Wer länger raucht, ist früher tot - Konzept zur Schadstoffminimierung in Zigarettenrauch und elektronischen Zigaretten
Hai Linh Trieu, Jürgen Hahn
„Rauchen ist tödlich“, „Tabakrauch enthält über 70 Stoffe, die erwiesenermaßen krebserregend sind“. 
Diese zwei Warnhinweise müssen in Deutschland auf Zigarettenverpackungen seit Mai 2016 aufgedruckt werden. Obwohl die gesundheitlichen Risiken des Tabakrauchens hinlänglich bekannt sind, gibt es bis jetzt nur gesetzlich festgelegte Grenzwerte für die Emission von Teer, Nikotin und Kohlenmonoxid in Zigarettenrauch.
Denn geringe Schadstoffgehalte führen nicht zwangsläufig zu geringeren Gesundheitsrisiken, wie am Beispiel von Light-Zigaretten deutlich wurde. Außerdem stellt sich die Frage, wie weit wichtige Schadstoffe reduziert werden können. Welche Risiken haben mögliche Technologien zur Schadstoffreduktion?
In einem dreijährigen Forschungsprojekt, das das Ministerium für Ländlichen Raum und Verbraucherschutz Baden-Württemberg (MLR) von 2017 bis 2019 finanzierte, sollten diese Fragen geklärt werden und ein einfaches und praktikables Minimierungskonzept für Schadstoffe in Zigarettenrauch in Zusammenarbeit mit dem Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) erstellt werden.
Das CVUA Sigmaringen hat ausgewählte Produkte auf ihre Schadstoffzusammensetzung untersucht und mit den Schadstoffgehalten toxikologische Kennzahlen für das Gesamtrisiko für Krebs und andere, nicht auf Krebs bezogene Risiken berechnet. Ausgehend von diesen Daten empfehlen die Experten, Grenzwerte für das zusätzliche Risiko, das durch den Konsum von Zigaretten entsteht, festzulegen.
Projektdesign
Um möglichst repräsentative Ergebnisse zu erhalten, wurden sechs Zigarettenmarken zur Untersuchung ausgewählt, die den Markt zu etwa 19,1 % abdecken. Da der Absatz von herkömmlichen Zigaretten in Europa rückläufig ist, hingegen immer mehr neue nikotinliefernde Produkte wie Tabakerhitzer oder E-Zigaretten konsumiert werden, wurden zusätzlich zwei E-Zigaretten-Typen und ein Tabakerhitzer in das Projekt integriert.
Tabakrauch ist ein komplexes Gemisch aus zahlreichen Verbrennungs- und Pyrolyseprodukten, das aus über 5000 Einzelkomponenten besteht. Von diesen wurde im Rahmen des Forschungsprojekts bereits eine Vorauswahl der 16 relevantesten Stoffe verschiedener Substanzklassen zur Untersuchung getroffen (s. Tabelle 1).
Tabelle 1: Zur Untersuchung ausgewählte Schadstoffe
Verdünnung der Emissionen durch Filterventilation
Die analysierten Schadstoffe in Zigarettenrauch der sechs ausgewählten Proben unterscheiden sich um mehrere Faktoren und weisen eine hohe Spannbreite auf. Auf den ersten Blick scheint eine hohe Schadstoffreduktion möglich zu sein. Allerdings ist unabhängig von den Schadstoffen die gleiche Reihenfolge der untersuchten Schadstoffe im Zigarettenrauch der Proben zu erkennen: Z1 weist meist die niedrigsten und Z4 oder Z6 weisen die höchsten Gehalte auf (exemplarisch in Abb. 1).
Abb.1: Gehalte von leichtflüchtigen Verbindungen in Zigarettenrauch von sechs ausgewählten Proben (Z1-Z6) in der Einheit µg/Zig, n=3
Diese Beobachtung legte die Vermutung nahe, dass die Schadstoffreduktion durch eine Verdünnung des gesamten Rauches herbeigeführt wurde. Statt den Gehalt auf eine Zigarette zu beziehen, wie in den gesetzlich festgelegten Grenzwerten für Teer, Nikotin und Kohlenmonoxid vorgegeben ist, wurden die Schadstoffgehalte auf den Nikotingehalt bezogen. Dies hatte eine Angleichung der Schadstoffgehalte zur Folge (exemplarisch in Abb. 2), was auch für eine Verdünnung sprach.
Abb.2: Gehalte von leichtflüchtigen Verbindungen in Zigarettenrauch von sechs ausgewählten Proben (Z1-Z6) in der Einheit µg/Zig, n=3
Unter den möglichen Designfeatures, die eine Verdünnung des Zigarettenrauchs zur Folge hätten, ist die Filterventilation sehr beliebt. Unter Filterventilation versteht man eine leichte, meist nicht deutlich sichtbare Perforation des Zigarettenfilters. Dies führt dazu, dass beim Ziehen an der Zigarette zusätzlich Luft zum Rauch gezogen wird und die Emissionen so reduziert werden. Gerade dieses Designfeature steht bei Gesundheitsorganisationen wie der WHO in der Kritik. Diese ist der Auffassung, dass die Emissionen damit nur beim maschinellen Abrauchen nach ISO-Abrauchmethoden gesenkt werden, um den jeweiligen nationalen Regulationen zu entsprechen. Denn die europäischen Emissionshöchstwerte für Teer, Nikotin und CO gelten unter den Bedingungen des maschinellen Abrauchens gemäß ISO 3308, wobei die Perforationslöcher nicht abgedeckt werden. Der Raucher dagegen hat viele Möglichkeiten, um die Verdünnung des Rauches auszugleichen. Beispielsweise kann der Raucher tiefere und mehr Züge nehmen oder die Ventilationslöcher mit Lippen oder Fingern blockieren (Kozlowski & O'Connor, 2002), sodass beim menschlichen Rauchen kein oder nur ein geringer Verdünnungseffekt gegeben ist. Auch kann die niedrige Nikotinaufnahme infolge der Verdünnung durch ein häufigeres Rauchen kompensiert werden.
Abb.3: Filterventilationslöcher
Infokasten
Analytik von Rauchinhaltsstoffen
Eine Reihe von Faktoren während des Abrauchens von Zigaretten hat einen hohen Einfluss auf die Schadstoffgehalte im Rauch. Deswegen kommt zur Analyse von Rauchinhaltsstoffen eine spezielle analytische Abrauchmaschine zum Einsatz, bei der Zigaretten nach festgelegten Parametern wie Zugzahl pro Minute, Zugdauer und Zugvolumen abgeraucht werden können. Auch die Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit während des Rauchvorgangs sind festgelegt. Diese Bedingungen sind nach weltweit gültigen ISO-Normen vorgeschrieben, um die Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewähren.
Aufgrund der Heterogenität des Tabakrauchs unterscheidet sich die dem Rauchvorgang anschließende Analytik stark nach Substanzklasse. So kann sich der gesuchte Analyt in der Partikel- und/oder in der Gasphase des Rauches befinden. Nach dem Auffangen der entsprechenden Phase kann diese mit verschiedenen Lösungsmitteln extrahiert bzw. aufgearbeitet werden. Dieser Extrakt kann z.B. mittels Flüssig- oder Gaschromatographie gemessen werden.
Um zu prüfen, ob niedrige Schadstoffgehalte durch Filterventilation erklärt werden können, wurden in den sechs Zigarettenproben Teer, Kohlenmonoxid und Nikotin im Hauptstromrauch auch mit geschlossenen Filterventilationslöchern bestimmt (s. Abb. 4). Die daraufhin gemessenen Konzentrationen variierten deutlich weniger als die bestimmten Gehalte mit offenen Ventilationslöchern, was die These untermauert. Wie zu erwarten, wurden höhere Schadstoffgehalte nach Schließen der Ventilationslöcher gemessen. Kohlenmonoxid wies allerdings eine wesentlich größere prozentuale Erhöhung auf als Teer und Nikotin.
Was bedeuten diese Ergebnisse nun konkret für ein Schadstoffminimierungskonzept?
Aktuell gelten die gesetzlichen Grenzwerte für Teer, Nikotin und CO in Zigarettenrauch, wenn die Zigaretten gemäß ISO 3308 mit offenen Ventilationslöchern abgeraucht wurden. Beim menschlichen Rauchen wird ein individueller Anteil der Ventilationslöcher aufgrund der Position am Filter abgedeckt. Steigt dadurch der Gehalt von Kohlenmonoxid, bei dem es sich um ein starkes Atemgift handelt, überproportional an, ist das sehr bedenklich zu sehen. Daher wird für einen effektiven Verbraucherschutz vorgeschlagen, zukünftige Messungen innerhalb einer Schadstoffminimierungsstrategie mit geschlossenen Ventilationslöchern durchzuführen.
Abb. 4: Vergleich der Gehalte von Kohlenmonoxid (CO) und Teer (links) und Nikotin (rechts) bei offenen und geschlossenen Ventilationslöchern
Berechnung des Krebsrisikos
Für die Bewertung inhalativer Expositionen können für karzinogene Stoffe sog. Risk Units (U) verwendet werden. Dieser Wert wird in (µg/m3)-1 ausgedrückt. Die inhalative U für ein definiertes Karzinogen beschreibt das zusätzliche lebenslange Krebsrisiko, das sich durch eine kontinuierliche Exposition gegenüber diesem Karzinogen ergibt. Die Konzentration des Karzinogens beträgt entsprechend der Definition 1 µg/m3 (Stephens, 2018). Eine U von 1,7x10-4 für 1,3 Butadien bedeutet demzufolge, dass die lebenslange Exposition von 1 µg pro m3 zu 1,7 zusätzlichen Krebsfällen unter 10.000 Betroffenen führen würde.
Zur Berechnung des Krebsrisikos für einen einzelnen Schadstoff im Tabakrauch (CRI) wird dessen Gehalt mit U multipliziert und durch ein tägliches Atemvolumen von 20 m3 geteilt. Der CRI bezieht sich folglich auf das zusätzliche Krebsrisiko, das durch den täglichen Konsum einer Zigarette bzw. eines Milligramms Nikotin in Zigarettenrauch dem Karzinogen zugeordnet werden kann. Das Krebsrisiko einer Mischung aus mehreren Karzinogenen wie im Tabakrauch wird entsprechend berechnet, indem die jeweiligen CRI zum Gesamt-CRI aufsummiert werden.
Die Berechnung des Gesamt-CRI mit den Schadstoffgehalten bezogen auf eine Zigarette ergab Werte zwischen 1,97x10-4 und 5,33x10-4, wobei Z1 im Risiko-Ranking den untersten und Z6 den höchsten Platz einnimmt. Nach Bezug der Gesamt-CRI auf die Nikotingehalte, bestehen kaum noch Unterschiede in den Risikoindices der sechs untersuchten Zigarettenproben. Unter diesem Gesichtspunkt wird das Krebsrisiko kaum gesenkt. Z2 weist nun den höchsten Wert mit 7,10x10-4 auf, Z1 aber weiterhin den niedrigsten Wert mit 5,13x10-4 (s. Abb. 5).
Raucher konsumieren Zigaretten jedoch vor allem wegen des Nikotins. Bei einem niedrigen Nikotingehalt ist zu erwarten, dass Raucher ihr Rauchverhalten anpassen, um ihren Nikotinbedarf zu decken. Dementsprechend können bei Zigaretten mit niedrigem Nikotingehalt die gleiche oder eine höhere Menge an Schadstoffen aufgenommen werden als bei Zigaretten mit einem hohen Nikotingehalt. Dies wird berücksichtigt, wenn die Schadstoffgehalte auf den Nikotingehalt bezogen werden. Gleichzeitig muss der Nikotingehalt weiter begrenzt werden, da es sich dabei um ein suchterzeugendes Nervengift handelt.
Abb. 5: Gesamt-CRI der sechs Zigarettenproben (Z1 – Z6) Berechnung mit Schadstoffgehalten bezogen auf eine Zigarette (oben), Berechnung mit Schadstoffgehalten bezogen auf 1 mg Nikotin (unten)
Auch wie stark welche Schadstoffe zum Krebsrisiko beitragen, wurde unter die Lupe genommen. In Zigarettenrauch tragen 1,3-Butadien (56,8 %) und Acrylnitril (19,8 %) am meisten zum Gesamt-CRI bei (s. Abb. 6). Im Gegensatz dazu macht bei dem untersuchten Tabakerhitzer Acetaldehyd den größten Anteil am Gesamt-CRI mit 77,6 % aus, gefolgt von einem sehr viel niedrigeren Beitrag von 1,3-Butadien und Acrylnitril (jeweils 7,3 %). Diese Daten verdeutlichen den Vorteil eines Minimierungskonzepts, das nicht auf Grenzwerten einzelner Schadstoffe beruht, sondern auf der Begrenzung des gesundheitlichen Risikos. Die Einführung eines neuen Produkts bzw. neuer Technologien kann die Schadstoffzusammensetzung ändern. Dies wird durch die Verwendung der aufsummierten Risiko-Indices berücksichtigt.
Abb. 6: Beitrag der Schadstoffe im Zigarettenrauch am Gesamt-CRI, berechnet mit gemittelten Gehalten der Projektproben (links) und Beitrag der Schadstoffe im Aerosol eines Tabakerhitzers am Gesamt-CRI berechnet mit Gehalten des THS2.2 D2 nach Schaller et al. (2016) (rechts)
Berechnung anderer, nicht auf Krebs bezogene Risiken
Zusätzlich zum Krebsrisiko bewirken Schadstoffe in Zigarettenrauch auch eine Schädigung zahlreicher Gewebe bzw. Organe. Fowles and Dybing (2003) modellierten andere, nicht auf Krebs bezogene Risiken (NCRI) unter der Annahme, dass die Toxizität jeder Substanz in einer bestimmten Mischung aufsummiert werden kann, wenn dasselbe Gewebe oder Organ betroffen ist. Unter der Voraussetzung, dass unter einem bestimmten Schwellenwert keine adversen Effekte zu erwarten sind, werden Referenzdosen zur Berechnung des jeweiligen NCRI verwendet. Ab einem NCRI > 1 wird der Schwellenwert, ab der toxische Effekte für das Zielorgan zu erwarten sind, überschritten. Im Rahmen des Projekts wurden die jeweiligen NCRIs für respiratorische und kardiovaskuläre Effekte berechnet (s. Abb. 7). Erst nach Bezug auf den Nikotingehalt überschreitet der NCRI den Schwellenwert für jede der sechs untersuchten Zigarettenproben, der für respiratorische Effekte Werte zwischen 2,7 und 3,9 und für kardiovaskuläre Effekte Werte zwischen 1,2 und 2,3 aufweist. Diese Ergebnisse sprechen ebenfalls dafür, auf den Nikotingehalt bezogene Schadstoffgehalte für ein Minimierungskonzept zu verwenden.
Abb. 7: NCRI der untersuchten Zigarettenmarken für respiratorische und kardiovaskuläre Effekte berechnet mit Gehalten bezogen auf eine Zigarette (oben) und berechnet mit Gehalten bezogen auf 1 mg Nikotin (unten)
Schadstoffe in E-Zigaretten
Aufgrund der Vielfalt an Modellen und E-Liquids wurden zwei Modelle mit Einmalkartuschen (E1 und E2) zur Untersuchung ausgewählt. Im Dampf von E1 lagen untersuchte leichtflüchtige Substanzen und Benzo(a)pyren unter der Nachweisgrenze. Auch wenn dies erst einmal erfreuliche Nachrichten sind, kann nicht ausgeschlossen werden, dass andere Schadstoffe in toxikologisch relevanten Gehalten entstehen. Daher wird empfohlen, Grenzwerte für den Gesamt-CRI und entsprechende NCRIs festzulegen, ohne die Berechnung auf bestimmte Substanzen einzuschränken. Stattdessen könnte regelmäßig eine Substanzliste veröffentlicht werden, in der die Substanzen mit Risk Units oder Referenzdosen für das jeweilige Zielorgan/-gewebe bewertet werden. Sobald die Veröffentlichung erfolgt ist, sollten alle dort genannten Stoffe in die Berechnung mit einfließen.
Für die E-Zigarette E2 wurden im Projektzeitraum die ursprünglichen Einmalkartuschen, die neben dem E-Liquid eine Heizwendel und einen Docht enthalten, modifiziert. Infolge dieser Produktmodifikation wurden tendenziell weniger Carbonyle im Aerosol gebildet (s. Tabelle 2). Auch an diesen Daten wird deutlich, dass eine Änderung am Produkt die Schadstoffzusammensetzung beeinflusst.
Tabelle 2: Gehalt von Carbonylen in E-Zigarette E2 mit ursprünglicher und modifizierter Einmalkartusche,
n = 4, Mittelwert der ersten 160 Züge
Bestimmung möglicher Leitsubstanzen
Für das Minimierungskonzept sollte der Analysenaufwand möglichst reduziert werden. Daher wurde geprüft, ob innerhalb einer Substanzklasse Korrelationen zwischen den Schadstoffgehalten bestehen. Bei hohen Korrelationen besteht die Möglichkeit, nur eine Leitsubstanz zu analysieren, um damit anschließend den Gehalt anderer Substanz zu extrapolieren.
Die gemessenen Schadstoffgehalte pro Zigarette weisen größtenteils untereinander eine hohe Korrelation innerhalb der jeweiligen Substanzklasse auf. Werden die Schadstoffgehalte auf den Nikotingehalt bezogen, sinkt die Korrelation unterschiedlich stark abhängig von den Substanzen: In der folgenden Abbildung wird für die tabakspezifischen Nitrosamine NNK und NNN eine schwache Reduzierung und für die leichtflüchtigen Substanzen Acrylnitril und 1,3-Butadien eine starke Reduzierung gezeigt
Für die Schadstoffgehalte pro Zigarette wäre also eine Reduzierung des Analysenspektrums in den untersuchten Proben möglich, nicht hingegen wenn die Konzentrationen auf den Nikotingehalt bezogen werden.
Abb. 8: Vergleich der linearen Regression von NNK und NNN in der Konzentration ng/Zig. (links) zu ng/mg Nikotin (rechts)
Abb. 9: Vergleich der linearen Regression von 1,3-Butadien und Acrylnitril in der Konzentration µg/Zig. (links) zu µg/mg Nikotin (rechts)
Fazit
Das Forschungsprojekt konnte zeigen, dass die Verwendung von CRI und NCRI geeignet ist zur Minimierung von Schadstoffen in Zigarettenrauch und anderen Produkten wie Tabakerhitzer und elektronischen Zigaretten. Zur Umsetzung dieses Konzepts konnten zahlreiche Empfehlungen erarbeitet werden. So wird vorgeschlagen, Schadstoffgehalte auf den Nikotingehalt zu beziehen. Damit wird ein besserer Schutz für Verbraucher geleistet, die ihr Rauchverhalten einer verminderten Nikotinaufnahme anpassen. Gleichzeitig muss weiterhin der Nikotingehalt begrenzt werden, da ansonsten der Hersteller die Möglichkeit hätte, normierte Schadstoffgehalte durch Erhöhung des Nikotingehalts zu reduzieren. Eine Reduzierung des Analysenspektrums wird damit aber nicht möglich sein. Außerdem sollte die Bestimmung der Schadstoffe mit den Bedingungen gemäß ISO 3308, aber mit geschlossenen Ventilationslöchern durchgeführt werden. Des Weiteren wird empfohlen, den Gesamt-CRI und entsprechende NCRIs zu begrenzen, ohne die Berechnung auf bestimmte Substanzen einzuschränken. In einer regelmäßig aktualisierten Liste können Substanzen mit Risk Units oder Referenzdosen für das jeweilige Zielorgan/-gewebe veröffentlicht werden, die daraufhin in die Berechnung mit einfließen. Auf diese Weise wird der Verbraucherschutz effektiv verbessert.
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