In recent years the term “particulate matter” (PM) has increasingly gained public as well as scientific interest. Before industrialization, mainly natural sources, such as volcanoes, erosion, sea salt aerosols or forest fires were the main sources of particulate matter, whereas nowadays anthropogenic sources, such as traffic, industry and combustion processes are the principle source of PM. Due to longer retention times in the atmosphere as well as contamination with various pollutants these emissions are of a high toxicological relevance. Smog catastrophes, such as the Great London Smog in 1952 made people aware of the adverse health effects of such emissions. Moreover, numerous epidemiological studies have demonstrated a correlation between particulate matter exposure and adverse health effects in humans. Subsequently, many countries adopted air quality policies and laws with the aim of decreasing air pollution and the risk for human health. Besides traffic, which is one of the main sources of emissions, the toxic potential of particulate matter derived from biomass combustion is increasingly being discussed. Due to diminishing supplies of fossil fuels, biomass combustion has become an important alternative energy source. Hence, PM emissions from the combustion of wood are increasing and are assumed to be of similar toxicological relevance as PM stemming from traffic. Consequently, the 1st BImSchV (Federal Immission Protection Ordinance) was introduced in Germany in 2010, which provides limit values for particulate matter emissions of small scale combustion appliances. This regulation mainly applies for new furnaces as well as older appliances, which should be technically reconstructed to meet the legislative specifications. Against this background a cooperative project was designed to investigate the emissions of small scale wood combustion appliances and potential mitigations. The present study, as a part of this cooperative project, assessed the toxicological characterization of wood combustion particulate matter. It was the aim of this study to investigate the toxic potential of PM of different qualities (efficient/complete combustion and incomplete combustion) via in vitro test systems (cell culture). The work featured a strong focus on the initial characterization of the PM samples in the submersed exposure culture and emphasis was laid on specific pollutants, namely the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), which are typical by-products of many combustion processes. Some PAHs are known carcinogens and are thus of relevance for human health. In order to characterize the composition and morphology as well as aggregation potential and particle size distribution of the PM samples in cell culture medium, a range of different methods was applied. Subsequently, the PM samples and their extracts were assessed in different reporter gene assays (Ah receptor-, estrogen- and androgen-receptor interaction) and a cell transformation assay to investigate the PAH bioavailability as well as a possible tumor initiating potential. The in vitro experimental data as well as the data from the particle characterization experiments suggested a correlation between the physico-chemical properties of the different PM samples and the bioavailability of the PAHs. PAH bioavailability could be demonstrated for all PM samples. Interestingly, there seemed to be a higher or similar bioavailability of PAHs in samples from the more efficient combustion, even though these samples generally displayed lower PAH contamination. Further spiking experiments provided insights into the differential PAH bioavailability that was observed in the reporter gene assay via Ah receptor activation. While an estrogen- or androgen receptor activation could not be confirmed with the corresponding bioassays, a tumor initiating potential for some of the samples could be detected.

In conclusion, it could be shown that the characterization of PM samples is an important prerequisite for subsequent biological testing and the interpretation of the in vitro experimental data. As observed in this study, the physico-chemical properties strongly influenced the bioavailability of certain contaminants, e.g. PAHs. Hence, a risk assessment based on mere chemical analyses alone is not sufficient for complex mixtures, such as particulate matter. The obtained results show that further in-depth investigation in this field is needed and moreover demonstrated the applicability of in vitro test systems for answering certain questions for use in a rapid and reliable screening of wood combustion PM against the background of fast technical progress.

Seit einigen Jahren ist der Begriff Feinstaub zunehmend in den Fokus des öffentlichen und wissenschaftlichen Interesses gerückt. Während vor der Industrialisierung vor allem natürliche Feinstaubquellen wie Vulkanausbrüche, Erosionen, Seesalzaerosole und Waldbrände von Bedeutung waren, stellen heute insbesondere die Feinstäube aus anthropogenen Quellen, wie z.B. Verkehr, Industrie und Verbrennungsprozessen die Hauptverursacher dar. Oftmals weisen diese Stäube auch eine relativ lange Verweildauer in der Atmosphäre auf und sind auf Grund der Belastung mit zahlreichen Schadstoffen von großer gesundheitlicher Relevanz für den Menschen. Größere Smogkatastrophen in der Geschichte der Menschheit, wie z.B. der Große London Smog von 1952, machten aufmerksam auf die gesundheitsschädlichen Auswirkungen solcher Emissionen im Zuge der Industrialisierung. Auch konnten mittlerweile unzählige epidemiologische Studien deutliche Zusammenhänge zwischen Feinstaubexposition und adversen Effekten auf die menschliche Gesundheit nachweisen. Entsprechend wurden in verschiedenen Ländern Luftreinhaltungsgesetze und –maßnahmen verabschiedet mit dem Ziel die Luftqualität zu erhöhen und das Gesundheitsrisiko für den Menschen zu senken. Neben dem Verkehr als einer der Haupt-Emittenten, wird zunehmend über das toxikologische Potential von Feinstäuben aus der Verbrennung von Biomasse diskutiert. Mit der Verknappung fossiler Brennstoffe und der gleichzeitigen Förderung erneuerbarer Energien wird jedoch auch eine Zunahme an entsprechenden Emissionen aus diesem Bereich erwartet. Aus diesem Grund wurde in Deutschland im Jahr 2010 die 1. BImSchV (Bundes-Immissionsschutzverordnung) verabschiedet, nach der die Feinstaubemissionen aus Kleinfeuerungsanlagen, durch Einhaltung bestimmter Grenzwerte, reduziert werden sollen. Diese Regelung betrifft vor allem neuere Generationen von Kleinfeuerungsanlagen sowie bestehende Anlagen, die entsprechend saniert werden sollen. Im Rahmen eines Verbundprojekts und vor dem Hintergrund dieser Problematik wurden Kleinfeuerungsanlagen hinsichtlich ihrer Emissionen und möglicher Minderungspotentiale untersucht. Die vorliegende Arbeit ist Teil dieses Projekts und befasste sich insbesondere mit der toxikologischen Charakterisierung der Feinstäube aus der Holzverbrennung. Ziel dieser Arbeit war es mit Hilfe von in vitro Testsystemen (Zellkulturen) Feinstaubproben unterschiedlicher Qualität (unvollständige Verbrennung und effiziente/ vollständige Verbrennung) auf deren toxikologisches Potential zu untersuchen. Dabei lag ein besonderer Fokus auf der Charakterisierung der Feinstaubproben in der Submerskultur und auf spezifischen Schadstoffen, den polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAKs). PAKs sind typische Begleitprodukte, die bei unterschiedlichsten Verbrennungsprozessen entstehen. Manche PAKs gelten als kanzerogen und sind damit von bedeutender gesundheitlicher Relevanz für den Menschen. Mit Hilfe unterschiedlicher Methoden wurden die Feinstaubproben hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, Morphologie und ihres Aggregationspotential sowie Partikelgrößenverteilung im Medium untersucht. Zur Untersuchung der PAK Bioverfügbarkeit und des Tumor initiierenden Potentials der Feinstäube wurden verschiedene Reporter Gen Assays (Ah Rezeptor-, Östrogen- und Androgen-Rezeptor Interaktion) und ein Zelltransformationsassay mit den Feinstäuben und deren Extrakten exponiert. Darüber hinaus gaben zusätzliche Dotierungsversuche weiteren Aufschluss über die differentielle PAK Bioverfügbarkeit. Die Ergebnisse aus den in vitro Versuchen, als auch der Charakterisierung der Proben deuten darauf hin, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften einen bedeutenden Einfluss auf die Verfügbarkeit von PAKs haben und eine eingehende Charakterisierung von extrem inhomogenen Proben, wie z.B. Feinstaub, wichtig ist für die Interpretation der experimentellen in vitro Daten. Es konnte gezeigt werden, dass die PAKs in allen Feinstauproben bioverfügbar waren, wobei auffiel, dass in Proben aus einer effizienteren Verbrennung eine ähnliche oder zum Teil höhere Bioverfügbarkeit vorlag als in Proben aus unvollständiger Verbrennung, obwohl diese zum Teil höhere PAK Mengen enthielten. Während für den Östrogen- und Androgen-Rezeptor keine signifikante Rezeptor Aktivierung nachgewiesen werden konnte, wurde für manche der untersuchten Feinstäube ein Tumor initiierendes Potential im Zelltransformationstest gemessen.

Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Feinstäuben aus der Holzverbrennungen maßgeblichen Einfluss auf die Bioverfügbarkeit spezifischer Schadstoffe haben. Dies bedeutet auch, dass eine Analyse des Risikopotentials, die allein auf chemischen Untersuchungen basiert, nicht ausreichend ist, um Aussagen über das toxikologische Potential eines bestimmten Stoffes zu treffen, da mögliche Wirkungen spezifischer Stoffe in erster Linie von deren Bioverfügbarkeit abhängen. Die aufgeführten Ergebnisse zeigen, dass in vitro Systeme für spezifische Fragestellungen als schnelle und zuverlässig durchzuführende Methoden für das Screening von komplexen Stoffgemischen geeignet sind, besonders im Hinblick auf schnelle technische Fortschritte und Entwicklungen.