Raumluftqualität: Wie Viren in Aerosolen können durch Säuren neutralisiert werden

SARS-CoV-2-Viren oder das Grippevirus reisen quasi per Anhalter von Mensch zu Mensch: Sie verbreiten sich über Aerosole, die beim Husten, Niesen oder einfach beim Ausatmen ausgestoßen und von anderen Personen eingeatmet werden.

Räume fleißig zu lüften und die Raumluft zu filtern, gelten deshalb als wichtige Maßnahmen, um die Aerosol-Konzentration in Wohnungen, Büros oder Fahrzeugen des öffentlichen Verkehrs zu senken und damit das Infektionsrisiko zu mindern.

Wie(so) werden Aerosole sauer?

Wie lange Viren in Aerosolpartikeln infektiös bleiben können, ist jedoch nicht klar. Einige Studien deuten darauf hin, dass der Feuchtigkeitsgehalt und die Temperatur der Luft eine Rolle spielen können. Ein anderer, bislang unterschätzter Faktor ist die chemische Zusammensetzung und insbesondere der Säuregehalt der ausgeatmeten Aerosolpartikel in Wechselwirkung mit der Raumluft.

Viele Viren, zum Beispiel das Influenza A-Virus, sind nämlich säureempfindlich und die Aerosolpartikel können flüchtige Säuren und weitere Luftinhaltsstoffe wie Essigsäure, Salpetersäure oder Ammoniak aus der Raumluft aufnehmen, was wiederum den pH-Wert der Partikel beeinflusst.

Welchen Einfluss die nach dem Ausatmen eintretende Ansäuerung der Aerosolpartikel auf die mitgeführte Virenfracht hat, ist bislang nicht erforscht worden. Ein Team der ETH Zürich, der EPFL und der Universität Zürich hat genau dies untersucht. In einer neuen Studie [1] zeigen die Forscher erstmals auf, wie sich der pH-Wert der Aerosolpartikel in der Zeit nach dem Ausatmen während Sekunden bis Stunden unter verschiedenen Umgebungsbedingungen verhält. Und sie zeigen, wie sich dies auf die in ihnen enthaltenen Viren auswirkt.

Kleine Aerosolpartikel werden schnell saurer

Dem Forschungsteam zufolge versauern die ausgeatmeten Aerosolpartikel schneller als man erwarten könnte. Wie schnell die Partikel dies tun, hängt von der Konzentration der Säuremoleküle in der Umgebungsluft und von der Größe der Aerosolpartikel ab.

In typischer Luft in Wohnräumen erreichen Partikel aus Nasenschleim sowie aus eigens für die Studie synthetisierter Lungenflüssigkeit, die kleiner als 1 µm sind, schon nach rund 100 s einen pH-Wert von 4, was etwa dem Säuregehalt von Orangensaft entspricht.

Für die Ansäuerung von Aerosolen macht das Forschungsteam vor allem die Salpetersäure (HNO3) verantwortlich. Diese gelangt mit der Außenluft in die Innenräume, zum Beispiel beim Fensterlüften oder über Lüftungsanlagen. Salpetersäure entsteht durch den Abbau von Stickoxiden (NOx), die hauptsächlich nach Verbrennungsprozessen mit den Abgasen von Dieselmotoren und Hausfeuerungsanlagen in die Umwelt entlassen werden. Es gibt also in Städten und Ballungsräumen permanent Stickoxid- und damit Salpetersäure-Nachschub.

Salpetersäure haftet rasch an Oberflächen, auf Möbeln, Kleidern, der Haut – aber wird eben auch von den ausgeatmeten, winzigen Aerosolpartikeln aufgenommen. Die Säuremoleküle machen sie sauer und senken damit ihren pH-Wert.

Aerosol-pH-Wert ist wichtig für die Virusinaktivierung

Das Forschungsteam zeigt weiter, dass das saure Milieu entscheidenden Einfluss auf die Geschwindigkeit der Inaktivierung von in den Schleimpartikeln eingeschlossenen Viren hat. Dabei erwiesen sich die beiden Virusarten als unterschiedlich säureempfindlich:

SARS-CoV-2 ist so säureresistent, dass auch die Fachleute zunächst an eine Fehlmessung glaubten. Die Coronaviren wurden erst bei einem pH-Wert unter 2 inaktiviert, also sehr sauren Bedingungen, etwa wie in unverdünntem Zitronensaft. Solche Bedingungen werden in typischer Innenraumluft nicht erreicht.

Influenza A-Viren werden hingegen schon bei sauren Bedingungen von pH 4 nach einer Minute inaktiviert, wie sie sich in den Schleimpartikeln durch Säureaufnahme knapp zwei Minuten nach dem Ausatmen einstellen.

Zählt man nun die Zeit, welche es für die Ansäuerung des Aerosols braucht, zusammen mit der Zeit, die es für die Inaktivierung der Grippeviren bei einem pH 4 oder kleiner benötigt, wird rasch klar: Bis 99 % der Influenza A-Viren im Aerosol inaktiviert werden, dauert es ungefähr drei Minuten.

Diese kurze Zeitspanne hat die Forschenden überrascht. Bei SARS-CoV-2 sieht es anders aus: Da in typischen Wohnräumen der Aerosol-pH kaum je unter 3,5 fällt, braucht es Tage, bis 99 % der Coronaviren inaktiviert werden.

Die Studie zeigt, dass in gut gelüfteten Räumen die Inaktivierung von Influenza A-Viren in Aerosolen effizient funktioniert, und auch die Bedrohung durch SARS-CoV-2 reduziert werden kann (Bild 2). In schlecht gelüfteten Räumen hingegen ist das Risiko aktiver Viren in Aerosolen verglichen mit Räumen mit starker Frischluftzufuhr 100-Mal höher.

Deshalb raten die Forschenden, Innenräume häufig und gut zu lüften, damit die potenziell mit virushaltigen Aerosolen beladene Raumluft und basische Stoffe wie Ammoniak (NH3) aus den Emissionen von Menschen und Innenraumaktivitäten abgeführt (verdünnt) werden und saure Bestandteile der Außenluft in ausreichender Menge in die Räume gelangen können.

Filterung entfernt Säuren aus der Luft

Schon normale Klimaanlagen mit Luftfiltern können zu einer Verringerung flüchtiger Säuren führen. Der Säureabbau in Museen, Bibliotheken oder Krankenhäusern mit Aktivkohlefiltern ist wahrscheinlich noch ausgeprägter. In solchen öffentlichen Gebäuden kann das relative Risiko einer Influenza-Übertragung im Vergleich zu Gebäuden, die mit ungefilterter Außenluft versorgt werden, erheblich steigen, schreibt das Team in seinem Artikel.

Das Forschungsteam könnte sich deshalb auch vorstellen, gefilterter Luft geringe Mengen an flüchtigen Säuren wie Salpetersäure zuzusetzen und basische Stoffe wie Ammoniak zu entziehen. Das könnte die Ansäuerung der Aerosole beschleunigen. Laut der Studie könnte eine Konzentration von 50 ppb Salpetersäure (das entspricht 1/40 des gesetzlichen 8-Stunden-Grenzwertes am Arbeitsplatz) das Risiko einer Corona-Infektion um das Tausendfache senken (Bild 2).

Langer Weg zu gesünderem Raumklima

Das Forschungsteam ist sich aber auch bewusst, dass eine solche Maßnahme sehr umstritten sein wird, da nicht klar ist, welche Folgen solche Säuremengen haben können. Museen oder Bibliotheken filtern die Luft sehr stark, damit Kunstwerke und Bücher keinen Schaden nehmen. Auch Bauingenieure wären wahrscheinlich nicht erfreut. Die Zugabe von Säuren könnte Materialien oder Leitungen schädigen.

Die an der Studie beteiligten Forschenden sind sich deshalb einig, dass es Langzeitstudien bedarf, um die Risiken für Mensch und Bauten zu bewerten. Daher wird sich die Erkenntnis, dass flüchtige Säuren effizient Viren in Aerosolpartikeln eliminieren, nicht so leicht etablieren lassen, während die Entfernung von Ammoniak – der den pH-Wert anhebt und die Viren stabilisiert – nicht kontrovers sein dürfte.