Toxizität mobiler Endgeräte

Abschlussarbeit für den Postgradualen Studiengang Toxikologie und Umweltschutz

Universität Leipzig

zur Erlangung des akademischen Titels Fachtoxikologe

Thema: Toxizität mobiler Endgeräte

von

Dr. rer nat. Thomas Herter

(Diplom Biologe)

Berkeley, 17. Juli 2013  

  2    

Inhaltsverzeichnis

ZUSAMMENFASSUNG ... 3

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ... 4

1. EINLEITUNG ... 5

1.1WAS SIND MOBILE ENDGERÄTE ... 5

1.2AUFBAU MOBILER ENDGERÄTE ... 7

1.3MOBILFUNKNETZWERKE ... 9

1.4LOKALE FUNKNETZE ... 11

1.4.1 W-LAN ... 11

1.4.2 Bluetooth ... 12

1.5SPEZIFISCHE ABSORPTIONSRATE –DER SARWERT ... 12

2. TOXISCHE ASPEKTE DER MOBILEN ENDGERÄTE UND IHRER BESTANDTEILE ... 14

2.1ELEKTROMAGNETISCHE FELDER UND STRAHLUNG ... 14

2.1.1 Gentoxizität - Induktion von Tumoren und Karzinomen ... 14

2.1.2 Reprotoxizität und teratogene Wirkung ... 18

2.1.3 Gehörschäden und neuronale Schäden ... 19

2.1.4 Thermale Effekte und Wirkung auf die Haut ... 21

2.1.5 Wirkung auf zelluläre Stoffwechselprozesse und auf den Hormonstoffwechsel ... 23

2.2INHALTSSTOFFE,PRODUKTION UND RECYCLING ... 26

2.2.1 Kunststoffe, PVC, Weichmacher (Phtalate) ... 27

2.2.2 Batterien und Akkumulatoren ... 29

2.2.3 Flammenschutzmittel ... 31

2.2.4 Hauptplatine (Mainboard) und Flüssigkristallanzeige (LCD) ... 33

2.2.5 Schwermetalle ... 35

3. LITERATUR ... 39

SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG ... 46

LEBENSLAUF ... 47  

  3   Zusammenfassung

Heute sind mobile Endgeräte im Alltag nicht mehr weg zu denken. Bedingt durch ihre Bauweise und auf Grund der verwendeten Technik fungieren sie als Sender und Empfänger von elektromagnetischer Strahlung zur Übermittlung von Daten. Das Strahlungsniveau ist im Verhältnis zu anderen Strahlungsquellen gering. Dennoch können bis heute die Folgen der elektromagnetischen Strahlungsexposition für den Menschen nicht eindeutig eingeschätzt werden. Darüber hinaus gewinnt die Problematik der Entsorgung und des Recyclings angesichts der stetig steigenden Zahl an Geräten immer mehr an Bedeutung.

Es gibt, abhängig von der Einschätzung des Gefahrenpotentials für den Menschen, Hinweise auf eine toxische Wirkung der elektromagnetischen Strahlung. Bislang sind die publizierten Ergebnisse jedoch inkonsistent. In Metaanalysen, die das Risiko einer karzinogenen Wirkung elektromagnetischer Strahlung in Form von Mobilfunkstrahlung abschätzen, kann eine karzinogene Wirkung festgestellt werden. Es wurde beispielsweise ein erhöhtes Risiko für die Entstehung von Glioma und Neuroma festgestellt. Dies scheint vor allem durch Mobilfunkstrahlung induziert zu werden. Dennoch widersprechen andere Studien diesem Befund.

Folgen anderer Effekte treten auf Grund von Erwärmungen der mobilen Endgeräte auf. Die Effekte stellen sich abhängig von Wirkungsort dar, sind aber in der Regel zu vernachlässigen. Mögliche andere Effekte, wie teratogene Wirkungen, eine Reproduktionstoxizität, Schädigungen des Gehörsystems und der Nerven sowie Stoffwechselstörungen sind untersucht worden. Eine eindeutige Wirkung konnte jedoch nicht nachgewiesen werden.

Eine eindeutige toxische Wirkung mobiler Endgeräte liegt hauptsächlich bei der unsachgemäßen Entsorgung vor. Schwermetalle und andere Inhaltsstoffe können so in Luft und Wasser gelangen und dann bei Aufnahme in den Körper eine toxische Wirkung auslösen. Zudem werden zunehmens Kontaktallergien und Ekzeme bei direktem Kontakt mit der Haut beschrieben.  

  4    

Abkürzungsverzeichnis  

PDA Personal Digital Assistant

PC Personal Computer

miniSD Mini Secure Digital Memory Card

SIM Subscriber Identity Module

W-LAN Wireless Local Area Network

USB Iniversal Serial Bus

GSM Global System for Mobile Communication

UMTS Universal Mobile Telecommunications System

GPRS General Packet Radio Service

LTE Long Term Evolution

IP Internet Protocol

HSPA High Speed Packet Access

DSL Digital Subscriber Line

MHz Megahertz

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

HSPA High Speed Packet Access

HSDPA High Speed Downlink Packet Access

HSUPA High Speed Uplink Packet Access

GHz Gigahertz

mW Milli Watt

dBm Dezibel / Meter

Akku Akkumulator

PVC Polyvinylchlorid

PDBE Polybrominated diphenyl ethers

TBBPA Tetrabrombisphenol A

HBCD Hexabromocyclododecane

DEHP 2 – ethylhexyl phtalate

TCDD 2,3,7,8 -Tetrachlorodibenzo-p-dioxin

HSPs Heat Shock Proteine

BPA Bisphenol A

W/kg Watt / Kilogramm

EEG Electroencephalography

TEOAE transient-evoked otoacoustic emission DPOAE distortion product otoacoustic emissions

NiMH Nickel-Metallhybrid

  5   1. Einleitung

1.1 Was sind mobile Endgeräte

Mobile Endgeräte dienen vorrangig der Kommunikation. Sie werden zur Sprachkommunikation und für die Datenübertragung verwendet. Eine wichtige Eigenschaft mobiler Endgeräte ist die Möglichkeit der ortsunabhängigen Nutzung (Abbildung 1). Sie dienen zudem der Lokalisierbarkeit und Erreichbarkeit (mobile-zeitgeist.com).

Abbildung 1: Eigenschaften mobiler Endgeräte (mobile-zeitgeist.com)

Zu den mobilen Endgeräten zählen:

- Laptops - Mobiltelefone - Smartphones - PDA’s

- Tablet/PC

  6   - Netbooks

- Babyphones

- Schnurlose Telefone

- Bluetooth-Geräte, wie Headsets u.a.

Statistiken zeigen, dass die Zahl der mobilen Endgeräte in den letzten Jahren drastisch zugenommen hat (Abbildung 2). Dabei geht der Trend zum Zweit- und Drittgerät. Ein Grund für die stetig steigende Zahl an Mobiltelefonen ist die enorme Entwicklung des Mobilfunkmarktes. Die steigende Nachfrage und die drastische Zunahme wird mit den gesunkenen Herstellungskosten der Geräte und der besseren Verfügbarkeit von Funknetzwerken begründet.

Abbildung 2: Entwicklung des Mobilfunkmarktes in Deutschland (mobile-zeitgeist.com)

  7   1.2 Aufbau mobiler Endgeräte

Mobile Endgeräte bestehen grundsätzlich aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten. Einige Bausteine sind in nahezu allen mobilen Endgeräten zu finden.

- Gehäuse

- Akkumulator (Batterie) - Prozessor

- Leiterplatte

- Speicher (miniSD) - Flüssigkristall-Display - Tastatur

- Laufsprecher - Mikrofon

- Funkantennen und Sendeempfänger

Geräte, die im Mobilfunknetz eingebunden sind, verfügen über eine SIM-Karte.

Zusätzliche Schnittstellen, wie Bluetooth, Infrarot, W-LAN oder USB ermöglichen eine Verknüpfung und zusätzliche Kommunikation zwischen mobilen Endgeräten. In den letzten Jahren hat sich die Ausstattung deutlich verändert. So sind Mobiltelefone mit Kameras, leistungsstarker Betriebssoftware und GPS ausgestattet.

Ein Handy kann aus mehreren hundert Einzelteilen bestehen. Die wichtigsten Inhaltstoffe sind in Tabelle 1 aufgelistet. Dabei sind einige chemische Verbindungen und enthaltende Schwermetalle toxikologisch relevant.

  8   Tabelle 1: Inhaltstoffe eines Handys inklusive Batterie (BBS Walter Gropius,

www.praxis-umweltbildung.de). Gekennzeichnet mit (*) sind Bestandteile mit toxikologischer Relevanz, (**) abhängig vom Batterietyp, (***) bei Aluminium-Hülle

Inhaltsstoff Prozentualer Anteil

[%]

Kunststoff, wie ABS-PC, Silikon und PVC -*- 40-58

Keramik 16

Kupfer -*- 15

Eisen /Stahl 3

Nickel -*- 1-10**

Zinn 1

Flammenschutzmittel -*- 1

Aluminium 1-3 sonst 20***

Galliumarsenid -*- < 1

Gold < 1

Mangan < 1

Palladium < 1

Carbon 4**

Kaliumhydroxid 5**

Brom < 1

Chrom < 1

Flüssigkristall Polymere < 1

Silber -*- < 1

Tantal < 1

Titanium < 1

Wolfram < 1

Zink < 1

Cadmium -*- seit 2002 verboten < 1 Blei -*- seit 2002 verboten < 1

Antimon <0.1

Barium <0.1  

Berylium <0.1  

Wismut <0.1  

Kalzium <0.1  

Fluor <0.1  

Gallium <0.1  

Magnesium <0.1  

Ruthenium <0.1  

Strontium <0.1  

Schwefel <0.1  

Yttrium <0.1  

Zirkonium <0.1  

  9   1.3 Mobilfunknetzwerke

Die vier größten Mobilfunkbetreiber in Deutschland sind E-Plus, Vodafone, T- Mobile und O2. Sie unterhalten GSM-, GPRS-, UMTS- und LTE- Mobilfunknetzwerke. Bei diesen Mobilfunknetzwerken werden Frequenzen zwischen 900 MHz und 2600 MHz verwendet. Mobilfunk ist den hochfrequenten elektromagnetischen Funkwellen zuzuordenen (Abbildung 3).

Das Mobilfunknetzwerk ist heute in Deutschland und in den Großteilen der restlichen Welt flächendeckend verfügbar und bietet eine hohe Übertragungsqualität mit guter Erreichbarkeit. Ein Grund dafür ist der Aufbau und die Struktur der Mobilfunknetzwerke, die aus nebeneinanderliegenden wabenartig angeordneten und vernetzten Funkzellen bestehen. Die Funkzellen sind räumlich begrenzt und überlappen sich, um einen guten Empfang zu gewährleisten. Die Mobilfunkbasisstation versorgt die Funkzelle und liefert den Empfang des entsprechenden Netzbetreibers. Die Mobilfunkbasisstation besteht aus einer Sende- und Empfangsstation. Die hochfrequenten elektromagnetischen Funkwellen dienen als Transportmedium. Sie befördern Informationen mit Lichtgeschwindigkeit vom mobilen Endgerät zur nächstgelegenen Basisstation. Dazu werden Sprache und Daten digitalisiert, dann in kleine Einheiten zerlegt und in Funkwellen umgewandelt (Informationszentrum Mobilfunk, Wikipedia - Mobilfunknetz).

  10   Abbildung 3: Elektromagnetisches Spektrum (Bundesumweltamt für Strahlenschutz) GMS, Global System for Mobile Communication ist ein Standard für volldigitale Mobilfunknetzwerke und arbeitet bei einer Frequenz von 900 MHz bis 1800 MHz. Es wird auch als Mobilfunk der 2. Generation (2G) bezeichnet und löste die analoge Technik der 1. Generation (1G) ab. Die maximale Reichweite dieses Netzes liegt bei 35 km. Die Reichweite ist jedoch stark von geographischen Gegebenheiten, wie Geländeprofil und Bebauung, abhängig.

Das GSM wurde mittels Kanalbündelung, wie HSCSD, und durch Einführung eines neueren Modulationsverfahrens, wie EDGE, für eine schnellere Datenübertragung erweitert (Wikipedia – Mobilfunknetz, Informationszentrum Mobilfunk).

  11   GPRS, General Packet Radio Service, ist eine Erweiterung des GSM-Systems.

Dieses Mobilfunknetz nutzt die gleichen Basisstationen wie das GSM. Die Erweiterung besteht in der Fähigkeit, paketvermittelte Verbindungen zu ermöglichen. Für die schnellere Datenübertragung wurde das GPRS ebenfalls mit dem Modulationsverfahren EDGE verknüpft (Wikipedia – Mobilfunknetz).

UMTS, Universal Mobile Telecommunications System, ist ein Mobilfunknetz der 3. Generation (3G). Es ermöglicht eine höhere Datenübertragungsrate als das GSM- oder GPRS-Netz. Dies bringt eine bessere Funktionalität, beispielsweise im Bereich von Multimedia, mit sich. Mit HSPA, eine Ausbaustufe des UMTS, lassen sich DSL-ähnliche Datenübertragungsraten erreichen. Diese Ausbaustufe gliedert sich in HSDPA und HSUPA. Die Kapazität der UMTS- Netze ließ sich aber nicht beliebig erweitern, was zwangsläufig zur Einführung des neuen LTE-Netzes führte (Wikipedia – Mobilfunknetz; Mobiles).

LTE, Long Term Evolution, arbeitet in Deutschland bei Frequenzen von 791 - 862 MHz und 2500 - 2690 MHz und ist eine IP basiertes Mobilfunknetz. LTE ist eine breitbandartige Technologie, die auch als Konkurenz zum DSL angesehen werden kann. Das Mobilfunknetz wird als die 4. Generation (4G) der Mobilfunknetze bezeichnet (LTE-mobile; Wikipedia – Mobilfunknetz,;Mobiles).

1.4 Lokale Funknetze

1.4.1 W-LAN

Lokale Funknetze sind ähnlich wie Mobilfunknetze aufgebaut. Ein Router oder ein Access Point koordiniert alle Netzknoten. Das W-LAN ist ein drahtloses lokales Funknetzwerk mit einem IEEE-802.11 Standard. Die Reichweite beträgt in der Regel zwischen 30 und 100 m, lässt sich aber durch Verwendung von speziellen Antennen auf 100 bis 300 m erweitern. Die Sendeleistung handelsüblicher W-LAN-Geräte beträgt 13 - 16 dBm (20 - 40 mW). Die

  12   sogenannten Hot Spots sind öffentliche Internetzugriffspunkte, die auf der W- LAN Technologie basieren (Wikipedia – W-Lan; Mobiles).

1.4.2 Bluetooth

Bluethooth ist für die Übertragung von Daten zwischen Geräten über eine kurze Distanz entwickelt worden. Es arbeitet per Funktechnik nach dem Standard IEEE 802.15.1 (WPAN). Bluetooth-Geräte senden zwischen 2.402 und 2.480 GHz. Zur Zeit werden drei Klassen unterschieden, die sich in Leistung und Reichweite unterscheiden (Tabelle 2) (Wikipedia -Bluetooth).

Tabelle 2: Klassen und Reichweite von Bluetooth-Geräten (Wikipedia -Bluetooth) Klasse max. Leistung Reichweite im Freien

1 100 mW (20 dBm) ca. 100 m

2 2,5 mW (4 dBm) ca. 50 m

3 1 mW (0dBm) ca. 10 m

1.5 Spezifische Absorptionsrate – Der SAR Wert

Für die Sprach- und Datenübertragung beim Mobilfunk werden hochfrequente elektromagnetische Felder genutzt. Der menschliche Körper absorbiert bei Kontakt, aber auch ohne direkten Körperkontakt zu mobilen Endgeräten, Energie. Dies geschieht. Das hat thermische Effekte zur Folge. Die spezifische Absorptionsrate (SAR) ist ein Maß dafür, wie viel Energie bei Nutzung des Gerätes pro Kilogramm Körpergewicht vom Körper aufgenommen wird und ist jeweils abhängig vom mobilen Endgerät. Die Einheit wird in Watt pro Kilogramm (W/kg) angegeben. Die Bestrahlung eines Körpers mit einer SAR von 4 W/kg führt zu einem Temperaturanstieg von ca. 1°C. Zum Schutz des Anwenders vor nicht-ionisierender Strahlung wurden Grenzwerte weit unterhalb dieses SAR durch die Internationale Kommission zum Schutz festgelegt.

  13   Grenzwerte der SAR sind für den gesamten Körper mit max. 0.08 W/kg und für lokale Exposition ausgehend von einem Handy von max. 2 W/kg definiert (Bundesamt für Strahlenschutz – SAR). Neben den thermischen Effekten werden athermische Effekte genannt. Die Existenz dieser biologischen Effekte, ausgehend von energiearmen elektromagnetischen Feldern, ist jedoch umstritten (Vodafon.de; Mobiles).

  14   2. Toxische Aspekte der mobilen Endgeräte und ihrer

Bestandteile

Eine konkrete Einschätzung von Risiken und möglicher toxischer Effekte, ausgehend von mobilen Endgeräten, fällt angesichts der großen Vielzahl von einschlägigen Publikationen sehr schwer. Grundsätzlich stellt die Vergleichbarkeit der verschiedenen Untersuchungsergebnisse ein Problem dar, weil nicht immer gleiche Standards für die Experimente und statistische Auswertungen herangezogen wurden. Somit können im folgenden Abschnitt lediglich Ergebnisse und mögliche Risiken von Studien kontrovers diskutiert und aufgezeigt werden.

2.1 Elektromagnetische Felder und Strahlung

2.1.1 Gentoxizität - Induktion von Tumoren und Karzinomen  

Der Einfluss von elektromagnetischer Strahlung auf den menschlichen Organismus ist in den letzten Jahrzehnten transparent aber auch kontrovers, von Herstellern mobiler Geräte und unabhängigen Wissenschaftlern diskutiert worden. Aufgrund der teils sehr unterschiedlichen Ergebnisse der Veröffentlichungen bietet es sich an, nicht die einzelnen Ergebnisse der wissenschaftlichen Untersuchungen zu betrachten, sondern eine Aussage über die Wirkung elektromagnetischer Strahlung unter Betrachtung der Summe aller publizierten Ergebnisse zu treffen.

Die International Agency for Research on Cancer (IARC) hat elektromagnetische Strahlung anhand veröffentlichter Ergebnisse in die Gruppe 2B eingeordnet. Demnach ist elektromagnetische Mobilfunkstrahlung möglicherweise karzinogen für den Menschen (Tabelle 3).

  15   Vijayalaxmi et al. 2011 haben eine Metaanalyse der Daten aus 88 Publikationen, welche aus den Jahren zwischen 1990 - 2011 stammen, durchgeführt. In die Metaanalyse wurden Daten zu Untersuchungen der möglichen genetischen Schädigung in Humanzellen, induziert durch elektromagnetische Strahlung, einbezogen. Zu den genetischen Schädigungen wurden Einzel-Doppelstrangbrüche in der DNA, Chromosomenapparationen, das Entstehen von Mikro-DNA-Kernen sowie Austauschereignisse zwischen Schwesterchromosomen gezählt. Die Eigenschaft der verwendeten elektromagnetischen Strahlung, wie die Frequenz, die spezifische Absorptionsrate, Dauer und Art der Exposition wurden besonders bei den Analysen gewichtet. Auch die Art der in den Untersuchungen verwendeten Zelltypen und Zelllinien wurden mit in die Betrachtungen einbezogen.

Es stellte sich heraus, dass die Unterschiede zwischen exponierten und nicht exponierten Zellen bis auf wenige Ausnahmen kaum unterschiedlich waren.

Unter bestimmten Expositionsbedingungen war eine signifikant erhöhte Gentoxizität erkennbar. Die Untersuchungen bezogen sich jedoch auf eine meist sehr kleine Probenanzahl, was die Aussagekraft einschränkte.

Leitgeb 2012 hat, entgegen der IARC Klassifizierung, auf Grundlage der Einstufung und Daten der Deutschen Strahlenschutz Kommission (SSK) für die elektromagnetische Mobilfunkstrahlung das Risiko einer karzinogenen Wirkung ermittelt (Tabelle 3). Die genauere, präzisere Einstufung erfolgt in acht Stufen und schätzt den Hinweis einer karzinogenen Wirkung auf Grundlage von Parametern, wie z.B. Anzahl der Studien, Größe und Umfang der Studienreihe, Qualität der Untersuchungsmethoden sowie Reproduzierbarkeit der Versuchsergebnisse, ein.

In Tabelle 4 sind Einschätzungen der Risiken einer karzinogenen Wirkung von Mobilfunkstrahlung im Vergleich zu ionisierender Strahlung dargestellt.

  16   Tabelle 3: Klassifizierung der Karzinogenese nach der International Agency for Research on Cancer (IARC) und dem Deutschen Strahlenschutz Kommission (SSK) (Leitgeb 2012).

Demnach gibt es fehlende oder nicht vollständig bewiesene Hinweise auf eine karzinogene Wirkung, wenn Parameter wie physikalische Interaktionsmechanismen, Dosiseffekte, in vivo Studien, Studien zu epidermalen Effekten einbezogen werden. Die meisten Daten von in vitro Studien gelten als inkonsistent und Daten aus Studien, die physikalische Interaktionen betrachten, sogar als äußerst unzuverlässig. Es gibt also laut Leitgeb keine oder eine derzeit nicht nachgewiesene karzinogene Wirkung elektromagnetischer Strahlung.

of electric and magnetic fields and electromagnetic waves and rays in the entire frequency range from static fields up to ionizing radiation. It allowed coping with quite different size and quality of existing databases in the various fre- quency bands (SSK 2011a and b).

Conclusions on the level of evidence of a specific scientific source require accounting for quality and amount of data such as the number and size of studies, the suit- ability of chosen methods, investigated parameters and (biologic) endpoints, the diligence of the investigation and analysis, evaluation and interpretation of the results, and compliance with existing basic knowledge. A sum- mary for weighted assessment of these aspects is given in Table 2.

As already stated, the overall evidence for causality requires considering existing evidence provided by the various scientific approaches such as theoretical knowl- edge (e.g., on physical and biological mechanisms), ac- cumulative effects (‘‘dose’’ effects), biological studies in vitro and in vivo, and epidemiologic studies. Total evidence results from the weighted synopsis of these different sources.

On the one hand, this can hardly be based on the particular

evidence of one single scientific approach only, ignoring evidence from other sources, in particular of established basic knowledge. On the other hand, it is not necessary to demand evidence from all scientific approaches, in par- ticular in the case of consistent and convincing results from several approaches.

RESULTS

Because of the limited number of classes of evidence and data quality, the results of assessing particular evi- dence from specific scientific sources can be documented by an evidence matrix, which allows demonstrating the conclusion based on the total evidence in a convincing and traceable way. This is demonstrated in Table 3 for carci- nogenicity of ionizing radiation to humans, mobile phone use, and nocturnal exposure to visible light, as performed by SSK in its effort to compare cancer risks in the entire EMF frequency range (SSK 2011a and b).

The synopsis of results explains why SSK does not agree with IARC’s classification of RF EMF cancer risk (Table 3). First, SSK differentiated between (mobile tele- communication) microwaves and (remaining) RF EMF.

Second, the body of epidemiologic studies on microwaves was not considered convincing enough to conclude that they are ‘‘possibly carcinogenic,’’ in particular in view of insufficient support from the other scientific approaches.

Consequently, the total evidence was classified as insuf- ficient (E0). This decision is based on assessment of the various scientific approaches, in particular the lack of evi- dence from physical mechanisms (E0), unreliable data of biologic interaction models (D1), insufficient evidence for dose effects (E0), inconsistent data of in vitro studies (D2), and insufficient evidence (E0) of in vivo and epidemiologic studies.

However, in agreement with IARC for environmental ionizing radiation, total evidence of carcinogenicity was

Table 1. Comparison of the scheme of the German Commission on Radiological Protection (SSK 2011) for classifying evidence of causality and of IARC for classifying carcinogenicity (IARC 2002).

SSKVclassification of

evidence of causality IARCVclassification of carcinogenicity E3 convincing evidence 1 carcinogenic to humans E2 incomplete evidence 2A probably carcinogenic

to humans

E1 weak evidence 2B possibly carcinogenic to humans E0 lack of or insufficient evidence

of causality (or non-causality)

4 probably not carcinogenic to humans

EN evidence for non-causality D2 inconclusive data

D1 unreliable data 3 not classifiable D0 lack of or insufficient data

Table 2. Criteria for classifying evidence of causality from scientific studies (SSK 2011); V = no criterion.

Evidence of causality

Number of studies

Study size (statistical power)

Method quality

Bias,

confounders Reproduced

Number of

endpoints Causal relation

Support by basic knowledge

E3 convincing sufficient sufficient sufficient no yes sufficient consistently YES convincing

E2 incomplete limited limited sufficient possible partly insufficient predominantly

YES possible

E1 weak insufficient insufficient limited possible hardly insufficient partly YES hypothetical

E0 lack of or insufficient evidence of causality (or non-causality)

limited limited sufficient possible partly insufficient predominantly NO

possible

EN evidence of

non-causality sufficient sufficient sufficient no yes sufficient consistently NO convincing

D2 inconsistent data

possible no

inconsistent,

unclassifiable

V

D1 unreliable data

insufficient insufficient probable

insufficient unclassifiable

D0 lack of or insufficient

data insufficient

unclassifiable

197 EMF health risks c ^{N. L}

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  17   Tabelle 4: Hinweise auf Grundlage wissenschaftlicher Untersuchungen und Ergebnisse zur karzinogenen Wirkung von Mobilfunkstrahlung, ionisierender Strahlung und nächtlichem sichtbarem Licht laut SSK 2011 (Leitgeb 2012).

Wissenschaftliche Hinweise für eine schädigende, bioaktive Wirkung nicht ionisierender, elektromagnetischer Strahlung sind aber auch bekannt. Danach kann die elektromagnetische Strahlung die Bildung von Tumoren und Karzinomen verursachen und fördern.

Es gibt dafür epidemologische Hinweise auf Grundlage von Metaanalysen der Hardell group (Schweden) und der International Interphone study group. In den Analysen wurde ein übereinstimmendes Muster für eine verstärkte Bildung von Glioma und akustischen Neuroma durch die Wirkung elektromagnetischer Strahlung belegt (Hardell 2011). Für die Bildung von Meningioma wiesen die Studien aber unterschiedliche Ergebnisse aus. Die verstärkte Bildung der Glioma und der akustischen Neuroma, induziert durch Mobilfunkstrahlung, wird nach Hardell 2011 auf Grund der Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Interphone group bestärkt.

Zusammenfassend kann eine deutliche Divergenz bezüglich der Einstufung der karzinogenen Wirkung von Mobilfunkstrahlung festgestellt werden. Je nach Wichtung von Ergebnissen und Einstufungen kann die elektromagnetische Mobilfunkstrahlung als allgemein karzinogen, oder als nicht karzinogen eingestuft werden. Obwohl es bislang nicht eindeutig bewiesen ist, scheint jedoch eine tumorpromovierende Wirkung der Mobilfunkstrahlung zu bestehen,

classified convincing (E3). This is supported by the con- vincing evidence of all scientific approaches. The only ca- veat remains with dose effects, in particular the uncertainty of a dose relationship at low environmental dose levels, where theoretically several hypotheses such as threshold, hormesis, and linear non-threshold (LNT) are possible.

To be conservative, convincing evidence was assumed even for dose effects.

As another example, total evidence of the carcinoge- nicity of nocturnal exposure to visible light (VL) has been classified as weak (E1) based on weak evidence from bio- logic interaction models; in vitro, in vivo and epidemiologic studies; and incomplete evidence (E2) from physical inter- action models, and in spite of the lack of data (D2) of dose effects (Table 3).

DISCUSSION

Classifying evidence of risks is a challenging task, in particular in an already emotional situation with estab- lished frontiers between supporters and opponents such as in the field of mobile telecommunication. Even assessment by designated bodies may still depend on their composition of individuals, their background and biasVand in worst case on their interests. This explains the divergent recommen- dations of exposure limit values derived from the same database, such as of ICNIRP and the European Council (ICNIRP 1998, 2002; EU 1999) and the Bioinitiative and the European Environmental Agency (Blackman et al. 2007;

EEA 2007), which demanded limits that were orders of magnitudes lower. If not communicated properly, this enhances public confusion. Never before was it as easy as today to get access to information on almost any topic in- cluding risks of EMF exposure, however biased or unbi- ased, sound or delusive. This requires making one’s own choice on the credibility of informationVon whatever basis.

Therefore, today there is no lack of information, but there is a lack of trust. This enhances the importance of a rule-based, traceable and clear procedure of evidence classification such

as that presented in this paper. Disclosing the various steps leading to the final conclusion enables tracing the path of decision making and drawing conclusions on the basis of validity and soundness. This is superior to just claiming

‘‘believe me’’ and reporting on results of final voting only.

Of course, even this approach offers still room for in- dividual judgment, such as to give weights to the particular assessment criteria of individual studies, to the validity of the body of data, and to the weight of particular evidence of scientific approaches to finally conclude on the level of total evidence. As an example, IARC concluded on the total evidence of ELF magnetic fields, based on verbal sum- maries of scientific reports (IARC 2002):

& Missing related interaction mechanisms;

& Missing genetic effects in mammalian cells, inconclu-

sive results on cancer-related non-genetic effects;

& Inconsistent pattern of animal carcinogenicity studies, in

particular missing adverse effects on reproduction and development in mammals and some reports on enhance- ments of DNA damages from known carcinogens; and

& Lacking relations with other types of cancer, both in

children and adults. Excess risk estimates from two consistent meta-analyses on epidemiologic power line studies on childhood leukemia showed inconsistent results on adults. (It is remarkable that studies on a re- lationship with electrical appliances with similar out- come were disregarded, because recall bias of interview exposure data was considered a major problem, while this was not done with questionnaire data asking for use of mobile phones more than 10 y ago.)

Based on the conclusion that there was limited (epi- demiologic) evidence for a relation of ELF magnetic fields and childhood leukemia without explicit weighting partic- ular scientific approaches, in spite of the lack of leuke- mia mechanisms and support from biologic models in vitro and in vivo, and without explaining the rationale for the final assessment, IARC concluded that magnetic fields

Table 3. Evidence of causality from various scientific approaches and resulting total evidence of carcinogenicity to humans with regard to exposure to ionizing radiation (INR), cellular phone RF EMF (CP), and nocturnal visible light (VL) (SSK 2011).

Evidence of

causality Phys. interaction

mechanism Biolog. interaction

mechanism Dose-effect In vitro

studies In vivo

studies Epidem.

studies Total-evidence

E3 INR INR INR INR INR INR INR

E2 VL

E1 VL VL VL VL VL

E0 CP CP CP CP CP

EN

D2 CP

D1 CP

D0 VL

E3 = convincing evidence, E2 = incomplete evidence, E1 = weak evidence, E0 lack of or incomplete evidence of causality (or non- causality), D2 = inconsistent data, D1 = unreliable data, D0 = lack of or insufficient data.

198 Health Physics August 2012, Volume 103, Number 2

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  18   was sich anhand der vermehrten Bildung von bestimmten Hirntumoren, wie Glioma und Neuroma, zeigt.

2.1.2 Reprotoxizität und teratogene Wirkung

Bei Betrachtung der Reprotoxizität müssen grundsätzlich zwei Parameter berücksichtigt werden. Mobile Endgeräten können Strahlungseffekte sowie auch Temperatureffekte bewirken, die nicht zwangsläufig von einer elektromagnetischen Strahlungsquelle induziert werden. Es existiert ebenfalls eine große Diversität und Inkonsistenz in den Ergebnissen zahlreicher veröffentlichter von in vivo und in vitro Studien (Merhi 2012).

Durch den intensiven Mobiltelefongebrauch wird, laut Literatur, vorrangig die Fortpflanzungsfähigkeit des Mannes beeinflusst. Studien, bei denen die Spermienqualität bei Gebrauch von Mobiltelefonen untersucht wurden, zeigten, dass Parameter, welche Hinweise auf die Qualität der Spermien geben, verändert waren (Gutschi et al. 2011). Auf der Grundlage von ca. 2000 Patienten wurden statistisch relevante Veränderungen im Testosteronlevel und Lutropinlevel ermittelt. Patienten, die ein Mobiltelefon über einen Zeitraum von bis zu 14 Jahren nutzten, hatten einen erhöhten Testosteronspiegel und einen verringerten Lutropinspiegel. Andere Hormone, wie Prolaktin und das follikelstimulierende Hormon, die mit Lutropin und Testosteron zusammenspielen, stellten sich unverändert dar.

Bei in vitro Versuchen, bei denen Samenproben untersucht wurden, konnte einmal mehr bewiesen werden, dass die Distanz zwischen Probe und Strahlungsquelle für die Wirkung der Strahlung entscheidend ist.

Beispielsweise ist das Tragen von Mobilfunkgeräten in Hosentaschen ein Grund für die Beeinflussung der Produktion und Qualität der Spermien durch Mobilfunkstrahlung (Mouradi et al. 2011). Eine Distanzvergrößerung lässt eine deutliche Abschwächung der schädigenden Effekte erkennen.

Eine teratogene Wirkung von Mobilfunkstrahlung konnte bislang nicht nachgewiesen werden. Bei Versuchen mit trächtigen Ratten unter Verwendung

  19   von elektromagnetischer Strahlung, wie sie in WIFI-Geräten zulässig ist, wurden keine pre- und postnatalen Entwicklungsstörungen festgestellt. Selbst bei hohen Strahlungsexpositionen mit etwa 4 W/Kg, also einer 5 fach höheren Intensität als für mobile Endgeräte erlaubt, blieb eine teratogene Wirkung aus (Gannes et al. 2012).

2.1.3 Gehörschäden und neuronale Schäden

Entgegen der weit verbreiteten Meinung, dass das Benutzen von mobilen Endgeräten, wie Mobiltelefonen oder Headsets, zu Gehörschäden oder neuronalen Schäden im Bereich des Ohres führen, wurden bislang keine wissenschaftlich fundierten Langzeitstudien publiziert. Besonders das Fehlen von Studien mit einer ausreichend großen Zahl an Probanden und statistisch signifikant untermauerten Auswertungen, machen eine Einschätzung des Risikos für das menschliche Ohr bei Einwirkung elektromagnetischer Strahlung sehr schwierig (Kwon and Hämäläinen 2011, Kizilay et al. 2003). Zur Untersuchung der Auswirkungen wurden meist physiologische Parameter in Lang- und Kurzzeitstudien mit relativ geringer Probandenzahl herangezogen.

Einige Parameter sind die Messung des akustisch hervorgerufenen Potentials, also eine durch akustische Signale induzierte Veränderung des EEGs, Ton- Sprach-Audiogramme, otoakustische Emission (TEOAE, DPOAE) und Messungen des Trommelfell-Widerstandes (Trympanometrie und Stapediusreflex).

Die Einwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit kurzzeitiger Exposition bedingt anscheinend keine Wirkung auf das auditorische System (Parazzini et al. 2010). Dies beruht auf Versuchen, bei denen erwachsene Probanden für 20 min mit Strahlung, ausgehend von Mobiltelefonen mit UMTS Standard (3G), ausgesetzt waren. Selbst die Hirnströme (EEGs), nach einer 30 minütigen Exposition mit UMTS mobilfunkähnlichen elektromagnetischen Feldern, waren nicht beeinflusst. (Trunk et al. 2013).

  20   Dieser Befund scheint jedoch nur für kurzzeitige Expositionen zu gelten. In einer Langzeitstudie, in der länger als ein Jahr die Wirkung des GSM- Mobilfunknetzes auf Mobilfunknutzer untersucht wurde, konnte ein schlechteres Hören detektiert werden (Panda et al. 2010). Insbesondere das Hören in hohen Frequenzbereichen war, bei einem exzessiven Gebrauch von Mobilfunktelefonen und bei Erwachsenen über 30 Jahren, beeinflusst.

Gleichzeitig wurde darauf hingewiesen, dass eine größere Zahl von Probanden betrachtet werden müsse. Andere Untersuchungen widersprechen dem Befund und lieferten trotz gleicher Probandenanzahl unterschiedliche Ergebnisse bezüglich möglicher chronischer Effekte (Davidson and Lutman 2007).

Untersuchungen zur Auswirkung von GSM-900 Mobilfunkstrahlung auf den auditorischen Hirnstamm zeigten, dass es zu einer Beeinflussung der normalen elektrophysiologischen Aktivität des auditorischen Systems kommt (Kaprana et al. 2011). Die Beeinflussung stellt sich wie bei Einwirkung eines anderen Stressfaktors dar. Somit wirkt die emitierte Mobilfunkstrahlung wahrscheinlich als Stressfaktor auf das auditorische System. Der empfindliche Hörnerv wird bereits nach kurzer Zeit durch Mobilfunkstrahlung beeinflusst (Colletti et al.

2010). Die Exposition von Patienten für 5 min induziert eine signifikant geringere Amplitude aber erhöhte Latenzzeit des Aktionspotentials des Hörnervs. Diese Auswirkung ist selbst 5 min nach der Exposition noch zu verzeichnen und stellt eine deutliche Beeinflussung des auditorischen Systems dar.

Andere elektromagnetische Felder, wie sie bei Bluetooth-Verbindungen genutzt werden, hatten keine direkte schädigende Wirkung auf das auditorische System. Dabei hatte auch eine intensivere Strahlung, weit über der zulässigen Grenze für mobile Endgeräte, keine nachweisbare Wirkung auf das auditorische System (Balachandran et al. 2012).

Obwohl keine direkte schädigende Wirkung auf Teile des Gehörsystems nachgewiesen werden konnte, scheint die Mobilfunkstrahlung als ein Stressfaktor zu wirken. Es werden empfindliche Teile des Gehörsystems, z.B.

  21   Nerven, beeinflusst. Dies äußert sich in einer gering verminderten Funktionsfähigkeit des Hörsystems.

2.1.4 Thermale Effekte und Wirkung auf die Haut

Es ist nachgewiesen, dass Mobilfunkstrahlung zu athermischen, aber auch thermischen Effekten führen kann.

Die Existenz der athermischen Effekte, ausgehend von schwacher energiearmer Mobilfunkstrahlung, war lange Zeit umstritten. Bis heute können biologische Phänomene wie Kopfschmerzen, Schlafstörungen und Beeinflussung der Hirnaktivität nicht mit athermischen Effekten erklärt werden.

Eindeutige Versuchsergebnisse konnten bislang nicht publiziert werden.

Dennoch wird angenommen, dass es bei Benutzung mobiler Endgeräte eine nicht erklärbare Wirkung gibt. Generell werden Symptome zu den athermischen Effekten gezählt, die bei einer Temperaturerhöhung von 0,1 – 1 °C auftreten (Foster et al. 2007). Diese Temperaturerhöhung kann jedoch meist physiologisch durch den Körper ausgeglichen werden und ist daher kaum messbar. Der sogenannte „Mikrowelleneffekt“, ausgehend von elektromagnetischer Strahlung geringer Intensität, kann Moleküle beeinflussen und zu einer Modifikation führen. Dabei werden in den Zellen Schwingungen von Molekülen induziert. Dies kann zu Zerstörungen von Wasserbrücken und zu strukturellen Veränderungen an Seitenketten von Proteinen führen (Damm et al. 2012). Es wird kontrovers diskutiert, ob diese athermischen Effekte der elektromagnetischen Felder auf chemische Reaktionen und Entropieänderungen von biologischen Systemen wirken, die letztlich zu den zuvor aufgezählten Erscheinungen führen können (Sheppard et al. 2008, Vojisavljevic et al. 2011).

Die thermischen Effekte äußern sich meist durch eine messbare Temperaturerhöhung in Geweben. Der SAR-Wert stellt ein Maß für diese Erhöhung der Gewebetemperatur dar. Zu den thermischen Effekten zählen

  22   Erscheinungen, die bei einer Erhöhung der Gewebetemperatur über 1 °C auftreten.

Es ist unklar, ob thermische Effekte wirklich durch die elektromagnetische Strahlung mobiler Endgeräte ausgelöst werden. Vielmehr kann Die Erwärmung von Geweben auch durch die Wärmeabstrahlung von Batterien ausgelöst werden. In Studien mit Probanden im Kindesalter konnte bei kurzzeitiger Wirkung elektromagnetischer Strahlung, wie sie von GSM Geräten ausgeht, keine signifikante Temperaturerhöhung im Ohrkanal gefunden werden (Lindholm et al. 2011). Bei der Verwendung von peripheren Geräten, wie Headsets, kann es jedoch zu einer signifikanten Temperaturerhöhung der Haut von bis zu 2 °C kommen. (Anderson and Rowley 2007). Hier gezeigt sich, dass die thermalen Effekte bei der Nutzung mobiler Endgeräte nur geringfügig durch die elektromagnetische Strahlung ausgelöst wurden (Acar et al. 2009). Auch die Dauer der Exposition ist in Betracht zu ziehen. Wie schon bei anderen Studien fehlt es hier an einer ausreichenden Probandenzahl, die bei Untersuchungen der Folgeerscheinung einer Langzeitexposition herangezogen werden.

Thermale Effekte anderer Herkunft, wie die Erwärmung von peripheren Geräten, können auch nachweislich weitere schädigende Wirkungen auslösen.

Beispielsweise kann die Benutzung eines Laptops auf dem Schoß zu einer Temperaturerhöhung der Genitalien bewirken und damit zu einer herabgesetzten Fertilität durch Beeinflussung der Spermatogenese führen (Sheynkin et al. 2005).

Die Haut kann, im Gegensatz zu den empfindlichen Geweben der Genitalien besser die Wärme ableiten. Die Haut ist jedoch das Organ, auf das die entstehende Wärme bei der Nutzung von mobilen Endgeräten und elektromagnetische Mobilfunkstrahlung ungehindert einwirken kann. Es gibt Hinweise, dass Mobilfunkstrahlung DNA-Schäden im Hautfibroblasten verursachen könnte. Diese Wirkung ist jedoch vorrangig auf die physikalischen Eigenschaften zurückzuführen sind. (Xu S et al. 2013). In einer neueren Studie wurden die Hautfibroblasten für 1h oder 24h strahlungsexponiert. Die

  23   mobilfunkähnliche Strahlung hatte eine Intensität von 3 W/kg. Mittels Immunofärbung wurden die Zellen auf DNA-Schäden untersucht. Es zeigte sich im Assay, dass die Zellen Veränderungen aufwiesen, jedoch keine DNA- Fragmentierung oder Dysfunktion der Zellen zu verzeichnen war.

Der Befund, dass die elektromagnetische Strahlung schädigend auf die Haut wirken kann wurde in der Studie von Poulsen et al. untermauert (Poulsen et al.

2013). Es zeigte sich in dieser statistisch untermauerten Langzeitstudie mit ca.

355000 Mobiltelefonnutzern, dass nach Nutzung des Mobilfunktelefons über einen langen Zeitraum das Risiko von Hautkrebs der Mobilfunktelefonnutzer erhöht war. Dies ist ein Indiz, dass die Haut nach sehr langer Zeit Schädigungen aufgrund von Mobilfunkstrahlung zeigen kann. Bis heute sind keine weiteren Langzeitstudien bekannt, die einen konkreteren Beweis für die Schädigung der Haut durch elektromagnetische Strahlung zulassen.

Weitestgehend unklar ist, ob die Wärmeentwicklung oder die Strahlung für die schädigende Wirkung verantwortlich ist.

2.1.5 Wirkung auf zelluläre Stoffwechselprozesse und auf den Hormonstoffwechsel

Die von mobilen Endgeräten ausgehende elektromagnetische Strahlung beeinflusst zelluläre Prozesse, wie den Fettstoffwechsel, den Kohlenhydratstoffwechsel, die Expression von Proteinen und den Hormonstoffwechsel.

Es konnte gezeigt werden, dass Mobilfunkstrahlung von 1800 MHz, wie sie bei GSM-Geräten zu finden ist, eine Wirkung auf den Lipidstoffwechsel hat. Im Tierversuch mit neugeborenen sowie mit adulten Kaninchen, wurde nachgewiesen, dass die Mobilfunkstrahlung zur Lipidperoxidation führt (Güler et al. 2012). Es wird vermutet, dass GSM ähnliche Mobilfunkstrahlung zu strukturellen Veränderungen von Biomolekülen führen kann.

Auch metabolische Prozesse können beeinflusst werden. Experimente mit elektromagnetischen Feldern und deren Wirkung auf den

  24   Glukosemetabolismus im Gehirn beim Menschen zeigten, dass bei kurzzeitiger Exposition eine lokale Störung des Energiestoffwechsels des Gehirns von statten geht (Kwon et al. 2011). Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass es sich hierbei um einen athermischen Effekt handelt.

Die Wirkung von elektromagnetischer Strahlung zwischen 900 - 1800 MHz auf die zellulären Prozesse zeigt sich in einigen Studien durch eine veränderte, meist verstärkte Expression von Proteinen in neuronalen Zellen (Calabro et al.

2012). Bei diesen Proteinen handelt es sich häufig um Hitzeschockproteine, kurz HSP, die bei Zellstress Schutzfunktionen übernehmen. Die Wirkung der Strahlung hat jedoch vermutlich nur einen geringen Einfluss auf das Proteom humaner Zelllinien. Es ist bislang nicht eindeutig nachgewiesen, worauf das veränderte Expressionsmuster der HSPs beruht. Da elektromagnetische Strahlung einen thermischen Effekt auslösen kann, wird die Expression von HSPs in diesem Zusammenhang diskutiert (Torre et al 2012). Einige Experimente mit Ratten zeigten, dass die Expressionsmuster von Proteinen, die Markerproteine für neuronal veränderte Aktivitäten sind, unterschiedlich waren. Dies wurde bei Versuchen mit elektromagnetischer Strahlung mit SAR- Werten von 1,38 W/kg und 6 W/kg untersucht (Carballo-Quintas et al. 2011;

Bouji et al. 2012). Bei geringen Strahlungsintensitäten von 1 W/kg, wie sie heute bei mobilen Endgeräten zulässig sind, konnte eine Wirkung auf die Proteinexpression nicht nachgewiesen werden (Del Vecchio et al. 2009).

Im Gegensatz zu einer vergleichsweise geringen Wirkung auf neuronale Zellen, wurde kein Effekt der Mobilfunkstrahlung im GSM Bereich von 900 - 1800 MHz auf Endothelzellen oder embryonale Zellen nachgewiesen. In Versuchen mit Strahlung mit einem SAR-Wert zwischen 0,25 - 4 W/kg waren keine veränderte Proteinexpressionen erkennbar (Nylund et al. 2010; Bourthoumieu et al. 2013;

Sanchez et al. 2006). Dies zeigt unter Umständen, dass neuronale Zellen sensitiver auf elektromagnetische Strahlung wirken, aber dadurch nicht zwingend eine Schädigung erleiden.

  25   Es existieren Ergebnisse, welche nachweisen, dass elektromagnetische Strahlung zwischen 900 - 1800 MHz auf den Hormonstoffwechsel wirken und die Hormonkonzentrationen im Blutplasma beeinflussen.

Elektromagnetische Strahlung mit einem SAR von ca. 0,6 W/kg kann, neueren Studien zu Folge, die Ausschüttung des Hormons Melatonin, welches für die Regulierung des Tag-Nacht-Rhythmuses verantwortlich ist, beeinflusst (Qin et al. 2012, Sokolovic et al. 2012). In Tierversuchen wurde außerdem gezeigt, dass als Folge dieser Wirkung auf den Melantoninspiegel auch die Testosteronausschüttung beeinflusst wird. Ältere Studien hingegen widerlegen den beschriebenen Einfluss elektromagnetischer Felder auf die Melatoninkonzentration im Blutplasma (Lerchl et al. 2008, Koyu et al. 2005). In einigen Publikationen wird beschrieben, dass elektromagnetische Strahlungen den Energiestoffwechsel verändern können und eine geringe Wirkung auf neuronaler Ebene besitzen. Wahrscheinlich wird die Wirkung der Glucocorticoide beeinflusst. Diese Hormone beeinflussen metabolische Prozesse, wie den Glukosestoffwechsel, sind auf neuronaler Ebene wirksam und werden bei Entzündungsprozessen im Körper ausgeschüttet (Hawkley et al. 2012). Es wurde in Tierversuchen mit Ratten herausgefunden, dass das Plasmalevel von Corticosteron, einem Vertreter der Glucocorticoide, bei hohen Dosen (SAR 6 W/kg), abhängig vom Alter der Tiere, erhöht war (Bouji et al.

2012). In einer weiteren Humanstudie mit einer geringeren Strahlungsexposition wurde eine Erhöhung des Cortisolspiegel festgestellt (Augner et al. 2010). Cortisol und Corticosterone sind Marker für eine Stressantwort des Organismus. Bei Wirkung von elektromagnetischer Strahlung auf den Körper kann also als Folge einer Stressantwort eine vermehrte Hormonausschüttung ins Blutplasma erfolgen.

Bereits vor 40 Jahren wurde herausgefunden, dass elektromagnetische Strahlung die Kalzium-Homöostase, also den Metabolismus von Kalziumionen, beeinflussen kann. Mittels des Kalziummetabolismuses werden Prozesse wie die Knochenbildung, die Signaltransduktion, enzymatische Prozesse und der Zelltod gesteuert (Bootman et al. 2001; Clapham 2007; Berridge et al. 2003).

  26   Erste wissenschaftliche Untersuchungen bewiesen einen statistisch signifikanten verringerten Ausstrom von Kalziumionen aus der Zelle. Die Untersuchungen wurden später erneut unter Verwendung von Hühnerhirn- proben bestätigt (Bawin et al. 1975 ; Blackman et al. 1980). Wie so häufig bei der Fragestellung, wie elektromagnetische Strahlung auf den Körper des Menschen wirkt, werden ältere Studien durch neuere Studien widerlegt.

Ursachen dafür sind oftmals Veränderungen des Versuchsdesigns sowie Unterschiede in den Intensitäten der emittierten Strahlung. Exemplarisch wurde an humanen Endothelzellen, Neuroblastomazellen und Neuronen des Hypocampus nachgewiesen, dass elektromagnetische Strahlung im Bereich von 900 MHz und einem SAR von 0,012 - 2 W/kg die Kalzium-Homöostase nicht beeinflusst (Connor et al. 2011).

2.2 Inhaltsstoffe, Produktion und Recycling

Neben möglichen strahlungsbedingten toxischen Effekten mobiler Endgeräte besteht ebenfalls eine Gefährdung für die Umwelt und Natur. Verantwortlich hierfür sind einige Prozesse bei der Produktion und beim Recycling mobiler Endgeräte. Nach Schätzungen werden nur etwa 10 % des Elektroschrottes in Recycling-prozessen aufbereitet (LaDou et al. 2008). Der Recyclingprozess ist aufwendig und kostspielig. Deshalb gelangt ein Teil des Elektroschrottes in den Hausmüll oder auf Deponien. Im Folgenden soll das toxische Potential, ausgehend von den Inhaltstoffen der mobilen Endgeräte, betrachtet werden.

Die mobilen Endgeräte können, wie in dem Schema von Lim and Schoenung 2010 beschrieben, als Abfall in die Müllverbrennung oder auf die Mülldeponie gelangen, wenn sie nicht oder unzureichend recycelt werden (Abbildung 4). Bei der Verbrennung können giftige Abgase entstehen und so in die Luft gelangen.

Gleichzeitig verbleibt Asche, die ebenfalls gesondert entsorgt werden muss.

Die erzeugten Abgase können auf den Menschen und die Umwelt wirken. In der Mülldeponie können giftige Stoffe aus dem Abfall mobiler Endgeräte, aus

  27   dem Elektronikabfall, ausgewaschen werden und so in das Grundwasser gelangen. Dies hat ebenfalls negative Auswirkungen auf Mensch und Umwelt.

Die „leachability“, also die gesamte „Auslaugbarkeit“ wird genutzt, um das Gefährdungspotential abzuschätzen und an geeigneten, meist sehr empfindlichen Systemen, zu testen. Es werden z.B. Algenkulturen, Meeresschwämme oder Wasserflohkulturen als Testsysteme verwendet.

  Abbildung 4: Kreislauf und Einfluß von Schwermetallen in Abfall von

Mobiltelefonen.Modifiziertes Model von Lim and Schoenung (2010).

Verschiedene Komponenten mobiler Endgeräte wurden bezüglich der Auswaschung von toxischen Stoffen untersucht (Lithner et al. 2011). Die Auswaschungen wurden beispielsweise an Wasserflohkulturen (Daphnia magna) getestet. So konnte für die verschiedensten Komponenten ein Mass für die Toxizität ermittelt werden. Der EC50S (calculated concentrations that would inhibit growth by 50%) steht für die Konzentration, bei der das Wachstum der Testorganismen zu 50% inhibiert wird.

2.2.1 Kunststoffe, PVC, Weichmacher (Phtalate)

Mobile Endgeräte bestehen, wie andere elektronische Geräte auch, hauptsächlich aus Kunststoffen (siehe Tabelle 1). Kunststoffe, wie economic, environmental and societal imperatives (Pope et al.,

2004); here, we incorporate the phrase with a slightly modified meaning: the need to engage consumers, manufacturers and gov- ernment in environmental responsibility. At present, many existing electronic waste (e-waste) policies have been based mainly on ex- tended producer responsibility (EPR) to motivate design for envi- ronment (DfE) and to promote recycling (Mayers et al., 2005;

Kahhat et al., 2008; Widmer et al., 2005). For instance, the European Union (EU)-Waste Electronic and Electric Equipment (WEEE) Direc- tive regulates manufacturers and distributors to take-back end-of- life (EOL) products and to meet a target for recycling and recovery (European Commission-WEEE Directive, 2003). This type of legisla- tion attempts to motivate manufacturers to improve product recy- clability by employing DfE (Nnorom and Osibanjo, 2008), but does not take into account consumer responsibility related to their con- sumption and disposal attitudes. In other cases, e-waste regulations are designed to motivate consumer responsibility. Japan, for in- stance, has established a take-back system in which consumers pay fees to dispose of e-waste (Nakano et al., 2007), and the State of California charges consumers advanced recycling fees (ARFs) for display devices at the purchase point (California State Board of Equalization, 2007). These policies exclude EPR for manufacturers, which thereby exclude motivation for manufacturers to develop products that are more environmentally responsible and recyclable.

Specifically for waste cellular phones, current waste management depends on both voluntary and mandatory efforts by manufactur- ers and retailers to implement take-back systems and on market- driven reuse and refurbishment businesses to export EOL phones to developing countries (Geyer and Doctori Blass, 2010). Therefore, effective waste management policy for cellular phones is required to provide motivation for appropriate consumer attitudes toward consumption and disposal of these devices and for manufacturers to implement DfE in their product design.

The objectives of this study are: (i) to evaluate the human health (cancer and non-cancer) and ecological toxicity (ecotoxic- ity) potentials from heavy metals in waste cellular phones, which will provide manufacturers with valuable information to support their DfE goals; (ii) to highlight consumer, corporate, and govern- ment responsibilities for effective waste management; and (iii) to identify key elements necessary in an effective waste cellular phone management strategy. The toxicity potentials are evaluated from the heavy metal content in waste cellular phones, the respec- tive toxicity potential characterization factors, and the pathway and impact model for heavy metals. The sources of heavy metals with high toxicity potentials are identified for DfE. The consumer, corporate, and government responsibilities are emphasized in terms of consumers’ behaviors toward the purchase of new phones and the return of EOL phones, manufacturers’ efforts to implement DfE, and government’s role in establishing and implementing an

appropriate waste management system and in coordinating among relevant stakeholders associated with cellular phones. The key strategic elements for effective waste management include two economic instruments, i.e., environmental taxation and a deposit- refund system, to motivate consumer responsibility, which is linked and integrated with corporate and government responsibil- ities. The results of this study can contribute to DfE and waste management policy for cellular phones.

2. Methods for toxicity potential evaluation

Human health toxicity (cancer and non-cancer) and ecotoxicity potentials from cellular phones were evaluated on the basis of a pathway and impact model, coupled with data on heavy metal content and respective toxicity potential characterization factors.

As shown in Fig. 2, the model represents the air and water path- ways of heavy metals in e-waste by considering disposal through incineration and landfill and the thermodynamic characteristics of heavy metals, i.e., lithophilic or volatile (Lim and Schoenung, 2010). Important assumptions within this model include: (i) the heavy metals in flue gas from the incineration process impact hu- man health and ecosystems through the air because bottom ash and fly ash are landfilled (each heavy metal from e-waste exhibits a unique distribution among bottom ash, fly ash, and flue gas be- cause of its thermodynamic properties, i.e., lithophilic, or volatile), and (ii) the heavy metals in landfilled cellular phones leach into the ground water and impact human health and ecosystems through the water. This landfill assumption is based on a worst-case sce- nario to avoid uncertainty related with complex and diverse reac- tions and transformations in landfill facilities and on the egalitarian perspective to take into account long-term impacts over the functional life span of the landfill liner (Lim and Schoenung, 2010). This model is used to evaluate toxicity potentials from a waste cellular phone flowing into incineration and landfill facili- ties, which are the primary disposal methods used in countries with low recycling rates such as in the United States (US EPA, 2008b). Recycling is not directly considered in the analysis, but is motivated by the results.

The formulae used to evaluate average toxicity potentials per unit are provided below:

TP^w ¼Xⁿ

i¼1

ðCi#W #CF^w_i Þ

TP^a ¼Xⁿ

i¼1

ðCi#W #

a

whereTP^wandTP^aare the average toxicity potentials from a cellular phone for water and air, respectively; C_i is the average content of heavy metal i in a cellular phone;W is the average weight of a cel- lular phone;

a

and CF^w_i and CF^a_i are the toxicity potential characterization factors for heavy metal i for water and air, respectively. The heavy metal

Landfill

Incineration Fly Ash Flue Gas

Bottom Ash

Water Air

Waste Cellular

Phone

Human Health and Ecosystem

Leachate

Facilities Emissions/Residues Media Impacts

Fig. 2. Pathway and impact model for heavy metals in waste cellular phones.

Modified from the model inLim and Schoenung (2010).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Sales Amount (Unit in Millions)

Sales Time (Year)

Fig. 1. Sales volume of cellular phones in the United States. Source:US EPA (2008a).

1654 S.-R. Lim, J.M. Schoenung / Waste Management 30 (2010) 1653–1660

  28   Polyvinylchlorid (PVC), bürgen besonders dann ein Gesundheitsrisiko, wenn sie verbrannt werden. Eine weitere Gefährdung für die Gesundheit geht von den enthaltenden Weichmachern, wie Phtalate (z.B. Di (2-ethylhexyl) phtalate (DEHP)) und Phosphorsäureestern, aus. PVC kann zudem auch das toxische Bisphenol A (BPA) beinhalten. Heutzutage wird Bisphenol A aber meist nicht mehr in Gehäusen von Elektrogeräten verarbeitet. Bisphenol A kann ferner bei mobilen Endgeräten eine Relevanz besitzen, weil die hallogenierten Derivate öfter als Flammenschutzmittel verwendet wurden (siehe 2.2.4) (Tox Town – PVC).

Bei der Verbrennung von PVC entstehen die hochtoxischen Dioxine. Ein Dioxin, was bei der Verbrennung von PVC entsteht, ist TCDD (2,3,7,8 Tetrachlordibenzodioxin). Trotz der Reduktion des Produktes in modernen Müllverbrennungsanlagen wird ein Teil davon freigesetzt. Als ein erstes Anzeichen einer starken Dioxinvergiftung kann eine Chlorakne entstehen. Die chlorhaltige organische Verbindung TCDD ist, wie alle Dioxine (PCDD), ein Dauergift und hat eine große Halbwertszeit (5 - 7 Jahre) beim Menschen (Reichl 2009). Dioxin akkumuliert im Fettgewebe an und kann über die Nahrung (tierische Fette), die Muttermilch und durch Inhalation aufgenommen werden. TCDD führt bei niedrigen Expositionen zu Dermatitis, bewirkt Verdauungsprobleme, Kopfschmerzen, Entzündungen der Augen, des Halses, der Nase sowie Schwindel und Müdigkeit. Es beeinflusst das Sehen, den Urinaltrakt und kann Muskelschmerzen und Muskeldisfunktionsstörungen sowie Brechreiz und Durchfall hervorrufen. Bei starken Intoxikationen, wie sie aber eher selten auftreten, wurden eine Suppression des Immunsystems, Herzkrankheiten, Diabetes, Veränderungen im Hormonstoffwechsel, Leberschäden, Pakreasschäden und Reizungen der Atemwege beschrieben (Tox Town - Dioxine). In Tierversuchen ist TCDD karzinogen. Bei hohen Dosen auch reproduktionstoxisch (Reichl 2009). Die Wirkung auf zellulärer Ebene ist bei TCDD gut erforscht und beruht auf der Bindung an den Ah-Rezeptor, das bei einer Aktivierung über eine Genexpression dioxinempfindlicher Gene zu veränderten Proteinen und Enzymen führt. Die daraus resultierende Modulation

  29   des Stoffwechsels wird als Hauptursache für die Vielzahl an Leitsymptomen bei Dioxinvergiftungen angesehen (Reichl 2009).

Die in PVC oft enthaltenden Phtalate gehören zu den allergieauslösenden Stoffen (Salles et al. 2010). Des Weiteren können diese Weichmacher chronische asthmatische Erkrankungen, vor allem bei Kindern, hervorrufen (Bornehag et al. 2010).

2.2.2 Batterien und Akkumulatoren

Die Akkumulatoren mobiler Endgeräte haben in den letzten Jahren einen Wandel durchlaufen. Die modernen Geräte benötigen mehr Energie als ältere.

Dadurch hat sich der Aufbau der Akkumulatoren stark verändert und Akkus mit höheren Kapazitäten wurden entwickelt und in den Geräten verbaut. Die Verwendung einiger Batterien, wie Nickel-Cadmium-Akkus, sind bereits gesetzlich verboten. Diese mussten durch neu entwickelte Batterien ersetzt werden. Die gefährlichen Bleiakkus werden vorrangig als Starterbatterien verwendet und spielen bei mobilen Endgeräten eine untergeordnete Rolle.

Grundsätzlich lassen sich zwei Arten von Akkumulatoren unterscheiden, die auf Lithium basierenden Lithium-Ionen-Akkus und die Nickel-Metallhybrid- Akkus. Mehr und mehr setzen sich die Lithium-Ionen Akkus durch. Dennoch sind auch noch Nickel-Metallhybrid-Akkus und in Altgeräten sogar die gefährlichen Nickel-Cadmium-Batterien zu finden (Wikipedia – Akkumulator;

Batterieuniversium).

Lithium-Ionen-Akkumulatoren und Lithium-Batterien

Die Lithium-Akkumulatoren sind wiederaufladbar. Dazu gehören Akkus, wie Lithium-Kobaltdioxid, Lithium-Polymer, Lithium-Mangan, Lithium-Titanat, Lithium-Eisenphosphat und Lithium-Metall-Polymer-Akkumulatoren. Im Gegensatz zu den nicht wieder aufladbaren Lithiumbatterien wird bei den

  30   Akkus Lithium- oder Lithiummetalloxid als Kathode verwendet. Heute werden fast ausschließlich Lithiummetall-Polymer-Akkus verbaut und Lithium liegt hier in ionisierter Form vor.

Hauptsächlich gelangt Lithium über Einwegbatterien in die Umwelt und in die Nahrungskette des Menschen. Durch nicht fachgerechte Entsorgung von Lithiumbatterien in den Hausmüll können organische Lösungen, wie Propylenkarbamate und 1,2 Dimethoxyethan aber auch Acetonitril und Lithiumperchlorate in die Umwelt gelangen (Aral et al. 2008). Das in Lithium- Thionylchlorid-Batterien enthaltende flüssige Thionylchlorid verdampft bei Kontakt mit der Luft. Diese Dämpfe sind hoch toxisch (DPPEA, 2000).

Das Gefahrenpotential, ausgehend von Lithium basierten Akkus, ist heutzutage als relativ gering einzuschätzen. Enthaltendes Acetonitril kann aber beim Verbrennen mit dem Hausmüll toxische Cyaniddämpfe bilden (Aral et al. 2008).

Bei den ersten Lithium-Akkus, wie Lithium-Kobaltdioxid-Akkus, kann das gebundene Kobalt Allergien hervorrufen (Vohr 2010 Band 2).

Lithiumionenakkumulatoren haben jedoch einen großen Nachteil da sie eine gewisse Hitzeinstabilität besitzen. Es wurden Unfälle bekannt, bei denen nach Explosion von Lithiumionen-Akkus starke Verbrennungen auftraten. Vor allem Notebook-Akkus, aber auch Handy-Akkus waren betroffen (Jhu et al. 2011).

Sie können stark erhitzen und es entstehen bei Explosion oder bei Verbrennung mit dem Hausmüll giftige Gase. Die normale Hitzeentwicklung bei Verwendung der Akkus im Mobiltelefon oder im Laptop kann ebenfalls auf den menschlichen Körper wirken und thermale Effekte hervorrufen (siehe 2.1.4).

Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren

Seit 2002 sind Nickel-Cadmium-Akkumulatoren verboten. Dennoch geht auch heute noch eine Gefährdung durch diese Akkus aus. Viele Altgeräte sind in den Haushalten zu finden und werden nach und nach, teilweise unsachgerecht mit dem Hausmüll, entfernt. Cadmium ist auch in Lötmetallen, wie sie bei der Platine verwendet werden, enthalten. Es kann bei unsachgerechter Entsorgung

  31   in das Grundwasser gelangen und bei Verbrennungsprozessen freigesetzt werden. Das als nephrotoxisch geltende Schwermetall Cadmium reichert sich in Pflanzen und durch die Aufnahme von Futter in Tieren an. Cadmium akkumuliert in den Nieren, besonders in der Nebennierenrinde und in der Leber. Es führt bereits bei niedrigeren Konzentrationen zu Nierenschäden und stört den Kalzium-, Phosphat- und Vitamin D-Stoffwechsel in den Knochen (Vohr 2010 Band 2). Cadmium induziert die Expression und bindet an das schwefelhaltige Protein Metallothionein. Metallothionein hat eine Bedeutung bei der Entgiftung des Organismus von Schwermetallen. Es wird nur sehr langsam ausgeschieden. Die Halbwertszeiten betragen mehrere Jahrzehnte.

Bei der Verbrennung von Akkus entstehen cadmiumhaltige Dämpfe. Diese sind karzinogen. Das heißt nach Inhalation können beim Menschen Krebs in der Leber, in den Nieren und in der Prostata induziert werden. Mögliche Mechanismen dabei sind die Beeinflussung der Genexpression durch Induktion von oxidativem Stress, die Hemmung von DNA-Reparatursystemen, die Inaktivierung von Tumorsuppressorproteinen und die Veränderungen von Methylierungsmustern (Vohr 2010 Band 2).

In den Nickel-Metallhybrid-Akkumulatoren wird auf Cadmium verzichtet. Dies hat jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad zur Folge. Auf Grund des hohen Nickelgehaltes wird aber auch für diese Akkus eine Wirkung auf die Umwelt beschrieben (Rydh and Svärd 2003).

2.2.3 Flammenschutzmittel

Flammenschutzmittel sind im Alltag allgegenwärtig. Sie werden meist in Gehäusen von elektrischen Geräten, z.B. in Mobiltelefonen, verwendet. Sie sind aber auch in Isolationsmaterialen wie Styropor, in Verpackungsmaterialen und in Kunstoffen wie PVC zu finden. Die am häufigsten verwendeten Flammenschutzmittel sind polybromierte Diphenylether (PBDE), Tetrabrombisphenole A (TBBPA) und Hexabromcyclododecane (HBCD). Sie gelten als Dauergifte (Greenpeace - Flammenschutzmittel). Trotz