der Partikel unterschiedlich biologisch wirksam sein.

Das Ergebnis hängt vom Messgerät ab. Ein Zähler, der Partikel ab 2,5 Nanometern erfasst, zählt mehr als ein Gerät mit einer unteren Erfassungsgrenze von 10 oder 20 Nanometern. Ergebnisse verschiedener Studien lassen sich nicht vergleichen, ohne den gemessenen Größenbereich, die Verdünnungsmethode und die Probenahmebedingungen zu kennen.

Die WHO hat keinen zahlenmäßigen gesundheitsbezogenen Grenzwert für UFP festgelegt. Stattdessen hat sie Empfehlungen für gute Praxis formuliert: die Partikelanzahlkonzentration, kurz PNC, messen, den Größenbereich des Instruments angeben und das Monitoring ausbauen. Als Orientierungswerte bezeichnet die WHO einen 24-Stunden-Mittelwert unter 1.000 Partikeln pro Kubikzentimeter als niedrig und über 10.000 als hoch; bei einem Stundenmittel beginnt ein hoher Wert bei 20.000. Das sind Orientierungswerte für die Luftüberwachung, keine gesetzlichen Grenzwerte oder Sicherheitsschwellen.¹

Woher sie kommen

UFP entstehen nicht nur durch Kohle.

Sie werden von Motoren, Luft- und Schifffahrt, Metallurgie, Schweißarbeiten, Heizungen, Kochen, Kerzen und Tabakrauch erzeugt. Nanopartikel entstehen auch bei Waldbränden und vulkanischer Aktivität. Manche Partikel werden direkt ausgestoßen; andere bilden sich erst in der Luft, wenn Gase abkühlen, oxidieren und kondensieren.

Ein hoher Messwert allein genügt nicht, um die Herkunft der Partikel zu bestimmen. In einer Industriestadt können eine Straße, ein Heizwerk, häusliche Feuerungen, eine Ölraffinerie und andere Quellen dicht beieinanderliegen. Forschende müssen ihre jeweiligen Beiträge voneinander trennen.

Dazu vergleichen sie Größe, chemische Zusammensetzung und Form der Partikel mit der Windrichtung und den Betriebszeiten industrieller Anlagen. Anschließend helfen Modelle dabei, die Beiträge verschiedener Quellen zu unterscheiden.

Der Weg der Kohle: vom Flöz bis zum Schornstein

Abbau

Wenn Gestein mechanisch zerkleinert wird, stammt der größte Teil der sichtbaren Staubmasse gewöhnlich von größeren Partikeln. Doch auch in einem Bergwerk oder Tagebau gibt es weitere Quellen sehr feiner Aerosole: Dieselmotoren, Sprengungen, Verbrennung und erhitzte Oberflächen.

In einem untertägigen Kohlebergwerk in den USA maßen Forschende Diesel-Aerosole im Bereich von 5,6 bis 560 Nanometern. Das bestätigt unmittelbar das Vorkommen von Nanopartikeln in der Arbeitsplatzluft, zeigt aber nicht, dass das gesamte Aerosol im Bergwerk aus Kohle stammt.²

Zum Vergleich betrachtete ich eine Studie aus einem modernen untertägigen Chrombergwerk in Finnland. Es war kein Kohlebergwerk, doch viele Prozesse waren ähnlich: Zerkleinern, Entladen, Förderbandtransport, Sprengungen und dieselbetriebene Maschinen. Die Partikelzahlen unterschieden sich stark zwischen den Messorten. Die Autoren führten einen erheblichen Anteil der PM1-Masse auf Dieselabgase und an einigen Orten auf Sprengungen zurück.³ Die Instrumente erfassten mehrere Größenbereiche. Die Studie vermittelt daher ein Gesamtbild feiner Partikel in einem Bergwerk, aber keinen universellen Wert allein für UFP.

Die Studie hilft zu erkennen, wo in einem Bergwerk sehr feine Partikel entstehen. Aus ihr lassen sich keine Emissionen für jeden Kohletagebau berechnen; dafür sind Messungen am jeweiligen Standort erforderlich.

Im Kusbass isolierten Forschende aus Staub, der sich im Schnee nahe den Tagebauen Batschatski, Nowobatschatski und Permjakowski sowie dem Kraftwerk Belowo angesammelt hatte, eine Fraktion kleiner als 0,1 Mikrometer. Sie untersuchten deren Zusammensetzung und Wirkung auf Zellen.^{4, 5}

Das ist ein wertvoller lokaler Befund für unser Thema. Schnee sammelt jedoch über Monate hinweg Schadstoffe. Eine solche Probe zeigt, was sich über einen langen Zeitraum auf der Oberfläche abgelagert hat. Solche Proben belegen weder, wie viele UFP ein Mensch in einer bestimmten Stunde eingeatmet hat, noch trennen sie für sich genommen die Beiträge des Tagebaus, des Kraftwerks, der Maschinen und anderer Quellen.

Sprengungen, Zerkleinerung und Kohleaufbereitung

Eine Sprengung erzeugt eine Wolke aus Mineralstaub und Gasen. Ein Brecher zerkleinert Gestein und Kohle. Eine Kohleaufbereitungsanlage trennt und bewegt das Material. Bei all diesen Prozessen entsteht Staub. Strenge, vergleichbare Studien, die speziell Partikel unter 100 Nanometern an Kohleanlagen messen, sind jedoch deutlich seltener als Untersuchungen zu PM10 und alveolengängigem Staub.

Ich fand deshalb keine verlässliche allgemeingültige Schätzung dazu, wie viele kohlebezogene UFP bei einer einzelnen Sprengung oder beim Zerkleinern einer Tonne Material entstehen.

Bergehalden, Abraumhalden und Grubenbrände

Wenn sich kohlehaltige Abfälle selbst erhitzen und brennen, kommen zu dem durch mechanische Einwirkung erzeugten Staub gasförmige Verbrennungsprodukte und neu gebildete Aerosole hinzu. In Material aus brennenden Kohleabfallhalden in Portugal fanden Forschende Kohlenstoffnanopartikel, ihre Agglomerate sowie Mineralpartikel im Nanometerbereich.⁶

Laborstudien zur Selbstentzündung zeigen, dass sich Menge und Zusammensetzung von Ruß und kondensierbaren Partikeln mit der Temperatur und der Verbrennungsphase verändern.⁷

Nanopartikel im brennenden Material nachzuweisen ist nur der erste Schritt. Um die Exposition der Anwohner zu beurteilen, muss gemessen werden, wie viele Partikel in die Luft gelangten, wie sie verdünnt und mit dem Wind verteilt wurden, wie sie sich in der Atmosphäre veränderten, wie sie in Häuser eindrangen und wie lange sich ein Mensch im belasteten Gebiet aufhielt. Für brennende Kohleabfallhalden konnte ich keine ausreichende Messbasis finden, die diesen Expositionsweg abdeckt.

Verkokung

Koksöfen emittieren eine Mischung aus Partikeln, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), Benzol und weiteren Stoffen. In einem Arbeitsbereich entfielen 96,85 % der gesamten Partikelzahl und 67,01 % der gesamten Oberfläche auf Partikel bis zu 1 Mikrometer.⁸

PM1 ist jedoch nicht dasselbe wie UFP. Diese Studie bestätigt, dass an einem bestimmten Standort eine sehr feine Fraktion zahlenmäßig dominierte; sie bestimmt nicht den genauen Anteil der Partikel unter 100 Nanometern.

Die Internationale Agentur für Krebsforschung (IARC) stuft berufliche Expositionen bei der Koksproduktion als krebserzeugend für den Menschen ein.⁹ Diese Einstufung betrifft die komplexe berufliche Mischung, nicht UFP als eigene Partikelgrößenklasse.

Kohlekraftwerk

Die mineralischen Bestandteile der Kohle werden im Kessel erhitzt. Weniger flüchtige Minerale bleiben zum Teil in größeren Aschepartikeln. Flüchtigere Stoffe verdampfen und bilden beim Abkühlen neue Keime oder kondensieren auf den Oberflächen vorhandener Partikel. Gleichzeitig entsteht Ruß; Schwefelverbindungen können Sulfat- und Schwefelsäureaerosole bilden.

Die Emissionen enthalten deshalb mehrere Partikelgruppen unterschiedlicher Größe. Daher wird die Größenverteilung von Kohleasche als bimodal oder multimodal beschrieben.

An drei untersuchten Kohlekraftwerken dominierten nach der Abgasreinigung Nanopartikel die Anzahl der verbliebenen Partikel, obwohl sie nur wenig zur Gesamtmasse beitrugen. Schwefelsäureaerosole spielten an diesen Anlagen eine wichtige Rolle.¹⁰

Die Reinigungssysteme waren dennoch wirksam. In einer Studie chinesischer Kraftwerke lagen die berichteten Gesamtabscheidegrade bei Elektrofiltern zwischen 96,38 und 99,89 % und bei einem Gewebefilter bei 99,94 %. Beide Systeme hatten ihre geringste größenabhängige Effizienz bei Partikeln zwischen 0,1 und 1 Mikrometer; der Gewebefilter erfasste in diesem Bereich dennoch 99,54 %.¹¹ Der größte Teil dieses Bereichs liegt bereits oberhalb der UFP-Grenze. Die Gesamtabscheidung nach Masse allein zeigt nicht, wie viele Nanopartikel in den Emissionen verblieben oder welche Größen sie hatten.^{10, 11}

Häuslicher Ofen

Bei häuslichen Öfen ist der Schornstein niedrig und die Verdünnung begrenzt; eine unvollständige Verbrennung kann Ruß, teerartige organische Stoffe und eine große Zahl feiner Partikel erzeugen.

In einer vorläufigen Feldstudie in einem ländlichen Haushalt in China maß ein Zähler Partikel zwischen 10 und 420 Nanometern. Bei der Verwendung von Kohle lag die mediane Gesamtkonzentration bei 164.300 Partikeln pro Kubikzentimeter. Am zahlreichsten waren Partikel zwischen 31,6 und 100 Nanometern.¹² Die Zahl 164.300 bezieht sich auf den gesamten gemessenen Bereich, nicht nur auf UFP.

Das ist ein aufschlussreiches Beispiel dafür, was ein Mensch in einem mit Kohle beheizten Haus einatmen kann. Die Studie untersuchte einen Haushalt; für ein umfassenderes Bild wären vergleichbare Messungen an anderen Öfen, Kohlearten und Heizweisen erforderlich.

Der chemische Fingerabdruck der Kohle

Die Größe ist nur die halbe Geschichte. Die andere Hälfte ist die Zusammensetzung.

Beim Verbrennen von Kohle können Arsen, Selen, Antimon, Cadmium, Quecksilber und andere flüchtige oder halbflüchtige Elemente verdampfen und später auf den Oberflächen feiner Asche kondensieren oder mit ihnen reagieren. Ihre Konzentration kann deshalb in Partikeln unter einem Mikrometer höher sein als in größeren Partikeln.¹³

Das Wort „kann“ ist hier wichtig. Das Ergebnis hängt von der Lagerstätte, der chemischen Form des Elements in der Kohle, der Temperatur, dem Gehalt an Calcium, Eisen und Schwefel sowie vom Kesseltyp und der Abgasreinigung ab.

Eine Studie fand besonders hohe Gehalte an partikelgebundenem Quecksilber in der Fraktion unter 20 Nanometern.¹⁴ Die Ergebnisse können sich zwischen Kraftwerken unterscheiden. Deshalb sind Messungen an jeder einzelnen Anlage besonders wichtig.

Der mineralische Anteil von Kohleasche enthält häufig Alumosilikatkugeln, eisenhaltige Partikel und Magnetitpartikel. Zum organischen Anteil können Ruß und PAK wie Benzo[a]pyren, Phenanthren, Fluoranthen und Pyren gehören.

Picen wird mitunter als Marker für Kohlerauch verwendet. Um eine Quelle verlässlicher zu bestimmen, vergleichen Forschende ihn mit anderen PAK, organischen Markern, Elementen, der Windrichtung und dem Emissionsprofil örtlicher Anlagen.¹⁵

Dasselbe gilt für Arsen und Selen: Sie sind wichtige analytische Indikatoren, kommen aber nicht ausschließlich in Kohle vor. Eine Quelle wird anhand mehrerer zusammenwirkender Beleglinien bestimmt.

Wie Forschende den Beitrag der Kohle bestimmen

Es gibt mehrere Ansätze:

• PMF leitet statistische Quellenfaktoren aus den gemessenen Daten selbst ab, während CMB die Beiträge von Quellen anhand vorgegebener chemischer Quellenprofile schätzt;
• mit der Elektronenmikroskopie werden Form und Zusammensetzung einzelner Partikel untersucht;
• PAK-Verhältnisse und Gruppen organischer Marker helfen, Verbrennungsarten zu unterscheiden;
• die Radiokohlenstoffanalyse trennt fossilen von modernem Kohlenstoff;
• Wind, Zeitpunkt und räumliche Gradienten verbinden ein Aerosol mit einer in Betrieb befindlichen Quelle.

Jede Methode beantwortet nur einen Teil der Frage. Radiokohlenstoff kann fossile Brennstoffe von Holz unterscheiden, doch zur Trennung von Kohle, Öl und Gas sind zusätzliche Belege nötig. Ein statistisches Modell hängt von seinen Eingangsprofilen ab, und Marker-Verhältnisse verändern sich, wenn ein Aerosol in der Atmosphäre altert.

Der chemische Fingerabdruck der Kohle ist kein einzelner Stoff. Er besteht aus mehreren übereinstimmenden Indikatoren.

Kohle, Öl, Gas und Diesel: ihre Spuren

In einer Pilotfeuerungsanlage unterschieden sich die Spitzen der Partikelanzahlverteilung je nach Brennstoff: etwa 40–50 Nanometer bei Kohle, 70–100 bei Heizöl und 15–25 bei Gas. Das Spektrum veränderte sich jedoch erheblich durch Verdünnung, Temperatur und Alterung des Aerosols.¹⁶

Bei den untersuchten Großanlagen emittierten Gasturbinen direkt am Schornstein vergleichsweise wenige Partikel. Nach der Abgasbehandlung der kohlebefeuerten Anlagen sowie einer Fluid-Catalytic-Cracking-Anlage einer Raffinerie verblieben mehr Nanopartikel. Die Instrumente erfassten jedoch keine Partikel, die sich möglicherweise später in der Atmosphäre aus den ausgestoßenen Gasen bildeten.¹⁰

Jeder Brennstoff hinterlässt eine andere Spur. Gas erzeugt fast keine Mineralasche, setzt aber Stickoxide frei und kann zur Bildung sekundärer Partikel beitragen. Kohle bringt mineralische und elementare Bestandteile, Ruß und Schwefel hinzu. Diesel ist besonders dort bedeutsam, wo der Kraftstoff in unmittelbarer Nähe von Menschen verbrannt wird — in einem Bergwerk, einem Tagebau oder einer Stadt.

Was nach dem Einatmen geschieht

Das Absetzen von Partikeln in den Atemwegen wird als Deposition bezeichnet. Ein Teil der UFP lagert sich in der Nase und den oberen Atemwegen ab. Ein anderer Teil erreicht Bronchien und Lungenbläschen. Der Anteil hängt von Größe, Form und elektrischer Ladung der Partikel sowie von Atemmuster, körperlicher Belastung und Lungenerkrankungen ab.

In einer kontrollierten Studie war die Deposition ultrafeiner Kohlenstoffpartikel bei Menschen mit Asthma höher als zuvor bei gesunden Teilnehmenden gemessen, und sie nahm bei körperlicher Belastung zu. Besonders hoch war sie bei den kleinsten Partikeln.¹⁷

Nach der Deposition kann auf mehreren Wegen Schaden entstehen:

1. Ein Partikel reizt Lungenzellen.
2. Die Partikeloberfläche erzeugt reaktive Sauerstoffspezies.
3. Eine lokale Entzündung beginnt.
4. Bei der Entzündung gebildete Signalmoleküle wirken auf Blut, Blutgefäße und Nervensystem.
5. Lösliche Bestandteile gehen in biologische Flüssigkeiten über.
6. Ein kleiner Teil bestimmter Nanopartikel kann die Alveolarbarriere überwinden.

In einem Experiment mit Goldnanopartikeln wiesen Forschende die Partikel nach dem Einatmen im Blut von Menschen nach. Der Übertritt ins Blut war bei 5-Nanometer-Partikeln stärker als bei 30-Nanometer-Partikeln.¹⁸ Die Studie bestätigte, dass dieser Weg möglich ist. Sie belegt nicht dieselbe Übertrittsrate für Kohleaschepartikel, städtische Aerosole oder alle UFP; diese müssen gesondert untersucht werden.

Das „Trojanische Pferd“

Diese Metapher wird verwendet, wenn ein Partikel auf seiner Oberfläche Stoffe trägt, die sich sonst anders verhalten würden: PAK, Metalle, Sulfate und organische Stoffe.

Es ist ein Bild. Manche Verbindungen befinden sich auf der Partikeloberfläche, andere sind darin eingebettet; manche lösen sich schnell, andere sind kaum bioverfügbar. Chemische Form und Dosis sind deshalb ebenso wichtig wie die Liste der nachgewiesenen Stoffe.

Gesundheitswirkungen nach Organsystem

Herz und Blutgefäße

Eine systematische Übersichtsarbeit zu 85 UFP-Studien fand die beständigsten kurzfristigen Zusammenhänge bei systemischen Entzündungen, Veränderungen der Herzfrequenzvariabilität und des Blutdrucks.¹⁹

Das ist mit möglichen Schadmechanismen vereinbar: oxidativem Stress, einer beeinträchtigten Funktion der Gefäßinnenwand, Störungen der nervalen Regulation des Herzens und der Aktivierung von Blutplättchen.

Am häufigsten beobachten Forschende kurzfristige Veränderungen der Herz-Kreislauf-Funktion. Die direkten Belege für einen Zusammenhang von UFP mit Herzinfarkten und Schlaganfällen sind weniger weit entwickelt. Für PM2,5 und Luftverschmutzung insgesamt ist die Beleglage deutlich stärker.

Lunge

Die Lunge erhält die erste und unmittelbarste Dosis. Studien bringen UFP mit Entzündungen und Veränderungen der Atemfunktion in Verbindung. Eine Analyse von 15.903 Krankenhauseinweisungen von Kindern in Kopenhagen aus dem Jahr 2025 fand einen kurzfristigen Zusammenhang zwischen erhöhten UFP-Konzentrationen und einer Krankenhauseinweisung wegen Asthma.²⁰

Studien an Kindern kamen zu unterschiedlichen Ergebnissen. In Toronto und in einer kleineren US-amerikanischen Studie war die UFP-Exposition während der Schwangerschaft mit späterem Asthma beim Kind verbunden. In der niederländischen PIAMA-Studie war dieser Zusammenhang nach der Berücksichtigung von NO₂ und schwarzem Kohlenstoff in PM2,5 statistisch nicht mehr signifikant.^{21, 22, 23}

Bei COPD, chronischer Bronchitis und Lungenkrebs wurde die Gefahr der Gesamtmischung umfassender untersucht: PM2,5, Dieselabgase, Kohle- und Quarzstaub, Rauch aus häuslicher Kohleverbrennung und Koksofenemissionen. Der eigenständige Beitrag von UFP zu diesem Risiko muss noch bestimmt werden.

Gehirn und Nervensystem

Tierstudien haben gezeigt, dass manche Nanopartikel entlang des Riechnervs das Gehirn erreichen können.²⁴ Diesen Weg beim Menschen zu quantifizieren ist erheblich schwieriger.

Studien zu Demenz liefern bislang unterschiedliche Antworten. Eine Studie mit Medicare-Daten modellierte die UFP-Exposition nach Postleitzahl für das Jahr 2017 und verfolgte neue Diagnosen von 2018 bis 2020. Die Autoren fanden einen kleinen positiven Zusammenhang.²⁵ Die ACT-Studie fand nach Berücksichtigung anderer Schadstoffe kein erhöhtes Risiko.²⁶

Forschende untersuchen den möglichen Zusammenhang weiter. Eine Antwort wird langfristige Beobachtungen mit direkten Luftmessungen erfordern, nicht nur modellierte Schätzungen.

Schwangerschaft und Kinder

Partikel aus schwarzem Kohlenstoff wurden auf der fetalen Seite menschlicher Plazenten nachgewiesen.²⁷ Eine systematische Auswertung experimenteller Befunde deutet darauf hin, dass manche ultrafeinen und technisch hergestellten Nanopartikel die Plazentaschranke überwinden können. Humanstudien sind jedoch selten, und ihre Nachweismethoden unterscheiden sich.²⁸

Der Zusammenhang von PM2,5 mit Frühgeburten und niedrigem Geburtsgewicht ist deutlich besser untersucht als der Zusammenhang dieser Folgen mit UFP.²⁹ Befunde zu PM2,5 helfen, ein mögliches Risiko zu erkennen, ersetzen aber keine Forschung speziell zu ultrafeinen Partikeln.

Stoffwechsel

Die Belege für einen Zusammenhang von PM2,5 mit Typ-2-Diabetes und gestörtem Glukosestoffwechsel nehmen zu. Über UFP ist weniger bekannt. In einem kontrollierten Experiment mit Menschen mit Diabetes aktivierte das Einatmen ultrafeinen Kohlenstoffs vorübergehend die Blutplättchen und könnte die Funktion der Gefäßinnenwand verändert haben. Die Studie untersuchte nicht die Entstehung von Diabetes selbst.³⁰

Die Wirkungen von UFP auf Stoffwechsel, Diabetes und Adipositas sind weiterhin Gegenstand der Forschung.

Gesundheit: Was über einzelne Stoffe bekannt ist

PAK und Benzo[a]pyren

Manche PAK schädigen nach ihrer metabolischen Aktivierung die DNA. Die IARC stuft Benzo[a]pyren als krebserzeugend für den Menschen ein. Realer Kohlerauch enthält jedoch nicht nur einen Stoff, sondern eine Mischung aus PAK, Gasen und Partikeln.⁹

Arsen

Anorganische Arsenverbindungen sind für den Menschen krebserzeugend und können Blutgefäße und andere Organe schädigen.⁹ Bei der Kohleverbrennung kann sich Arsen in feiner Asche anreichern.¹³ Zur Risikobeurteilung sind seine chemische Form und die Dosis erforderlich, nicht nur der Nachweis des Elements.

Selen und Fluor

Selen ist in kleinen Mengen lebensnotwendig und im Übermaß giftig.⁴⁴ Auch Fluor wird bei langfristig hoher Exposition schädlich.³²

In Guizhou verunreinigten Kohle und fluorhaltiger Ton Lebensmittel, die über häuslichen Feuerstellen getrocknet wurden. Bei chronischer Arsenvergiftung stammte der größte Teil der geschätzten Dosis ebenfalls aus Lebensmitteln und nicht allein aus der Luft.^{31, 32}

Diese Fälle zeigen die Gefahr kohlebezogener Verschmutzung, erlauben aber nicht, die Erkrankung allein anhand der Partikelgröße zu erklären.

Quecksilber und Blei

Quecksilber und Blei sind für das Nervensystem giftig, insbesondere während seiner Entwicklung.^{45, 46} Bei Quecksilber sind neben Partikeln in der Nähe des Schornsteins auch Umwandlungen in der Umwelt und der Eintritt in Nahrungsketten bedeutsam. Das Verhältnis gasförmiger und partikelgebundener Formen bei der Kohleverbrennung hängt von der Technik und den Bedingungen der Abgasreinigung ab.^{13, 14}

Quarz- und Kohlenstaub

Pneumokoniose, progressive massive Fibrose und der Verlust der Lungenfunktion bei Bergleuten sind anerkannte arbeitsmedizinische Probleme. Die Hauptgefahr ist hier alveolengängiger Kohle- und Quarzstaub: Partikel, die tief in die Lunge eindringen können.³³

Diesel-Nanopartikel sind eine eigenständige Gefahr in Bergwerken. Eine Studie mit mehr als 12.000 Beschäftigten in anderen Bergbauzweigen als dem Kohlebergbau brachte Dieselabgase mit einem erhöhten Risiko in Verbindung, an Lungenkrebs zu sterben.³⁴ Das ist ein starker Beleg für die Schädlichkeit von Dieselabgasen für Beschäftigte, auch wenn die Studie kohlebürtige UFP nicht gesondert untersuchte.

Radionuklide

Bei der Verbrennung reichern sich natürlich vorkommende Radionuklide in der Asche an. Für ein Kohlekraftwerk mit 1 GW Leistung, das ein Jahr lang betrieben wird, schätzte UNSCEAR, dass ein typischer Mensch in der Umgebung durch atmosphärische Emissionen eine Dosis von 0,03–0,4 Mikrosievert pro Jahr erhalten könnte.³⁵ Für Aschedeponien, andere Kraftwerkstypen und andere Expositionswege sind gesonderte Berechnungen erforderlich.

Radionuklide dürfen nicht verschwiegen werden, doch es gibt keine wissenschaftliche Grundlage, sie als Hauptgefahr kohlebürtiger UFP darzustellen.

Drei unterschiedliche Geschichten über Kohle

Xuanwei: dokumentierter Schaden durch Kohlerauch

Über Jahrzehnte wurden unter nie rauchenden Frauen in Xuanwei in der chinesischen Provinz Yunnan ungewöhnlich hohe Lungenkrebsraten im Zusammenhang mit der häuslichen Verbrennung bestimmter rauchreicher Kohlearten („smoky coal“) registriert.

Die IARC hat Emissionen aus der häuslichen Kohleverbrennung als krebserzeugend für den Menschen eingestuft.³⁶ Eine spätere Studie zu den chemischen Bestandteilen brachte das Risiko mit einer Gruppe von PAK und NO₂ in Verbindung.³⁷

Diese Geschichte bestätigt die Gefahr einer bestimmten Kohlerauchmischung. Der Fall zeigt nicht, welcher Anteil des Risikos auf UFP, größere Partikel oder Gase entfiel.

Guizhou: Einatmen war nicht der einzige Expositionsweg

In Gebieten mit endemischer Fluorose und chronischer Arsenvergiftung verschmutzte häuslich verbrannte Kohle mehr als nur die Luft. Mais und Chilischoten wurden über den Öfen getrocknet. In einer Bewertung der Arsenexposition entfielen 50–80 % der Dosis auf Lebensmittel, 10–20 % auf die Luft und 1–5 % auf Wasser.³¹

Entscheidend ist: Die Schadstoffe erreichten die Menschen auf mehreren Wegen, und der größte Teil der Dosis konnte aus Lebensmitteln stammen.

Kusbass: Nanopartikel wurden gefunden — jetzt muss die Luft gemessen werden

Studien an Staub, der sich im Schnee des Kusbass angesammelt hatte, identifizierten nahe Tagebauen und dem Kraftwerk Belowo eine Fraktion unter 0,1 Mikrometer und untersuchten ihre Toxizität für Zellen.^{4, 5}

Das ist ein direkter lokaler Nachweis dafür, dass Partikel dieser Größe in der Industrielandschaft des Kusbass vorkommen. Noch fehlt uns ein vergleichbares langfristiges PNC-Messnetz, mit dem sich bestimmen ließe, wie viele solcher Partikel die Bewohner einatmeten, wie sich die Konzentrationen von Stunde zu Stunde veränderten und welcher Anteil aus welcher Quelle stammte.

Das Fehlen einer Antwort ist kein Beleg für Sicherheit. Fehlende Messungen dürfen aber auch nicht durch eine selbstsichere Behauptung ersetzt werden.

Wer besonders gefährdet ist

Das Risiko hängt nicht nur von der Konzentration ab. Alter, Gesundheit, Aufenthaltsdauer nahe der Quelle, körperliche Belastung und die Bedingungen im eigenen Zuhause spielen ebenfalls eine Rolle.

Exposition bedeutet den Kontakt eines Menschen mit einem Schadstoff unter Berücksichtigung von Konzentration, Aufnahmeweg und Dauer. Besondere Aufmerksamkeit erfordert die Exposition von:

• Kindern, deren Lunge und Nervensystem sich noch entwickeln;
• Schwangeren;
• älteren Menschen;
• Menschen mit Asthma, COPD, Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Diabetes;
• Bergleuten, Fahrern schwerer Maschinen sowie Beschäftigten an Koksöfen und in Kraftwerken;
• Bewohnern von Häusern, die mit Kohle beheizt werden;
• Menschen, die nahe Tagebauen, Industriestraßen, Kraftwerken, Kokereien und brennenden Abraumhalden leben.

Beschäftigte und Anwohner sind nicht dieselbe Bevölkerungsgruppe. Beschäftigte können während einer Schicht eine höhere Dosis erhalten und gleichzeitig Kohlenstaub, Quarzstaub, Dieselabgasen und Gasen ausgesetzt sein. Die Konzentrationen für Anwohner sind gewöhnlich niedriger, doch die Exposition dauert über Jahre an und betrifft auch Kinder und ältere Menschen.

Was die Wissenschaft heute weiß

Durch hinreichend starke Belege gestützt

• Verbrennungsprozesse erzeugen eine große Anzahl nanoskaliger Partikel;
• bei der Kohleverbrennung entstehen ultrafeine Asche, Ruß und sekundäre Partikel;
• in der submikronen Asche bestimmter Kohlearten reichern sich giftige Elemente an;
• UFP lagern sich tief in den Atemwegen ab, und ein Teil bestimmter Nanopartikel kann ins Blut gelangen;
• kurzfristige entzündliche und kardiovaskuläre Veränderungen gehören zu den am beständigsten mit UFP in Verbindung gebrachten Wirkungen;
• Rauch aus häuslicher Kohleverbrennung, Koksproduktion, Dieselabgase und Außenluftverschmutzung sind als bestimmte Expositionen oder Mischungen krebserzeugend.

Plausibel, aber die Ergebnisse sind nicht in allen Studien einheitlich

• der eigenständige Beitrag von UFP zum Asthma- und Herz-Kreislauf-Risiko;
• die Wirkung langfristiger UFP-Exposition auf die Sterblichkeit;
• ob sich bestimmte Wirkungen städtischer und verkehrsbedingter UFP auf industrielle Quellen übertragen lassen;
• ob manche kohlebezogenen Nanofraktionen giftiger sind als größere Partikel derselben Probe.

Noch nicht belegt

• eine Schätzung, welcher Anteil der Erkrankungen unter Bewohnern von Kohleregionen speziell auf UFP zurückzuführen ist;
• eine universelle „Kohle“-Konzentration oder ein einziger chemischer Fingerabdruck — die Zusammensetzung hängt von Kohle und Technik ab;
• eine wissenschaftlich festgelegte sichere Schwelle für die Partikelanzahlkonzentration;
• eine Methode, mit der sich UFP-Zahlen allein aus der PM2,5-Masse rekonstruieren lassen;
• dass ein einzelner Marker ohne weitere Belege den Beitrag der Kohle nachweist;
• direkte Messungen, die die im Schnee gefundene Nanofraktion mit der von Menschen eingeatmeten Dosis verbinden;
• dass kohlebezogene UFP unabhängig von der gesamten Schadstoffmischung Demenz, Diabetes oder Lungenkrebs verursachen.

Warum sie in der amtlichen Statistik kaum sichtbar sind

Der Hauptgrund ist einfach: Amtliche Systeme messen vor allem Schadstoffe, für die bereits weithin anerkannte Verfahren und Normen bestehen.

PM2,5 und PM10 werden in Mikrogramm pro Kubikmeter angegeben. UFP werden als Partikel pro Kubikzentimeter und als Größenspektrum erfasst. Dafür sind andere Instrumente, eine schnelle Aufzeichnung und eine strenge Kalibrierung erforderlich.

Das russische SanPiN 1.2.3685-21 enthält massenbezogene Normen für PM2,5 und PM10. In seiner Tabelle mit Luftqualitätsnormen fand ich keinen eigenen Eintrag für die UFP-Anzahlkonzentration. Ich prüfte die Fassung vom 24. Dezember 2025 mit den seit 1. März 2026 geltenden Änderungen; Abrufdatum war der 12. Oktober 2026.³⁸

Auch die bundesweiten National Ambient Air Quality Standards der USA erfassen PM2,5 und PM10, nicht aber die Anzahl ultrafeiner Partikel.³⁹

Die EU-Richtlinie 2024/2881 verlangt die Überwachung von UFP an wichtigen Hintergrundmessstationen und an Orten, an denen hohe Konzentrationen zu erwarten sind. Sie legt jedoch keinen Grenzwert für UFP fest. Die EU-Mitgliedstaaten müssen diese Bestimmungen bis zum 11. Dezember 2026 in nationales Recht umsetzen.⁴⁰ Das ist die Frist für die Umsetzung in nationales Recht; daraus darf nicht geschlossen werden, dass zum Zeitpunkt der Veröffentlichung bereits in jedem Land ein vollständig betriebsbereites Messnetz existiert.

Das Fehlen einer Norm macht die Partikel nicht sicher. Die WHO begründet das Fehlen einer zahlenmäßigen Empfehlung mit einer unzureichenden Beleglage, nicht mit dem Fehlen von Schäden. Ihre Orientierungswerte guter Praxis können dem Monitoring dienen, sind aber weder gesetzliche Grenzwerte noch Sicherheitsschwellen.¹

Diese Lücke erzeugt einen Teufelskreis. Ohne Messungen ist Gesundheitsforschung schwierig. Bei wenig Forschung ist es schwierig, eine Norm festzulegen. Ohne Norm bleibt Monitoring selten.

Was getan werden kann

Durch Industrie und Kommunen

• nicht nur die Masse von PM2,5 und PM10 messen, sondern auch die PNC mit Angabe des erfassten Partikelgrößenbereichs;
• Messgeräte nahe Wohngebieten, Industriestraßen, Kraftwerken, Koksöfen und brennenden Abraumhalden aufstellen;
• gleichzeitig NO₂, SO₂, schwarzen Kohlenstoff, Elemente und meteorologische Bedingungen messen;
• stündliche Rohdaten veröffentlichen, nicht nur Jahresmittelwerte;
• dieselbetriebene Maschinen kontrollieren und, wo möglich, durch sauberere Technik ersetzen;
• Selbsterhitzung von Halden verhindern und Brände schnell eindämmen;
• die Emissionsminderung nicht nur anhand der Gesamtstaubmasse, sondern auch des Partikelgrößenspektrums beurteilen;
• schwefelhaltige und andere gasförmige Emissionen vermindern, aus denen sich in der Luft sekundäre Partikel bilden.

Zu Hause

Ein HEPA-Filter kann Partikel unter 100 Nanometern erfassen. Er funktioniert nicht wie ein Sieb: Für die kleinsten Partikel ist die Brownsche Diffusion besonders wichtig; Interzeption und Trägheitsabscheidung helfen bei der Abscheidung anderer Größen.⁴³ Die Leistung des gesamten Luftreinigers hängt davon ab, wie dicht das Gerät ist, wie hoch der Luftdurchsatz ist und ob seine Clean Air Delivery Rate (CADR), also das pro Zeiteinheit bereitgestellte gereinigte Luftvolumen, zur Raumgröße passt.⁴¹

Zu den praktischen Maßnahmen gehören:

• einen Luftreiniger mit echtem HEPA-Filter und ausreichender CADR wählen;
• keine Ozongeneratoren oder Geräte verwenden, die Ozon erzeugen sollen;
• bei sichtbarem Rauch, einem Brand oder einer akuten industriellen Luftbelastung in der Nähe die Fenster geschlossen halten;
• lüften, wenn der Wind nicht von der Quelle kommt und die Außenluft weniger belastet ist;
• Filter regelmäßig wechseln;
• Quellen in Innenräumen beseitigen, insbesondere häusliche Kohleverbrennung, Tabakrauch und defekte Öfen.

Ein Filter entfernt nicht jedes Gas und kann die Verringerung von Emissionen nicht ersetzen. Studien zu Luftreinigern in Wohnungen liefern gute Belege dafür, dass sie PM2,5 in Innenräumen vermindern. Deutlich weniger ist darüber bekannt, inwieweit dadurch bestimmte Krankheiten verhindert werden, die speziell auf UFP zurückzuführen sind.

Kurzes Glossar

• UFP — ultrafeine Partikel, gewöhnlich kleiner als 100 nm.
• PNC — Partikelanzahlkonzentration, gewöhnlich Partikel/cm³.
• PM0,1 — eine massenbezogene Größenfraktion mit einer oberen Abscheidegrenze von ungefähr 0,1 µm. PM0,1 und die UFP-Anzahlkonzentration sind unterschiedliche Messgrößen und nicht unbedingt direkt vergleichbar.
• PM1, PM2,5, PM10 — Partikel mit der jeweiligen aerodynamischen Abscheidegrenze, gewöhnlich als Masse angegeben.
• Nukleation — die Bildung neuer Partikel aus Gasmolekülen.
• Koagulation — die Verbindung von Partikeln, wodurch ihre Anzahl sinkt und ihre Größe zunimmt.
• PMF — ein Modell, das wahrscheinliche Quellenfaktoren aus Mustern in den gemessenen Daten selbst ableitet.
• CMB — ein Modell, das die Beiträge von Quellen anhand vorgegebener chemischer Quellenprofile schätzt.
• PAK — polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe.