Untersuchung der Ozonbelastung an der Loburg Ostbevern und möglicher gesundheitlicher Folgen

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Ozon
2.1 Allgemeine Substanzbeschreibung
2.2. Molekülstruktur
2.3 Struktur und Reaktionsverhalten
2.4 „Natürliches“ (stratosphärisches) Ozon
2.5 Anthropogenes Ozon
2.5.1 Immissionen im Innenraumbereich
2.6 Halbwertszeit in Innenräumen

3. Gesundheitsgefährdung durch Ozon
3.1 Ozonaufnahme des Menschen
3.2 Wirkung von Ozon auf Körpergewebe
3.3 Schädigungen
3.4 Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit

4. Ozonmessungen im Kopierraum der Loburg Ostbevern
4.1 Versuchsbeschreibung
4.2 Versuchsergebnisse
4.3 Versuchsauswertung

5. Fazit

6. Literaturverzeichnis
6.1 Bücher
6.2 Internetquellen
6.3 Sonstige Quellen
6.3 Abbildungsverzeichnis

7. Anhang

1. Einleitung

Nach dem Abitur möchte ich eventuell ein Studium der Humanmedizin beginnen und deshalb habe ich mich dazu entschieden, meine Facharbeit im Fach Biologie zu schreiben. Allerdings sollte diese Arbeit thematisch in die Ökologie eingebunden werden, was mit dem Menschen und seinen Krankheiten eher wenig zu tun hat. Nach längeren Überlegungen und Beratungen mit meiner Fachlehrerin gelang es schließlich doch die Ökologie mit der Humanmedizin zu verbinden. Die Idee war die Auswirkungen eines Schadstoffes aus der Umwelt auf die menschliche Gesundheit zu untersuchen. Ich entschied mich für das Gas „Ozon“.

Doch warum gerade Ozon? Wenn uns der Begriff „Ozon“ im Alltag begegnet, denken wir meist direkt an Begriffe wie „Ozonloch“ oder „Sommersmog“ und empfinden ein unangenehmes Gefühl, weil wir vermuten, dass unsere Lebensqualität dadurch auf irgendeine Art und Weise bedroht ist. Zweifellos trifft das sogar zu! In bestimmten Konzentrationen kann Ozon sogar Leben gefährden. Auf der anderen Seite muss aber auch beachtet werden, dass auf der Erde ohne Ozon kein Leben möglich wäre. Diese spannenden Phänomene wollte ich genauer hinterfragen und erforschen!

Ozon ist sehr vielfältig: Es schützt die Erde vor den schädlichen UV-Strahlen, es findet eine breite Anwendung in der Medizin, so wird es beispielsweise zur Behandlung von Durchblutungsstörungen benutzt, in der Wasseraufbereitung findet es unter anderem durch die Beseitigung von bestimmten Parasiten oder Viren Anwendung und es kann Geruchsbelästigungen in zum Beispiel alten Gebrauchtwagen, beseitigen. Außerdem können sogar Laserdrucker und Kopierer die natürlichen Ozonwerte erhöhen und zu Gesundheitsbeschwerden führen.

Da ich mich mit negativen Auswirkungen auf die Gesundheit beschäftigen wollte, habe ich mich schön öfters gefragt, ob allein die Einatmung der Luft an einem Ort in meiner Umgebung Krankheitsbilder hervorrufen kann. Ich entschied mich für die Loburg Ostbevern, die ich bis voraussichtlich 2011 besuchen werde.

Daher lautet mein Thema: Untersuchung der Ozonbelastung an der Loburg Ostbevern und möglicher gesundheitlicher Folgen - eine Fallstudie, wobei ich mich auf den Kopierraum konzentrieren möchte, da hier potentielle Ozonquellen vorhanden sind.

2. Ozon

Zuerst wird beschrieben, was Ozon überhaupt ist, wie es aufgebaut ist und wo es entsteht.

2.1 Allgemeine Substanzbeschreibung

Das farblose Gas Ozon (O3) (von griechisch ozein = riechen) ist ein starker Reizstoff, weil es alle oxidierbaren Stoffe, besonders organische Materialien, angreift. Ozon hat einen charakteristischen Geruch, der ab der Geruchsschwelle zwischen 40-50 pg/m3 wahrzunehmen ist. Die Wasserlöslichkeit ist gering.^[1]

2.2 Molekülstruktur

Ozon besteht aus drei Sauerstoffatomen (O3). Dieses kettenförmige Molekül hat die Form eines gleichschenkligen Dreiecks mit einem Winkel von 127°. Die Sauerstoff-Bindungslänge beträgt 0,126 ± 0,002nm.^[2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3 Struktur und Reaktionsverhalten

Ozon ist gegenüber organischen Stoffen so reaktionsfreudig, da der Bau des Moleküls polar ist, was auf viele verschiedene Reaktionsmöglichkeiten hinweist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Elektronenstruktur: Die Mesomeriepfeile ( zeigen, dass die tatsächliche Verteilung der

Ionen bzw. der Moleküle zwischen den Grenzformeln der angegeben Elektronenverteilung liegen.^[3]

Die Konfiguration der Elektronen bildet ein mesomeriestabilisiertes System. Das bedeutet, dass O3 nicht durch eine einzige Strukturformel dargestellt werden kann, sondern nur durch mehrere ionische Grenzstrukturen. Also bieten sich als Reaktionspartner polare Substanzen an, während keine Reaktion mit etwa gesättigten Kohlenwasserstoffen zu erwarten ist.^[4]

2.4 „Natürliches“ (stratosphärisches) Ozon

In der Stratosphäre, in einer Höhe von 20-30km, werden durch die photolytische Spaltung, also durch UV-Strahlen, Sauerstoffmoleküle (O2) zu atomaren Sauerstoff gespalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch diesen Prozess wird die ultraviolette Strahlung in bestimmten Wellenlängen (< 242 nm)absorbiert, wodurch das Leben auf unserem Planeten „Erde“ erst möglich ist.

Durch die Weiterreaktion des atomaren Sauerstoff mit molekularem Sauerstoff entsteht Ozon.^[5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5 Anthropogenes Ozon

In bodennahen Schichten reicht die Strahlungsintensität des Lichts nicht aus, um Sauerstoff­Moleküle zu spalten und dadurch eine Ozonbildung einzuleiten (Kapitel 2.4).^[6] Den erforderlichen atomaren Sauerstoff bildet hier ein anderer Mechanismus, die Photolyse von Stickstoffdioxid (NO2), was bedeutet, dass das NO2 durch die Bestrahlung mit Licht gespalten wird. Diese Reaktion läuft schon bei einer Wellenlänge unter 400 Nanometer (nm) ab:^[7]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das abgespaltene Sauerstoffatom reagiert sofort mit dem Luftsauerstoff (O2) zu Ozon:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In dem umgekehrten Prozess, der Oxidation, wird das Ozon wieder zerstört, wodurch Stickstoffdioxid und Sauerstoff entsteht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es wird also deutlich, dass die Ozonkonzentration von der Konzentration der Stickoxide abhängt. Diese Vorläufersubstanzen entstehen aus Verbrennungsprozessen des Verkehrs und der Industrie und sind Hauptverursacher für die Ozonbildung in der Troposphäre.^[8]

Auch in Innenräumen, in denen beispielsweise Laserdrucker oder -kopierer betrieben werden, kann durch technische Prozesse aus Luftsauerstoff Ozon gebildet werden. Darauf wird nun genauer eingegangen.

2.5.1 Immissionen im Innenraumbereich

Quellen in Innenräumen sind UV-Entkeimungsanlagen, elektrostatische Luftfilteranlagen, UV- Lampen, Kopiergeräte und Laserdrucker. Es hängt von der Bauweise der technischen Geräte ab, ob und in welchen Konzentrationen Ozon produziert wird.^[9]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Koronadraht: Der Koronadraht liegt nicht an der Bildtrommel an, sodass ein kleiner Luftspalt überbrückt werden muss, wobei geringe Mengen von Ozon während des Druckens frei werden können

In dieser Arbeit wird genauer auf Kopiergeräte und Laserdrucker eingegangen, weil die anderen Geräte im Kopierraum der Loburg nicht vorhanden sind: Tonerpartikel werden beim Laserdruck über eine Bildtrommel auf das Papier übertragen. Diese wird zunächst durch die sogenannte Koronaentladung elektrostatisch aufgeladen. Diese Koronaentladung ist eine elektrochemische Reaktion, bei der sich aus dem Sauerstoff in der Luft fast reines Ozon bildet (s. Abb. 3). Deshalb sind Drucker, wie auch das Modell „Develop ineo 501“ (s. Deckblatt) im Kopierraum der Loburg, mit speziellen Ozonfiltern ausgestattet, die das produzierte Ozon in Kohlendioxid umwandeln. Ozon-Konzentrationen von 100 pg/m3 werden bei Beachtung der Betriebsbedingungen (bspw. der Austausch der Ozonfilter nach 250.000Kopien^[10] ) und der Berücksichtigung der Größe und des Luftwechsels im Aufstellungsraum, nicht überschritten.^[11]

2.6 Halbwertszeit in Innenräumen

Weil Ozon äußerst reaktionsfreudig (und deshalb sehr instabil) ist (vgl. Kap. 2.3) und unter der Wirkung von Ozon organische Stoffe aller Art (also im Prinzip alles was brennt) oxidieren, zerfällt das Ozon in Innenräumen sehr rasch. Die Halbwertszeit in Innenräumen beträgt zwei bis sechs Minuten.^[12]

3. Gesundheitsgefährdung durch Ozon

Bis jetzt wurden Grundlagen über Ozon vermittelt, um nun auf Ozon in Verbindung mit dem Menschen einzugehen.

Die hohe oxidative Reaktivität von Ozon lässt viele Schadeffekte erwarten. Wie Ozon aufgenommen wird und zu welchen Schäden es wirklich kommt, soll nun erklärt werden.

3.1 Ozonaufnahme des Menschen

Bei der Atmung wird Luft mit der Nase oder dem Mund über den Kehlkopf, der als Einlass zum Atemweg dient, durch die Luftröhre in die beiden Lungenflügel in die Bronchien eingesogen, an deren Ende die Lungenbläschen (Alveolen) liegen. Hier nehmen die roten Blutkörperchen über feine Blutgefäße den Luftsauerstoff auf, der sich so im ganzen Körper ausbreiten kann. Auf dem selben Weg gelangen allerdings auch Schadstoffe, wie Ozon, die in der Atemluft enthalten sind, in den Körper.^[13]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Atemwege des Menschen

In Ruhe hat ein durchschnittlicher Erwachsener ein Atemvolumen von ca. 9 Litern pro Minute. 1 Kubikmeter Luft enthält 1000 Liter. Bei einer Ozonkonzentration von 100 pg/m3 beträgt die von Menschen in einer halben Stunde aufgenommene Ozonmenge 27 Mikrogramm Ozon.

Im Gegensatz zum Sauerstoff und Stickstoff der Luft tritt einmal eingeatmetes Ozon nicht wieder aus.^[14]

Durch körperliche Belastung steigt das Atemvolumen auf das 3-4-fache, sodass die aufgenommene Ozon-Menge im oben genannten Beispiel auf ca. 0,1 Milligramm ansteigt.^[15] Deshalb werden fast alle medizinischen Wirkungsuntersuchungen von Ozon (vgl. Kapitel 3.4) bei gleichzeitiger körperlicher Belastung des Probanden durchgeführt.^[16]

Normalerweise betätigt man sich im Innenraumbereich wesentlich weniger als im Freien, sodass hier die aufgenommene Ozonmenge geringer ist.

Die aufgenommene Ozondosis setzt sich aus der Ozonkonzentration in der eingeatmeten Luft, der Expositionsdauer und dem Atemvolumen zusammen. Über eine längerfristige Aufnahme der Atemluft mit geringer Ozonkonzentration, kann also genauso viel Ozon aufgenommen werden, wie durch eine kürzere Aufnahmezeit mit hoher Konzentration^[17].

3.2 Wirkung von Ozon auf Körpergewebe

Wenn Schleimhäute vorhanden sind, bleibt die Ozonkonzentration konstant und die Zellen werden kaum geschädigt. Die Zellen werden geschädigt, sofern keine Schleimhaut mehr vorhanden ist, was Abbildung 5 zeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Wirkung von Ozon auf Körpergewebe

Die Luftröhre ist mit Kelchzellen ausgestattet, die Schleim herstellen. Sie ist also mit einer Schleimhaut versehen und somit dringt Ozon bis in die Lungenperipherie, d. h. bis zu den Bronchien und den Alveolen (vgl. Abb.4) vor. Hier trifft es auf Gewebe, das nicht mehr durch Schleimhäute geschützt ist.^[18]

[...]

^[1] Vgl. Beck, E., Viebahn-Hänsler, R.: Ozon-Handbuch 1995,III-2.1 S.1.

^[2] Vgl. Ebd.,II-1.1 S.2.

^[3] Vgl. http://www.chemie.de/lexikon/d/Mesomerie/ (vom 11.04.10.).

^[4] Vgl. Wolff, H.: Das medizinische Ozon 1979, S. 65.

^[5] Vgl. Beck; Viebahn-Hänsler: Ozon-Handbuch 1995, III-2.1 S.2.

^[6] Ebd.

^[7] Vgl. http://www.chemie.de/lexikon/d/Photolyse/ vom 11.04.10.

^[8] Vgl. Siebert, J.: Ozonalarm, 1995 S. 17f.

^[9] Vgl. o.V.: HP Zubehör Marketing Statement S.1.

^[10] Vgl. Develop Produkt- und Umweltdatenblatt S.4.

^[11] Vgl. Beck; Viebahn-Hänsler: Ozon-Handbuch 1995 III - 2.1 S.9 f.

^[12] Vgl. http://www.spiegel.de/spiegel/print/d-13684656.html vom 07.04.10.

^[13] Vgl. Abrahams, P.: Atlas des menschlichen Körpers 2009 S. 108-113.

^[14] Vgl. Sandermann, H.: Ozon Entstehung Wirkung, Risiken, 2001, S. 44.

^[15] Vgl. Ebd., S. 30.

^[16] Vgl. Wagner, R.: Ozonkrankheiten 1995 S. 52.

^[17] Vgl. Siebert, J.: Ozonalarm 1995 S. 36.

^[18] Vgl. Abrahams, P.: Atlas des menschlichen Körpers 2001 S. 108-113.