4 Material und Umwelt
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Dass Viren sich über Aerosolpartikel ausbreiten können, wurde bereits in vielen Studien gezeigt. Als Aerosol bezeichnet man ein Gemisch aus Luft mit darin verteilten festen oder flüssigen Partikeln. Ein Aerosol ist dabei immer dynamisch, da Partikel neugebildet, in oder mit der Luft transportiert und aus der Luft entfernt werden oder sich im luftgetragenen Zustand verändern. Zum Verständnis der Rolle von Aerosolpartikeln als Übertragungsweg von SARS-CoV-2 ist daher die Kenntnis der verschiedenen Prozesse in einem Aerosol von besonderer Bedeutung. Mit diesem Papier möchte die GAeF einen Beitrag dazu leisten, den momentan so häufig anzutreffenden Begriff „Aerosol“ sowie die relevanten Aerosolprozesse anschaulich darzustellen und zu erläutern. Dabei wird im Rahmen dieses Papiers nur auf die wesentlichen Grundlagen eingegangen.
Für ein tiefergehendes Verständnis der teilweise komplexen Prozesse sei auf die angeführte Sekundärliteratur verwiesen. Das Papier fasst eine Vielzahl von Studien zur Entstehung von virenbeladenen Aerosolpartikeln sowie deren Ausbreitung zusammen. Darauf basierend kann festgestellt werden, dass ausgeatmete Aerosolpartikel auch bei der Corona-Pandemie eine prominente Rolle bei der Verbreitung der Viren spielen. Abschließend geht dieses Papier auf mögliche Maßnahmen zur Verringerung der Ausbreitung von Aerosolpartikeln ein. Die diskutierten Maßnahmen orientieren sich an der derzeitigen öffentlichen Diskussion und beinhalten entsprechend die folgenden Punkte: Lüften, Luftreiniger, Lüftungsanlagen und Masken. Es werden Hinweise zum richtigen und sinnvollen Einsatz dieser Maßnahmen gegeben. Aerosolpartikel haben Größen zwischen ca. 0,001 und mehreren 100 Mikrometern (und nicht wie in vielen Publikationen derzeit definiert < 5μm) und verteilen sich mit Luftströmungen relativ schnell, auch über größere Distanzen. Größere Aerosolpartikel sinken – abhängig von ihrer Größe und Dichte – zu Boden; kleine Aerosolpartikel können hingegen sehr lange in der Luft verbleiben (s. Kapitel 3). Jeder Mensch stößt durch die Atmung sowie beim Sprechen, Husten und Niesen flüssige Aerosolpartikel unterschiedlicher Größen aus (s. Kapitel 4). Ist eine Person mit einem Virus, wie z. B. SARS-CoV-2, infiziert, so können diese Aerosolpartikel Viren enthalten, die in die Luft gelangen und von anderen Personen eingeatmet werden können. SARS-CoV-2 hat eine Größe von 0,06 bis 0,14 Mikrometer, die exhalierten flüssigen Aerosolpartikel sind hingegen größer. Die flüssigen Aerosolpartikel können aber je nach Umgebungsbedingungen durch Verdunstung schrumpfen (s. Kapitel 3.3). Für den Partikeltransport und die Partikelabscheidung ist dabei jeweils die aktuelle Partikelgröße relevant. Das höchste Infektionsrisiko besteht in geschlossenen Innenräumen, da sich hierin Aerosolpartikel anreichern können. Insbesondere hier sind entsprechend Maßnahmen zu treffen, die eine Reduktion der Aerosolpartikelkonzentration ermöglichen.
Vor dem Hintergrund der Aerosolwissenschaften ordnet die GAeF die aktuellen Maßnahmen zur Eindämmung der Pandemie wie folgt ein:
• Prinzipiell gilt: Keine Maßnahme kann für sich alleine funktionieren! Das Zusammenspiel der verschiedensten Maßnahmen ist nach derzeitigem Wissensstand der beste Weg zur Minimierung des Infektionsrisikos.
• Abstand halten ist wichtig, denn mit zunehmendem Abstand werden direkt ausgeatmete Viren verdünnt, und die Wahrscheinlichkeit sich anzustecken sinkt. Der vielfach vorgeschriebene Mindestabstand kann als Anhaltspunkt dienen, sollte aber insbesondere bei längeren Zusammenkünften und auch in Innenräumen mit verringerter Luftbewegung vergrößert und durch weitere Maßnahmen (s.u.) ergänzt werden.
• Masken helfen, einen Teil der exhalierten Partikel (und Viren) zu filtern. Dadurch sinkt die Konzentration der exhalierten Partikel (und Viren) in einem Raum und damit das Infektionsrisiko. Hierbei ist zu beachten, dass die ausgeatmeten Aerosolpartikel durch anhaftende Feuchtigkeit relativ groß sind und somit auch von einfachen Masken effizient zurückgehalten werden können. Da diese Partikel aber mit längerer Verweilzeit in der Raumluft schrumpfen, sind einfache Mund-Nasen-Bedeckungen für den Selbstschutz weniger effizient. Hierfür sind Atemschutzmasken erforderlich, die auch für feine Partikel eine hohe Abscheidung zeigen, z. B. der Klassen FFP2, N95 oder KN95. Diese sind sowohl für den Selbst- als auch den Fremdschutz effizient, sofern sie über kein Ausatemventil verfügen. Masken mit Ausatemventil dienen hingegen nur dem Selbstschutz und widersprechen daher dem Solidaritätskonzept, dass Mitmenschen durch kollektives Maskentragen geschützt werden.
• Gesichtsvisiere, die ohne zusätzliche Verwendung von Masken eingesetzt werden, sind hinsichtlich Aerosolpartikeln weitgehend nutzlos, da die Luft mit Partikeln (und Viren) ungefiltert um die Visiere herumströmt. Gesichtsvisiere werden im klinischen Alltag zusätzlich zu Masken getragen, um Tröpfcheninfektion über die Schleimhäute der Augen zu verhindern. Ebenfalls weitgehend unwirksam gegen die Aerosolverbreitung in Innenräumen sind mobile oder fest installierte Plexiglasbarrieren. Diese können nur kurzfristig die kleinräumige Ausbreitung eines Aerosols, z. B. im Kassenbereich eines Supermarkts, verhindern, bieten aber längerfristig keinen Schutz. Gesichtsvisiere und Plexiglasscheiben dienen im Wesentlichen als Spuck- und Spritzschutz gegenüber großen Tröpfchen.
• Im Freien finden so gut wie keine Infektionen durch Aerosolpartikel statt. Allerdings können Tröpfcheninfektionen auftreten, insbesondere in Menschenansammlungen, wenn Mindestabstände nicht eingehalten und/oder keine Masken getragen werden. In geschlossenen Räumen ist Lüften unerlässlich, um die ausgeatmete Luft in einem Raum durch frische Luft von draußen zu ersetzen. Häufiges Stoß- und Querlüften sind dabei vergleichbar effektiv wie dauernd das Fenster vollständig geöffnet zu lassen. Aus energetischer Sicht ist Stoß- oder Querlüften insbesondere im Winter allerdings effizienter. CO2-Monitore können bei der Überwachung der Luftqualität in Innenräumen helfen. Sie zeigen an, wann gelüftet werden sollte und wann die Luft in einem Raum während des Lüftens ausreichend gewechselt ist. Sie können jedoch nur als Indikator verwendet werden und verhindern selbst bei Einhaltung der vorgeschlagenen CO2-Grenzkonzentrationen keine direkte Infektion durch unmittelbar benachbarte Personen.
• Luftreiniger können einen sinnvollen Beitrag leisten, um die Partikel- und Virenkonzentration in einem Raum zu reduzieren. Bei der Beschaffung von Luftreinigern muss darauf geachtet werden, dass diese für den betrachteten Raum und die betrachtete Anwendung ausreichend dimensioniert sind, um die Partikel- und Virenlast signifikant zu verringern. Dem Luftdurchsatz des Gerätes kommt dabei eine größere Bedeutung zu, als der reinen Effizienz des Filters. Aus energetischen und Kostenerwägungen kann die Verwendung hocheffizienter Filter sogar kontraproduktiv sein. Fest verbaute Lüftungsanlagen können ebenso sinnvoll sein, sofern sie die Luft filtern, um die Partikel- und Virenlast in einem Raum zu verringern. Hierbei ist es zur Vermeidung von Infektionen sinnvoll, diese möglichst mit 100 % Frischluft zu betreiben.
Aus Sicht der Gesellschaft für Aerosolforschung besteht erheblicher Forschungsbedarf insbesondere an den interdisziplinären Grenzen zu Forschungsfeldern der Epidemiologie, Infektiologie, Virologie, Lüftungstechnik und Strömungsmechanik. Die Durchführung gezielter Studien sollte kurzfristig mit speziellen Förder- und Forschungsprogrammen ermöglicht werden. Dieses Papier wurde von Mitgliedern der Gesellschaft für Aerosolforschung verfasst und wird von einer Vielzahl internationaler Aerosolexperten unterstützt (s. Kapitel 8). Neben der vorliegenden Version existiert auch eine englischsprachige Übersetzung (siehe www.info.gaef.de). Sämtliche Abbildungen in diesem Papier stehen unter folgendem Link zum kostenlosen Download bereit: https://www.info.gaef.de/positionspapier. Bei jeder Verwendung ist „Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.“ als Quelle zu nennen.
Many studies have already shown that viruses can spread via aerosol particles. An aerosol is a mixture of air with solid or liquid particles dispersed in it. To understand the role of aerosol particles as a transmission path of SARS-CoV-2, knowledge of the different processes in an Aerosol is therefore of particular importance. With this paper, GAeF would like to contribute to a better understanding of the term “aerosol” and the relevant aerosol processes. In the context of this paper only the essential basics will be discussed. For a deeper understanding of the partly complex processes, please refer to the literature mentioned at the end of the paper.
The paper summarises a large number of studies on the formation of virus-laden aerosol particles and their spread. Based on this, it can be concluded that exhaled aerosol particles may play a prominent role in the spread of viruses in the corona pandemic. Finally, this paper discusses possible measures to reduce the spread of aerosol particles. The measures discussed are based on the current public debate including ventilation, air purifiers, HVAC systems and masks. Advice is given on the correct and sensible use of these measures.
An aerosol is always dynamic, as particles are newly formed, transported in or with the air, removed from the air or change in the airborne state. Aerosol particles have sizes between approx. 0.001 and several 100 micrometres (and not < 5 μm as currently defined in many publications) and spread relatively quickly with air currents, even over longer distances. Larger aerosol particles sink to the ground, depending on their size and density, while small aerosol particles can remain in the air for a very long time (see Section 3). Every person emits liquid aerosol particles of various sizes through breathing and when speaking, coughing and sneezing (see Section 4). If a person is infected with a virus, such as SARS-CoV-2, these aerosol particles can contain viruses that can be released into the air and inhaled by other people. SARS-CoV-2 has a size of 0.06 to 0.14 micrometres, but the exhaled liquid aerosol particles are larger. The liquid aerosol particles can shrink by evaporation, depending on the ambient conditions (see Section 3.3). Particle size is relevant for particle transport and particle separation. The highest risk of infection exists in closed indoor spaces, as aerosol particles can accumulate there.
Here in particular, appropriate measures must be taken to reduce the concentration of aerosol particles (see Section 5).
Against the background of aerosol science, the GAeF classifies the current measures to contain the pandemic as follows:
• In principle, no measure can work on its own! According to the current state of knowledge, the interaction of the most varied measures is the best way to minimise the risk of infection.
• Keeping distance is important, because with increasing distance, directly exhaled viruses are diluted and the probability of infection decreases. The often prescribed minimum distance can be used as a guide, but it should be increased and supplemented by other measures (see below), especially for longer meetings and also indoors with reduced air movement.
• Masks help to filter some of the exhaled particles (and viruses). This reduces the concentration of exhaled particles (and viruses) in a room and thus the risk of infection. It should be noted here that the exhaled aerosol particles are relatively large due to adhering moisture and can therefore also be efficiently retained by simple masks. However, since these particles shrink with longer dwell time in the room air, simple mouth-nose masks are less efficient for self-protection. Respiratory masks are required for this purpose, which show a high degree of separation even for fine particles, e.g. of classes FFP2, N95 or KN95. These are efficient for both self-protection and protection of others unless they have an exhalation valve. Masks with an exhalation valve, on the other hand, are only for self-protection and therefore contradict the solidarity concept that fellow human beings are protected by collective mask wearing. Face shields which are used without additional masks are largely useless with regard t• aerosol particles, as the air with particles (and viruses) flows unfiltered around the shields. In everyday clinical practice, facial shields are worn in addition to masks to prevent droplet infection via the mucous membranes of the eyes. Mobile or permanently installed Plexiglas barriers are also largely ineffective against the spread of aerosols indoors. These can only prevent the smallscale spread of an aerosol in the short term, e.g. in the checkout area of a supermarket, but offer no protection in the longer term. Face shields and Plexiglas panels essentially serve as spit and splash protection against large droplets.
• Outdoors, there are practically no infections caused by aerosol transmission. However, droplet infections can still occur, especially in crowds, if minimum distances are not observed and/or masks are not worn. In closed rooms, ventilation is essential to replace the exhaled air in a room with fresh air from outside. Frequent airing and cross-ventilation is just as effective as leaving the window open all the time. From an energy point of view, however, it is more efficient to ventilate the room, especially in winter. CO2 monitors can help to monitor indoor air quality. They indicate when it is necessary to ventilate and when the air in a room has been sufficiently changed during ventilation. However, they can only be used as an indicator and even if the proposed CO2 limit concentrations are met, they do not prevent direct infection by people in the immediate vicinity.
• Air purifiers can make a useful contribution to reducing the concentration of particles and viruses in a room. When procuring air purifiers, care must be taken to ensure that they are adequately dimensioned for the room and application in question in order to significantly reduce the particle and virus load. The air throughput of the unit is more important than the pure efficiency of the filter. For energy and cost reasons, the use of highly efficient filters can even be counterproductive. Permanently installed ventilation systems can also be useful, provided they filter the air to reduce the particle and virus load in a room. To avoid infections, it is advisable to operate them with 100 % fresh air if possible.
From the point of view of the Gesellschaft für Aerosolforschung, there is a considerable need for research, especially at the interdisciplinary borders to research fields of epidemiology, infectiology, virology, ventilation technology and fluid mechanics. The implementation of targeted studies should be made possible at short notice with special funding and research programmes.
This paper was written originally in German by members of the Gesellschaft für Aerosolforschung and is supported by a large number of international aerosol experts. Both the English and German version as well as all images in the paper are available for free download at the following link: https://www.info.gaef.de/positionspapier. The “Gesellschaft für Aerosolforschung e. V.” must be named as the source, whenever an image is used.
The properties of nanomaterials are influenced not only by their chemical composition but also by physical properties (such as size, geometry and crystal structure). For the reliable determination and assessment of behaviour and effects of nanomaterials as well as for the determination of the exposure of humans and environment a comprehensive physical-chemical characterization of nanomaterials is essential. This is an important prerequisite to identify them as nanomaterials and to interpret and compare test results and - in future – to forecast interaction and effects of nanomaterials.
In 2006, the OECD launched a sponsorship program for the testing of nanomaterials in which 11 nanomaterials were thoroughly investigated using a variety of methods. The aim of the project was, among other things, to find out where problems occur and where there are gaps in the measurement and test procedures and where are changes required. An important outcome of the sponsorship program was the finding that the OECD Test Guidelines should in several cases be extended to the specific needs in testing of nanomaterials. The existing standardized test methods of the OECD for physical-chemical characterization have not been developed for nanomaterials in particular. A high demand for an extension of the test guidelines was identified. Germany complied with the OECD's request in 2017 and has agreed to extend the “Test Guideline on Particle Size Distribution / Fiber Length and Diameter Distributions Test Guideline” for Manufactured Nanomaterials (MN). UBA commissioned BAM and BAuA with the preparation of the Test Guideline. The aim of the project is the development of a harmonized test protocol for a valid and reproducible determination of particle size and size distribution which is one of the most relevant physical-chemical properties for MNs.
Different measuring methods provide different results for the size distribution of the particles. This is caused by the different measuring principles of the methods. Each method measures a specific parameter that ultimately determines particle size. First, the measured quantity differs for each method (Scattered light intensity, 2D image / projection, electric mobility, etc.). Second, the calculated diameters of the MN may differ (Feret Diameter, Area Projection, Mobility Diameter, Aerodynamic Diameter, Hydrodynamic Diameter). Third, a measuring method provides a size distribution which is measured either mass-based, surface-based or number-based. A conversion between the results requires additional parameters and thus possibly increases the measurement error.
In addition to the technical differences, the individual parameters are strongly influenced by the structure and material of the nanoparticles. For example, a surface functionalization can lead to very different results in the size distribution. The suitability of measurement methods differs with the material of the MN. As a result, two very different results can be measured for the particle size distribution using two different methods, which are nevertheless both correct. Several large projects in recent years therefore concluded that nanomaterials should be characterized by at least two complementary method. Imaging techniques are regarded as one of these methods for the characterization, the complementary methods are supposed to be statistical methods.
The different results for the size distribution of nanomaterials become problematic for the registration of new MN. A comparable and reproducible size distribution is a prerequisite for a standardized registration. In the future, the particle size distribution in the EU will also decide on the classification of a substance as a nanomaterial or as a non-nanomaterial. Especially in borderline cases, a standardized and comparable measurement methodology is therefore essential.
The intention of the presentation is to inspire a discussion on the needs and challenges for the digitalisation of SOPs. SOPs are available for the disciplines of physical-chemical characterisation, for toxicology, for environmental applications and for exposure applications. Furthermore the SOPs need to be integrated in the regulatory framework and need to be detailed enough for the digital processing. This is highlighted in this presentation.
In 1981 the OECD published the Test Guideline on Particle size and size distribution. This TG is still a valid document for the measurement of particles all over the world.
When nanomaterials gained importance, ISO set up a technical commitee for Nanotechnologies in 2005 and the OECD followed this step in 2006 with the Working Party on Manufactured Nanomaterials.
In the following years ISO and OECD published several documents about nanomaterials and the systematisation developed.
In 2017 it was finally clear that nanomaterials need to be adressed in another way than chemicals and in 2020 ECHA revised the REACH-Annexes accordingly and included nanomaterials.
Unfortunately there is a little problem with this: Only a few applicable test guidelines exit for the measurement of the nanomaterials. Several test guidelines date from 1981 and do not address nanomaterials.
The logical next step for the OECD would be to publish a series of test guidelines which are indeed currently prepared and will be shown in this talk.
Finally there is an additional need for the future of NM standardisation: Digitalisation.
Vorstellung der Ergebnisse bei der Entwicklung einer neuen OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien.
Ergebnisse:
Ideal sphärische Partikel sind gut und verlässlich mit vielen Methoden charakterisierbar.
Reale (Nicht ideale) Materialien sind gut charakterisierbar, wenn eine gewisse Homogenität und Stabilität vorliegt.
Stark inhomogene und stark agglomerierende Partikel liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse für verschiedene Methoden.
Partikel mit geringen Größenunterschieden lassen sich mit allen Methoden gut charakterisieren.
Partikel mit sehr deutlichen Größenunterschieden führen häufig zu einer Unterbewertung der kleineren Partikel.
Vollautomatische Partikeldetektion bei elektronenmikroskopischen Aufnahmen ist z.Zt. noch stark fehleranfällig und kann daher nicht empfohlen werden.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es ist dringend zu empfehlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.
OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien
(2021)
Abschlusspräsentation des Projektes "OECD Prüfrichtlinie zur Bestimmung der Partikelgröße und Anzahlgrößenverteilung von Nanomaterialien" - Projektteil Nanopartikel.
Es hat sich gezeigt, dass alle Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Vor- und Nachteile haben. Es wird dringend empfohlen Größenverteilungen immer mit mindestens zwei unterschiedlichen Methoden zu bestimmen: Bildgebend und mit gute Anzahlstatistik.
Verschiedene Durchmesser wurden in der TG-PSD mit einem Indexsystem versehen, welches zukünftig Verwechslungen zwischen unterschiedlichen Durchmessern vermeiden soll.
Wird ein bestimmter Durchmesser benötigt (z.B. hydrodynamisch, aerodynamisch), muss die Methode passend gewählt werden. Eine Umrechnung von einem Durchmesser in einen anderen ist in der Regel fehlerbehaftet.
Es wurde ein einheitliches Reporting-System in der TG-PSD eingeführt.