International Archives of

kuiallhkmal aul Enlvirllnm lnl llealtl

Int Arch Occup Environ Hlth 39, 83-96 (1977)

( Springer-Verlag 1977

Der EinfluBtechnischer elektrischer Wechselfelder hoher Feldstirke auf den Organismus* The Influence of Technical Electric Alternating Field of high Tension on the Organism

H Schaefer und J Silny Im Neuenheimer Feld 326, D-6900 Heidelberg 1, FRG

Summary The effect of high voltage 50 Hz electric fields of a gradient up to 80 kV/m on rats and cats has been investigated. Only rats enclosed in a narrow teflon tube developped a hyperthermic shock, obviously elicited by an increase in the reflectoric tonic muscular activity. Permanent damage and irreversible changes in the EEG could not be observed. All acute changes in the EEG that have been recorded can be interpreted as the result of vibration of hairs. In the literature no observations have been described, which could be taken as an indicator of impaired health. The alternating electric field obviously produces reactions only in sensory cutaneous receptors, but no changes of autonomic processes of importance. Key words Electric field in rats Electric stress.

Biological effects

EEG

Temperature regulation

Zusammenfassung In Versuchsreihen an Ratten und Katzen wurden die Wirkungen hoher elektrischer Feldstarken bis zu 80 KV/m eines 50 Hz-Wechselfeldes untersucht. Nur die gefesselten Ratten in einer engen, perforierten Teflon-Rohre zeigten eine Hyperthermie mit Kollaps, der offenbar durch Steigerung der reflektorischen tonischen Muskeltatigkeit ausge16st wurde Dauerschiden und irreversible Anderungen in dem EEG wurden nicht beobachtet Ainderungen in dem EEG sind als Folge einer Haarreizung deutbar. Auch in der Literatur sind keine Befunde beschrieben, welche auf eine wie auch immer geartete Beeintrachtigung der Gesundheit schlielen lassen. Das elektrische Wechselfeld erzeugt offenbar nur Reaktionen in der sensiblen Haut, aber keine nennenswerten Veranderungen der vegetativen Prozesse. *Der Beitrag zur physikalischen Problematik und die dazugehorigen experimentellen Untersuchungen wurden von J Silny am Helmholtz-lnstitut fir Biomedizinische Technik an der RWTH Aachen bearbeitet Die Untersuchungen wurden auf Veranlassung und mit Unterstiitzung der Berufsgenossenschaft der Feinmechanik und Elektrotechnik, Kln, durchgefiihrt.

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H Schaefer und J Silny

Schliisselwoirter Elektrisches Feld Temperaturregulierung bei Ratten

Biologische Wirkungen Elektrischer Streg.

EEG -

Problemstellung Der angeblich schadigende Einflug elektrischer Wechselfelder hoher Feldstirke auf den Menschen hat in der letzten Zeit eine bffentliche Beachtung gefunden, die in keinem Verhiltnis zu den gesicherten Kenntnissen fiber derartige Einflisse steht Da derartige Behauptungen die Gefahr in sich bergen, daI die Offentichkeit erheblich beunruhigt wird, da z B auch die sicher unbewiesene Meinung laut wurde l 9l, dag solche Felder den beruchtigten Krippentod kleiner Kinder verursachen k6 nnten, ist ein klares Wort iiber den Stand des Problems vonn 6 ten Es ist um so wichtiger, als sich die Presse des Problems in teilweis reigerischer Aufmachung bemachtigte l 31 l. Die Diskussion begann nach unseren Unterlagen in Rulland, wo erstmals 1970 Behauptungen veroffentlicht wurden l 11 l, dagl der Aufenthalt unter Hochspannungsleitungen bestimmte Beschwerden verursache Diese Beschwerden, spiter als Kopfschmerzen, Potenzstorungen, Schwindel, Schlafstorungen, Kraftlosigkeit beschrieben l 21 l, sind schwer deutbar, sicher aber ffir das Leben der Menschen nicht gefihrlich, worauf im folgenden eingegangen wird. Schon 1966/67 waren Beobachtungen fiber Jahre, freilich an wenigen Versuchspersonen, unter Leitungen bis 345 KV gemacht worden l3 l Hierbei wurden keine Schaden festgestellt Eine Untersuchung in Frankreich l 29 l zeigte dasselbe Es stellen sich also die Fragen, a) ob es uberhaupt Wirkungen elektrischer Wechselfelder auf Mensch oder Tier gibt und b) ob solche Wirkungen irgendeine nennenswerte Gefahr mit sich bringen. Unsere Betrachtung beschrankt sich auf die Wirkung elektriscber Wechselfelder von 40-60 Hz, da nur sie derzeit technisch interessant sind Es wird hier aber auch die Literatur, die m 6 gliche medizinische Modelle liefern kinnte, mit in Beracht gezogen. Dies geschieht vor allem deshalb, weil fiber die Wirkung elektrischer Felder Modellvorstellungen bislang nicht entwickelt worden sind Der Einflug magnetischer Felder wird derzeit von uns noch untersucht. Die Bedeutung solcher Untersuchungen wird einsehbar, wenn wir die Konsequenz vorgebrachter Behauptungen bedenken: Sollten diese elektrischen Felder hoher Intensitat schadlich sein, so mi 13ten die Hochspannungsfreileitungen insbesondere iiber Wohngebieten entweder abgeschirmt oder unter die Erde verlegt werden Beide Magnahmen sind kostspielig und ihre Durchfiihrung hitte mit Sicherheit eine Erh 6 hung der Strompreise zur Folge.

Einleitung Neben den naturlichen elektromagnetischen Feldern der Erde und der Atmosphire ist der Mensch im Zuge der fortschreitenden Technisierung unserer Umwelt immer mehr dem Einflug kfinstlicher technischer Wechselfelder (16 2/3 Hz, 50 Hz, 60 Hz) ausgesetzt Die einwirkenden Feldstarken dieser Felder k6 nnen um einige Gr Goenordnungen hoher liegen als die der natfirlichen Felder, die sich aus Gleich und Wechselfeldern

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Einflu B elektrischer Wechselfelder auf Organismen

niedriger und hoher Frequenz (,,Sferics") zusammensetzen Es ware denkbar, da B sich der Mensch im Laufe der Evolution zwar an die natiirlichen, nicht aber an die technischen Felder angepa Bt hat Trotz der theoretischen Verkopplung zwischen den elektrischen und den magnetischen Feldern soil im niederfrequenten Bereich der technischen Frequenzen eine getrennte Betrachtung der Einwirkungen dieser beiden Felder vorgenommen werden Dies begriindet sich mit folgenden Feststellungen: 1 Je nach der Art der Quelle sind die elektrischen und magnetischen Komponenten verschieden groB. 2 Der Charakter der primiren Wirkung der elektrischen und magnetischen Felder im Organismus ist unterschiedlich. 3 Diese Aufteilung erleichtert die Deutung des Einwirkungsmechanismus der Felder wesentlich. Unter diesen Gesichtspunkten wurden getrennte Versuchsreihen in elektrischen und magnetischen 50 Hz-Feldern durchgefiihrt, die statistisch gesicherte Ergebnisse zu folgenden Problemstellungen erbringen sollten: a) Die Abhangigkeit der intrakorporalen Feldstdrken von der u Beren Feldstirke b) Wirkung dieser Felder auf die Biosignale c) Vergleich der Ergebnisse mit den Angaben in der Literatur Die Untersuchungen wurden an Ratten und Katzen durchgefiihrt, weil nur am Tier die hierbei erforderlichen intrakorporalen Untersuchungen m6 glich sind Bei der Besprechung der Resultate beschrinken wir uns auf die elektrischen Felder, weil die Ergebnisse unserer Untersuchungen im magnetischen Feld zur Zeit noch nicht beendet sind.

Quellen der technischen elektrischen Felder und ihre primiren Wirkungen Die elektrischen und magnetischen Felder entstehen bei der heutzutage wirtschaftlich lebensnotwendigen Erzeugung, Obertragung und Umwandlung der elektrischen Energie. Das bedeutet aber, daB die elektrischen Felder fast berall, also nicht nur unter den Hochspannungsfreileitungen, sondern auch im Haushalt in der Nihe jedes elektrischen Gerates und seiner Zuleitung aufgebaut werden, wobei allerdings die Feldstdrken dieser Quellen sehr unterschiedlich sind Die Tabelle 1 gibt die maximalen elektrischen Feldstirken von Hochspannungsfreileitungen und einigen Verbrauchern wieder, denen der Mensch in der Nihe dieser Einrichtungen gegebenenfalls ausgesetzt ist.

Tabelle 1 Elektrische Feldstarke einiger Quellen Frequenz 50 Hz

Hochspannungsfreileitungen mit der Obertragungsspan nung in KV (34) 380 765 1300

Netz leitung 220 V

Steg Leitung 220 V

Nichtabgeschirmte Kleingerate

Maximale elektrische Feldstarke in KV/m

5

bis 0,01

bis 0,04

bis 0,06

Ort der Messung

unter der Freileitung in der Mitte zwischen zwei Masten 1 m uber der Eroberflache

12

17

a) 10 cm Abstand b) groge Abhangigkeit von der Einbaulage und der Umgebung

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H Schaefer und J Silny

In der Umgebung der Quellen hingt die elektrische Feldstarke von der Konfiguration der Leiter ab, und sie ist der Quellenspannung direkt und der Entfernung von der Quelle umgekehrt proportional Zusatzlich wird die elektrische Komponente an Hindernissen mit verhaltnismlgig grocer Leitfihigkeit, wie z B Mauerwerk oder Erdreich, sehr stark gedimpft. Durch den menschlichen K 6 rper wird das elektrische Feld, z B unter einer Freileitung, derartig deformiert, dag am Kopf des stehenden Menschen eine 7-15-fache Uberhihung der urspriinglichen Feldstirke auftritt l 35 l Dies hat zur Folge, dag hier auch die Verschiebungsstromdichte maximal ist; im K6rperinneren wird der Verschiebungsstrom in einen Leitungsstrom umgewandelt, der dann uber m6 glichst niederohmige Wege zur Erde abfliet3 t Wegen der grogen Unterschiede in der elektrischen Leitfahigkeit der K 6rpergewebe wird deshalb mit der gri6 ten Stromdichte in den relativ niederohmigen Blutbahnen (ca 100 Ohm cm) zu rechnen sein Die theoretische 13 ende experimentelle Oberprfifung l 361 haben iibereinBestimmung und die anschlieg stimmend im K 6rperinneren mittlere Feldstarkewerte von 100 V/cm bis 600 uV/cm ergeben Diese Feldstarke liegt aber um den Faktor 102-104 tiefer als die kritische Reizschwelle der Nerven und Gewebe, und sie vermag ebensowenig eine nennenswerte Erwarmung der Haut oder der inneren Organe zu verursachen.

Bisherige Ergebnisse der Literatur zur Einwirkung elektrischer Felder auf Versuchstiere In der Literatur sind an Tieren mehrere Gruppen von Wirkungen elektrischer Felder beschrieben worden, die man etwa folgendermagen zusammenfassen kann. Das Verbalten der Versucbstiere in starken elektriscben Feldern Zunichst indert sich die Motilitdt Nach Altmann l 2l und Waibel l 46 l steigt die Aktivitat von Miusen, nach Brinkmann l 6 l sinkt die der Ratten und bleibt nach Krbling l 24 l, allerdings in schwachen Feldern, unverindert Zum Verhalten geh6 rt die Revieraufteilung, die nach Altmann und Lang l 2l so erfolgt, dag Miuse die Wahl zwischen drei Bereichen hatten: ein schwaches Wechselfeld, normales Erdfeld und Faraday-Kifig Sie wihlten das Wechselfeld als Tummelplatz und das normale Erdfeld zum schlafen Nach Brinkmann l 6 l meiden Ratten das (starke) Feld Die Widerspriiche in diesen Befunden m6 gen nur scheinbar exsitieren, da Altmann schwache Felder (3,5 KV/m, 10 Hz, Rechteck) verwendet hat Waibel arbeitete mit 24 KV/m, Brinkmann mit 100 KV/m. Die vegetativen Parameter des Organismus verhalten sich unter Feldeinfliissen bei verschiedenen Autoren ebenfalls verschieden, wie Tabelle 2 zeigt Widerspriiche, die sich bei Effekten auf die Herzfrequenz, das EEG, die Blutk6 rperchen und das Wachstum zeigten, sind nicht alle durch Verschiedenheiten des Versuchsansatzes erklarbar Selbst vom gleichen Autor fanden sich an verschiedenen Tierarten oder Geschlechtern Unterschiede der Wirkung auf den Blutmechanismus (Le Loc'h und Cabanes) Keine der beschriebenen Wirkungen berechtigt uns, von einer ,,Gefihrdung" des Lebens oder der Gesundheit durch die Felder zu sprechen, zumal alle Einfliisse, wie die jeweiligen Autoren

Einflug elektrischer Wechselfelder auf Organismen

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Tabelle 2 Wirkung des elektrischen Feldes ( 45-60 Hz) auf vegetative Funktionen der Tiere, nach Ergebnissen der Literatur Untersuchter Meflwert

Tier

Feld stirke kV/m

Wirkung

Exp Zeit

Autor

Herzfrequenz

100

Bianchi

500-1000 h 10 Tage bis 21 Tage

Meda Waibel Fischer

Herzfrequenz

Ratte

Sinusarrhythmie nach Abschaltung konstant steigt wenig sinkt (auch bei 50 V/m) steigt meist

akut

Herzfrequenz Herzfrequenz Herzfrequenz

Meerschwein Maus Maus Maus Ratte

h 4-8

Silny

EKG

Meerschwein Maus

100

PQ, QRS verlangert

500-1000 h

Blanchi Meda

EEG

Meerschwein

100

30 min

Blanchi

Ratte Meerschwein Katze

10 0,5-0,7 60

langsame Wellen, Spindelzahl steigen aktiviert Desynchronisation Power-Spektrum ab geflacht

akut akut akut

Lott u Coin Meda Silny

Maus

100

Ratte Ratte

100 100

Ratte

50

Ratte

100

Neutro, Eo steigen, Lympho sinken

Maus Ratte Hiiuhnchen Kaninchen

160 100 3,6 50

unverandert unverandert vermindert keine Teratogenitat

5 Tage

50

keine Teratogenitat

Blutkorper chen

Wachstum

Ratte

100 4,8 5,3 80

Fruchtbar keit

Maus Kaninchen

Blutwerte, biochemisch

Ratte minnlich

50

Ratte weiblich

50

Kaninchen

50

Sauerstoff verbrauch

Maus

160 50

5,3

Leuko steigen, Lympho sinken Leuko sinken (30%) Erythrocyten und weiges Blutbild unverandert unverandert

500-1000

h

Blanchi

1 Jahr 1 Jahr

Brinkmann Brinkmann

3 Monate 8h pro Tag 5 0 0 -1 0 0 0 h

Le Loc'h

1500h

3 Monate

Knickerbocker Brinkmann Krueger Le Loc'h und Cabanes Cabanes

unverandert unverandert

1500h 5 Tage

Knickerbocker Le Loc'h

Harnstoff,Kreatinin, Globuline, Lipide steigen Glukose, Harnstoff, Bilirubin, Tri glyceride, Cholesterin steigen Nur Calcium etwas erhoht, Glucose etwas gesenkt

8 Monate lang 8 h/Tag 8 Monate lang 8h/Tag

Le Loc'h und Cabanes

5 Tage lang 20h/Tag

Le Loc'h und Cabanes

steigt

bis 21 Tage

Fischer

1 Jahr

Meda

Le Loc'h und Cabanes

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H Schaefer und J Silny

angeben oder ihre Daten zeigen, sich im Rahmen der physiologischen Schwankungsbreite bewegen ,,Krankhafte" Befunde wurden also nicht erhoben, gleich, was man als krankhaft ansehen kann.

Eigene Untersuchungen der feldbedingten Verinderungen in den Biosignalen von Tieren Technik Die Versuche im elektrischen Feld wurden in einer, einem Plattenkondensator ahnlichen Anordnung durchgefiihrt Um bei einer Untersuchung an Tieren die gleichen einwirkenden Feldstarken wie bei einem stehenden Menschen in einem Feld von 20 KV/m Feldstirke zu erhalten, wird wegen der kleineren Oberhohung bei Tieren die Versuchsfeldstarke des ungestorten 50 Hz-Feldes bei Ratten auf 80 KV/m und bei Katzen auf 60 KV/m festgelegt l 37l Dabei wurde die Versuchsanordnung akustisch isoliert, beliiftet und auf konstanter Temperatur gehalten. Die Versuchstiere wurden aus derselben Zucht ausgewahlt, der zeitliche Ablauf der Versuche zur Erfassung der Einwirkung des Tagesrhythmus und die Fixierung der Ableitstellen am K 6 rper der Tiere, die durch Implantation der Elektroden geschah, waren bei alien Tieren konstant Die Ratten waren im Verlauf der gesamten Versuchsdauer in einer beiderseits verschlossenen Teflonr 6hre fixiert, die grogflichig perforiert war. Wihrend der 6 bis 16 stiindigen Versuchsdauer wurden folgende Biosignale kontinuierlich aufgenommen: das EKG, das intrazerebrale EEG in der linken und rechten Cortex-, Hippocampusund Thalamus-Ableitung; weiterhin der Blutdruck, die Atmung sowie neben der Rektaltemperatur weitere 7 charakteristische Korpertemperaturen. In der On-Line-Auswertung wurden aus den aufgenommenen Biosignalen die Herzfrequenz und die Atemfrequenz errechnet und als Funktion der Zeit aufgetragen. Die EEG-Ableitungen wurden einer Leistungsspektralanalyse unterzogen, woraus dann die mittlere Spektraldichte der a, , 8 und O Binder ebenfalls als Funktionen der Zeit dargestellt werden. Schon aus den ersten Kontroll und Feldversuchen wurde ersichtlich, daB 1 die biologische Variabilitit der Biosignale, trotz aller Standardisierungsmagnahmen, grog ist, und dag 2 die eventuellen feldbedingten Verinderungen klein sein muissen und den Bereich der beobachteten Schwankungen der Normalwerte in Kontrollversuchen nicht wesentlich iiberschreiten. Die Bestimmung relativ kleiner feldbedingter Veranderungen in den Biosignalen ist iaugerst schwierig, weil die Ausgangsdaten auch in den Kontrollversuchen, selbst bei ein und demselben Tier, betrichtlich variieren k6 nnen. Insgesamt wurden 82 Ratten und 46 Katzen untersucht Die Katzen trugen eine Krone mit implantierten intrazerebralen Elektroden, die eine bipolare Ableitung aus der Cortex (Regio Gyrus lateralis) und subkortikalen Kerngebieten (Thalamus) gestatteten Ferner waren den Katzen zwei Elektroden zur Ableitung des EKG prikordial implantiert, die mit isolierten flexiblen Drihten intrakorporal zur Krone fiihrten 1 Die Expositionszeit der Katzen wurde stark variiert, aber mindestens auf 1Die Elektroden wurden von Herrn Dr G Stock am Physiologischen Institut der Universitit Heidelberg implantiert.

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Einflu B elektrischer Wechselfelder auf Organismen

4 Stunden ununterbrochener Beobachtung im Feld ausgedehnt Einzelheiten hierzu werden an anderer Stelle mitgeteilt l 38,39 l. Die Exposition der Ratten folgte einem starren Schema, das 4-stiindige Versuchsphasen mit Feld (A) und ohne Feld (B) nach zwei Verlaufsformen vorsah: ABAB und BABA, so dag die gesamte Versuchsdauer 16 Stunden, die Expositionszeit im Feld mindestens je 4 Stunden, mit 4 Stunden feldfreier Zwischenzeit, betrug Die Auswertung erfolgte aus einer Untersuchungsreihe von 128 Versuchen, mit insgesamt 1250 Stunden reiner Versuchszeit Auf diese Weise konnten relativ kleine signifikante feldbedingte Verainderungen in einigen Biosignalen nachgewiesen werden Wegen des begrenzten Umfanges dieser Arbeit kann aus der Vielzahl der Ergebnisse l 36-41 l hier nur auf einige charakteristische Verainderungen in den Biosignalen eingegangen werden. Ergebnisse an Ratten Die Abb 1 stellt den Verlauf der Herz (HF) und Atemfrequenz (AF) sowie des systolischen Blutdruckes (BD) bei Ratten als Funktionen der Zeit dar, wobei sich die 16-stfindige Versuchsdauer in zwei 4-stiindige Kontrollphasen (B 1, B 2) und in zwei ebenfalls 4-stiindige Feldphasen (A 1, A 2 ; Feldstirke der ungest 6 rten Felder 80 KV/m) aufteilt Die einzelnen Stiitzstellen der Regressionskurven entstanden durch Mittelung der Einzeldaten von 18 Versuchen. In der ersten Feldphase (Al) zeigt die HF einen allmihlichen Anstieg um 21 %; nach dem Ausschalten des Feldes folgt ein so langsamer Abfall, dal bis Ende der Phase B 2 der Ausgangswert der HF vom Versuchsbeginn nicht erreicht wird Die fallende

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[The influence of technical electric alternating field of high tension on the organism (author's transl)].

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