Neue Herausforderungen für die Anästhesie durch den Klimawandel

Die Erderwärmung ist bedingt durch einen dramatischen Anstieg der Treibhausgase, verursacht durch die Verbrennung fossiler Treibstoffe (Kohlendioxid [CO₂]), durch Massentierhaltung, das Auftauen der Permafrostböden (Methan [CH₄]) sowie einer nicht nachhaltigen Land- und Forstwirtschaft (CH₄ und Lachgas [N₂O]). Kohlendioxid, Methan und Lachgas gehören zu den natürlichen Treibhausgasen, während halogenierte Kohlenwasserstoffe künstliche Treibhausgase sind [5]. Treibhausgase entfalten ihre erderwärmende Wirkung durch Reflexion infraroter Wärmestrahlung von der Troposphäre zurück zur Erde [6]. Die Energiebilanz der Erde wird von folgenden 3 Einflussgrößen bestimmt: 1) Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung, 2) direkte Reflexion von Sonnenstrahlen durch Aerosole in der Atmosphäre und durch helle Eisflächen auf der Erdoberfläche (Albedo-Effekt) sowie 3) Abstrahlung infraroter Wärmestrahlung ins Weltall. Letzteres ist der wichtigste Mechanismus zur Abkühlung der Erde. Gleichzeitig ist dieser natürliche Treibhauseffekt für ein stabiles, lebenswertes Klima auf der Erde notwendig. Seit 800.000 Jahren befindet sich das Klimasystem der Erde in einem stabilen Bereich; erst dies ermöglichte die Entstehung des Homo sapiens (Beginn vor ca. 300.000 Jahren; [7]). Während dieser Zeitspanne lag die „physiologische“ CO₂ Konzentration zwischen 180–280 ppm (parts per million) – heute, aufgrund der ungebremsten Verbrennung fossiler Energieträger in den letzten 50 bis 80 Jahren, beträgt sie aktuell 413 ppm [8] und bedingt eine globale Erwärmung von aktuell 1,1 °C (Abb. 1; [9]). Der anthropogene Einfluss hat die Treibhausgase auf – in den letzten 800.000 Jahren nie da gewesene Werte – ansteigen lassen, um 45 % über normal für CO₂, um 155 % für CH₄ und um 22 % für N₂O [9]. Das wichtige Gleichgewicht der Energiebilanz der Erde ist dramatisch aus der Balance geraten.

Das Paris Agreement hat zum Ziel, die Erderwärmung unter 1,5º C über dem vorindustriellen Level zu halten. Im Bericht des Weltklimarats 2018 wird das 1,5 °C-Ziel nochmals betont, da bei einer weiteren Erwärmung nur noch eine 66 %ige Chance besteht, die sog. Kippelemente im Klimasystem nicht zu überschreiten [11]. Kippelemente, wie beispielsweise das Abschmelzen der Polkappen und des Grönlandeises, der Verlust des Amazonas-Regenwalds, das Auftauen der Permafrostböden und vieles mehr, werden beim Überschreiten selbstverstärkende Feedbackschleifen und Dominoeffekte auslösen und zu einer nicht mehr zu beeinflussenden Klimaerwärmung führen, mit desaströsem Ausgang für die Menschheit. Der Weltklimarat 2018 hat daher nochmals eindringlich gefordert, die jährlichen Emissionen weltweit bis 2030 mindestens zu halbieren und bis 2050 eine Nettobilanz von Null zu erreichen. Die von Deutschland im Rahmen des Klimapakets im November 2019 verabschiedeten Ziele sind dafür nicht ausreichend und lassen die Welt auf eine Klimaerwärmung von 3–4 °C zusteuern [12]. Gesundheitliche Bedrohungen durch den Klimawandel entstehen durch vermehrte Stürme, Dürren, Überschwemmungen und Hitzewellen. Indirekte Folgen sind nicht weniger gravierend: Krankheiten, die bisher eher in den Tropen verbreitet waren, wie Malaria, Dengue-Fieber und Cholera, werden auch in Mitteleuropa heimisch, Hunger durch Ernteausfälle, Wassermangel und Migration durch sich verringernde Lebensräume. All diese Einflüsse werden Konsequenzen auf die allgemeine und psychische Gesundheit haben; sie werden politische Systeme gefährden und könnten Kriege um die letzten Ressourcen der Erde entfachen [11].

Um diese Folgen abzumildern, sollten Anästhesisten ihren Teil dazu beitragen und den CO₂-Fußabdruck des Gesundheitssystems reduzieren. Im Bereich der Anästhesiologie sind diesbezüglich folgende Themenbereiche von besonderer Relevanz: (I) Nutzung von inhalativen Anästhetika, (II) Energieversorgung der Krankenhäuser und (III) Abfallmanagement im OP-Bereich. Diese Aspekte werden im vorliegenden Beitrag ausführlich dargestellt. Bisher sind diese Zusammenhänge – Klimawandel und Anästhesieführung – nur wenigen Anästhesisten bekannt. Bei einer Umfrage in Australien und Neuseeland gaben nur 10 % aller befragten Anästhesisten an, Umweltkriterien in die Wahl ihres Narkoseverfahrens einzubeziehen [13].

Alle volatilen Anästhetika sind halogenierte Kohlenwasserstoffe und damit hochpotente Treibhausgase. Isofluran und sein Enantiomer Enfluran enthalten ein Chloratom und sind damit Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), genau wie Halothan, das zusätzlich ein Bromatom enthält. Durch ihr Chloratom haben FCKW-Substanzen außerdem eine ozondepletierende Wirkung. Sevofluran und Desfluran dagegen sind Fluorkohlenwasserstoffe (FKW).

Wie viel ein Treibhausgas zur Erderwärmung über einen bestimmten Zeitraum beiträgt, wird mithilfe der Global Warming Potenz (GWP) angegeben, wobei CO₂ für diese Angaben als Bezugsgröße dient. Übliche Zeitspannen beziehen sich auf 20 oder 100 Jahre, dann als GWP₂₀ und GWP₁₀₀ bezeichnet. Die GWP eines Gases hängt von folgenden Faktoren ab [14‐17]:

Die Einheit Kohlendioxidäquivalent (CO_2‑eq) wird genutzt, um die Emissionen verschiedener Treibhausgase, basierend auf ihrer GWP, zu vergleichen.

Aufgrund der immensen erderwärmenden Potenz von halogenierten Kohlenwasserstoffen wurde im Rahmen des Kyoto-Protokolls eine weltweite Reduktion vereinbart (2005), und 2016 wurde in Kigali ein weltweiter Verzicht bis 2035 unterzeichnet [18]. Ab Mitte des 21. Jh. haben halogenierte Kohlenwasserstoffe vermutlich einen substanziellen Einfluss auf die anthropogene Klimaerwärmung [19]. Volatile Anästhetika wurden in beiden Abkommen ausgenommen, da es sich um medizinisch notwendige Substanzen handelt. Somit sind sie heute die einzigen halogenierten Kohlenwasserstoffe, deren Konzentrationen in der Atmosphäre weiter ansteigen [20]. Der Verbrauch an volatilen Anästhetika ist in den letzten Jahrzehnten steil gestiegen und wird weitersteigen, einerseits durch eine verbesserte medizinische Versorgung in den aufstrebenden Entwicklungsländern und andererseits durch die wachsende Alterung in den westlichen, hochentwickelten Staaten, da ältere Patienten im Durchschnitt häufiger eine Operation benötigen.

In Deutschland wurden 2012 bei ca. 7 Mio. Operationen inhalative Anästhetika eingesetzt, wobei die Anteile von Sevofluran ca. 55 %, von Desfluran ca. 35 % und von Isofluran ca. 10 % betrugen [21]. Weltweit haben volatile Anästhetika 2014 ein CO_2‑eq von 3 Mio. Tonnen verursacht, 80 % davon allein durch Desfluran [22]. Desfluran hat von allen volatilen Anästhetika mit Abstand den größten Einfluss auf die Erderwärmung [15], was einerseits durch die längere atmosphärische Lebensdauer und andererseits durch die höhere radiative Effektivität bedingt ist (Tab. 1; [15, 16]). Das GWP₂₀ von Desfluran beträgt 6810, was bedeutet, dass sein Treibhauseffekt 6810-mal ausgeprägter ist als der von CO₂. Das GWP₁₀₀ von Desfluran beträgt noch 2540 [14, 15]. Sevofluran hat ein GWP₂₀ von 440, für Isofluran beträgt das GWP₂₀ 1800. Lachgas übt aufgrund seiner extrem langen atmosphärische Lebensdauer (114 Jahre) und seiner zusätzlichen ozondepletierenden Wirkung nach Desfluran den zweitgrößten Klimaeffekt über den Zeithorizont von 100 Jahren aus [14]. Das GWP₁₀₀ von Lachgas beträgt 300, wobei ca. 1 % der gesamten atmosphärischen Lachgaskonzentration durch die medizinische Nutzung verursacht wird.

Bei inhalativen Anästhetika sollten für eine adäquate Einschätzung des GWP und des CO_2‑eq die unterschiedlichen klinisch angewandten Konzentrationen und die Frischgasflüsse (FGF) mit einbezogen werden [14, 23]. Da für eine Allgemeinanästhesie mit Desfluran im Vergleich zu Isofluran und Sevofluran deutlich höhere Gaskonzentrationen notwendig sind, findet sich ein noch ausgeprägterer Unterschied bei Betrachtung des GWP und des CO_2‑eq [14, 23, 24].

Volatile Anästhetika üben ihren maximal schädlichen Effekt innerhalb ihrer atmosphärischen Lebensdauer aus. Das Konzept der GWP₂₀ und GWP₁₀₀ zeigt bei solch relativ kurzlebigen Substanzen nur einen Residualeffekt auf, der besteht, wenn die eigentliche Substanz bereits eliminiert ist, und unterschätzt somit die schädigende Potenz in den ersten Jahren nach der Gasemission [24]. Özelsel et al. haben die erderwärmende Potenz auch für den Zeithorizont von einem Jahr berechnet (GWP₁; Tab. 2). Eine 7‑stündige Narkose bei einem Frischgasfluss von 0,5 l/min mit 2 % Sevofluran verursacht einen Treibhausgaseffekt, vergleichbar mit einer 783 km langen Autofahrt; bei 1,2 % Isofluran sind es 667 km und bei 6 % Desfluran 3924 km. In Abhängigkeit vom FGF steigen diese Zahlen deutlich an. Beachte: Bei einer Anästhesie mit 6 %igem Desfluran und einem FGF von 2 l entspräche dies einer Fahrt vom Nordkap in Norwegen bis nach Kapstadt in Südafrika oder 15.698 km in nur 7 h. Dies verdeutlicht die Wichtigkeit von „Low-flow“-Techniken in der Anästhesie, um Treibhausgasemissionen zu vermindern [23, 24]. Online stehen 2 kostenlose Apps zur Verfügung, die den CO_2‑eq berechnen (allerdings basierend auf dem Zeithorizont von 100 Jahren), indem man den FGF und die Konzentration des Anästhetikums eingibt (Anaesthetic Impact Calculator und Yale Gassing Greener).

Im Gegensatz zur Nutzung inhalativer Anästhetika hat eine intravenöse Anästhesie mit Propofol einen deutlich geringeren Einfluss auf die Erderwärmung, wie in einer Life Cycle Analyse (LCA) unter Einbeziehung von Herstellung, Verpackung, Transport, Applikation und Abfallmanagement für inhalative Anästhetika und Propofol gezeigt werden konnte [23]. Auch Regionalanästhesieverfahren haben einen geringeren Einfluss auf die globale Erderwärmung, da weniger Material und weniger inhalative Anästhetika verbraucht werden.

Primär sollten Sevofluran oder Isofluran genutzt werden, während Desfluran und Lachgas nur zur Anwendung kommen sollten, wenn dies klinisch indiziert ist (ggf. Wachkraniotomien für Desfluran, [23, 24]). Valide Alternativen zur Gabe von Lachgas, v. a. im geburtshilflichen Bereich, sollten erforscht werden [25]. Es sollten zeitnah Technologien zur Marktreife gebracht werden, die volatile Anästhetika absorbieren und wieder aufbereiten [23, 26]. Dies ist keine unerreichbare Zukunftsmusik, sondern es gibt schon mittelständige Firmen, die über die entsprechende Technologie verfügen [27]. Allerdings bedarf es dringend staatlicher Förderung, um diese Systeme zeitnah in ausreichender Menge zu produzieren und in möglichst vielen Kliniken installieren zu können. Auch die Pharmaindustrie sollte entsprechende Forschung vorantreiben, um die Entwicklung von Anästhesiegasen ohne Einfluss auf globale Erwärmung voranzutreiben.

Krankenhäuser sind 24 h/Tag und 7 Tage/Woche in Betrieb und sind energieintensive Verbraucher. In einer Studie von MacNeill et al. wurde der CO₂-Fußabdruck über den Zeitraum von einem Jahr (2011) an 3 großen Kliniken in USA (University of Minnesota Medical Center), Großbritannien (John Radcliffe Hospital) und Kanada (Vancouver General Hospital) verglichen. Insgesamt lagen die CO_2‑eq-Emissionen für alle drei Kliniken in einem Bereich von 3220–5190t CO_2‑eq/Jahr, wobei die Emissionen vor allem dem Energiesektor (Elektrizität, Heizung und Klimaanlage) sowie der Nutzung von inhalativen Anästhetika zuzurechnen waren [28]. Während in Großbritannien und den USA hauptsächlich mit Kohle geheizt wurde, erhielt das Vancouver General Hospital seine Energie vornehmlich von Wasserkraftwerken und reduzierte damit seinen CO₂-Fußabdruck um den Faktor 10. Dieses Beispiel macht deutlich, dass Krankenhäuser v. a. mit einem Umstieg auf erneuerbare Energien in eine lebenswerte, gesunde Zukunft investieren können (Tab. 3). Gerade bei öffentlichen Gebäuden, wie Krankenhäusern, Schulen und Behörden, ist die Installation von Photovoltaikanlagen sehr wirtschaftlich, da ein Großteil der Energienutzung stattfindet, während die Sonne am Himmel steht – im Gegensatz zu Eigenheimen oder Mietshäusern. Die Energieeffizienz kann durch Optimierung der Gebäudesubsatz deutlich verbessert werden [29].

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK – auch Blockheizkraftwerk), die in einigen deutschen Krankenhäusern betrieben werden, haben eine hohe Energieausbeute. Die KWK-Anlagen nutzen die bei der Stromerzeugung anfallende Wärme zum Heizen. Diese hohe Energieausbeute ist jedoch nur bei optimalem Betrieb der KWK-Anlagen möglich, wenn z. B. im Winter die Abwärme der Stromerzeugung auch wirklich zum Heizen benötigt wird [30]. Insgesamt sind die CO₂-Einsparungen von KWK-Anlagen zu gering, um einen wirksamen Klimaschutz voranzutreiben, solange sie mit fossilen Energieträgern betrieben werden. Werden KWK-Anlagen auf den Betrieb mit regenerativen Energieträgern umgerüstet (z. B. Biomasse, regenerativ erzeugter Wasserstoff, regenerativ erzeugtes Methan oder Geothermie), können sie Strom und Wärme bei gleichzeitig guter Energieausbeute komplett CO₂-neutral erzeugen – das Ziel der Zukunft [30].

Weiterhin kann durch gezielte Maβnahmen wie die Umrüstung auf LED-Leuchtmittel, das Absenken bzw. Ausstellen von Klimaanlagen im OP nachts und am Wochenende (bis auf die Not-OP-Säle), Bewegungssensoren in nachts wenig genutzten Gängen und Treppenhäusern, gut gewarteten Geräten wie Kühlschränke, Sterilisatoren und Heizungen der Energiebedarf deutlich gesenkt werden [28]. Die effiziente Umsetzung von Energiesparmaßnahmen kann die CO₂-Emissionen von Krankenhäusern um 30–50 % reduzieren [28].

Das Projekt „KLIK green“, eine Initiative des Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland (BUND) und des Bundesumweltministeriums, bietet 250 interessierten Kliniken an, einen Klinikmitarbeiter zu einem Klimamanager auszubilden, um die oben genannten Einsparungen mithilfe der erworbenen Expertise möglich zu machen [31].

20–30 % des Krankenhausmülls entstehen im OP, davon ca. 25 % durch die Anästhesie [32]. Bei einem wachsenden Anteil an Einmalprodukten und aufgrund steigender OP Zahlen nimmt auch die Abfallproduktion zu. Um diese Müllberge zu reduzieren wurde das Konzept „Reduce, Reuse, Recycle, Rethink, Research“ – die 5 Rs – entwickelt (Tab. 4).