Orientierende Untersuchungen zum Luftkeimgehalt im Umfeld von Nutztierställen eines viehstarken Gebietes in Norddeutschland

Orientierende Untersuchungen zum Luftkeimgehalt im Umfeld von Nutztierställen eines viehstarken Gebietes in Norddeutschland

INAUGURAL-DISSERTATION

Zur Erlangung des Grades einer Doktorin der Veterinärmedizin (Dr. med. vet.)

durch die Tierärztliche Hochschule Hannover

Vorgelegt von Gudula Schaper

geb. Schneider aus Lemgo

Hannover 2004

Wissenschaftliche Betreuung: Univ.-Prof. Dr. J. Hartung

1. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. J. Hartung

2. Gutachter: Univ.-Prof. Dr. M. Hoedemaker

Tag der mündlichen Prüfung: 26. Mai 2004

Meinen Eltern,

meinem Mann und meinen Kindern

gewidmet

1. Einleitung 7

2. Literatur 8

2.1. Geruch 8

2.1.1. Entstehung von Tierhaltungsgeruch 9

2.1.2. Geruchszusammensetzung 10

2.1.3. Geruchsmessung 10

2.1.4. Emissionen aus Stallanlagen 12

2.1.5. Geruchsausbreitung 13

2.2. Unbelebte und belebte Partikel 15

2.2.1. Stäube 16

2.2.1.1. Entstehung von Staub 16

2.2.1.2. Staubzusammensetzung 17

2.2.1.3. Staubmessung 18

2.2.1.4. Staubvorkommen in Ställen 20

2.2.1.5. Staubemission 22

2.2.1.6. Staubmindernde Maßnahmen 24

2.2.2. Keime 25

2.2.2.1. Keimvorkommen und Zusammensetzung der Keimflora 26

2.2.2.2. Keimmessung 29

2.2.2.3. Keimgehalt in Ställen 30

2.2.2.4. Keimemissionen aus Ställen 32

2.2.2.5. Keimmindernde Maßnahmen 34

2.2.3. Endotoxine 35

2.3. Zusammenhang zwischen Geruchs- und Partikelemission 36

3. Material und Methode 38

3.1. Bestimmung der Klimafaktoren 38

3.1.1. Temperatur und relative Feuchte 38

3.1.2. Windgeschwindigkeit und Windrichtung 38

3.2. Keimbestimmung 39

3.3. Erfassung der Tierzahlen im Umkreis der Meßorte unter Berücksichtigung der Lage und des Abstandes

der Ställe zum Meßort 41

4. Ergebnisse 43

4.1. Meteorologische Befunde 43

4.2. Keimzahlen 48

4.3. Einfluß der Jahreszeit 56

4.4. Abstand der Tierbestände von den Meßorten 61

4.5. Einfluß der Windrichtung unter Berücksichtigung der Tierzahlen 64

5. Diskussion 74

5.1. Keimprobenahme 74

5.2. Betrachtung der Keimbefunde an den Meßorten 75 5.3. Einfluß von Klimafaktoren und Jahreszeit auf die Keimbefunde 75 5.4. Einfluß der Windrichtung auf die Keimzahlen unter

Berücksichtigung der Lage der Tierhaltungen an den

einzelnen Meßorten 77

5.5. Zusammenfassung von Störgrößen bei der Erfassung und

Bewertung von Keimemissionen aus Ställen 79

6. Schlußfolgerungen 81

7. Zusammenfassung 82

8. Summary 84

9. Literaturverzeichnis 86

10. Anhang 100

µg = Mikrogramm

µm = Mikrometer

0 = Grad

0C = Grad Celsius

cfu = colony forming unit

cm = Zentimeter

cm² = Quadratzentimeter

d = Tag

g = Gramm

GE = Geruchseinheit

GKZ = Gesamtkeimzahl (allgemeine aerobe Keimzahl)

GV = Großvieheinheit

h = Stunde

kg = Kilogramm

K = Kelvin

KbE = Koloniebildende Einheit

km = Kilometer

l = Liter

log = Dekadischer Logarithmus

m = Meter

m² = Quadratmeter

m³ = Kubikmeter

mg = Milligramm

min = Minute

MO = Meßort

n = Anzahl

ng = Nanogramm

OU = Odour unit

p = Irrtumswahrscheinlichkeit

RCS = Reuter Centrifugal Sampler

s = Sekunde

Temp. = Temperatur

Die Region Weser - Ems bildet das Zentrum der deutschen Schweine- und Geflügelhaltung.

Es sind dort in den letzten Jahrzehnten zunehmend landwirtschaftliche Produktionseinheiten mit großen Tierzahlen entstanden, die nicht mehr an den Maßstäben traditioneller bäuerlicher Viehhaltung gemessen werden können. Gleichzeitig hat die Konzentration spezialisierter Tierhaltungsbetriebe zugenommen. Im Laufe der Jahre sind die Abstände zwischen den benachbarten Stallanlagen und zur Wohnbebauung in den Dörfern kleiner geworden. Besonders ausgeprägt ist diese Intensivtierhaltung in den Landkreisen Cloppenburg und Vechta. So ist es nicht verwunderlich, daß besonders von dort Klagen über die von den Ställen ausgehenden Emissionen aus der Bevölkerung kommen.

Zu den Luftverunreinigungen, die von Nutztierställen ausgehen, gehören neben einer Vielzahl von Gasen besonders der Stallgeruch und auch Stoffe wie Stäube und Mikroorganismen, die nicht nur mit der Abluft in die Stallumgebung gelangen, sondern auch im Verdacht stehen, bei den Anwohnern von Ställen Gesundheitsbeeinträchtigungen hervorzurufen. Messungen der von Ställen ausgehenden Luftverunreinigungen im Umfeld sind jedoch selten durchgeführt worden. So gibt es bislang lediglich für belästigende Gerüche und für Ammoniak Abstandsregelungen zur Wohnbebauung bzw. zum Wald.

Angaben z.B. zur Ausbreitungsentfernung von Keimen und Stäuben fehlen fast völlig, obwohl gerade diese Stoffe in Verdacht stehen, für infektiöse und allergisch-toxische Atemwegsaffektionen von Anwohnern von Stallanlagen mitverantwortlich zu sein.

Es wurden daher im Rahmen einer einfachen orientierenden Meßkampagne an sieben definierten Meßorten Luftkeimuntersuchungen in regelmäßigen Abständen im Laufe eines Jahres in einer der oben genannten viehstarken Regionen durchgeführt. Die Befunde sollten mit den Befunden an einem großstädtischen Meßort sowie mit Literaturdaten verglichen werden. Da die Meßorte in unterschiedlichen Entfernungen von verschiedenen Ställen lagen, sollte zusätzlich versucht werden, auch eine Abschätzung der Ausbreitungsentfernung für Stallkeime vorzunehmen, um der Frage sicherer Abstände zwischen Wohnbebauung und Stallanlagen näher zu kommen. Dazu wurden auch die jeweiligen meteorologischen Bedingungen und die topographischen Verhältnisse an den einzelnen Meßorten berücksichtigt.

2. Literatur

Zunächst wird ein Überblick über Art und Umfang der wichtigsten Luftverunreinigungen in Nutztierställen sowie deren Meßbarkeit und Emissionspotentiale gegeben.

2.1. Geruch

Geruchsbelästigungen sind die häufigsten Beschwerdeursachen im Zusammenhang mit der Intensivtierhaltung. Hier spielen neben der veränderten Tierhaltung (einstreulose Haltungsformen, Vergrößerung der Tierhaltungseinheiten) auch Veränderungen in der Sozialstruktur der Dörfer mit Zuzug nicht-landwirtschaftlich orientierter Bevölkerung eine wichtige Rolle (HILLIGER u. MATTHES 1972).

Gerüche können das Wohlbefinden beeinträchtigen durch Hervorrufen unangenehmer Empfindungen, Auslösen möglicherweise schädlicher Reflexe, Veränderung der Riechfunktion und anderer physiologischer Funktionen. Unangenehme Gerüche können Übelkeit, Erbrechen, Kopfschmerzen, flache Atmung und Husten verursachen, Schlaf, Magen und Appetit beeinträchtigen, Augen, Nase und Kehle irritieren sowie allgemein belästigen, stören und deprimieren (MINER 1981). Toxische Konzentrationen werden beim Stallgeruch allerdings nicht erreicht (MINER 1981; BARTH et al. 1984).

Da die Geruchsempfindung sehr stark mit Emotionen und Erinnerungen verbunden ist, wirken Gerüche zu bestimmten Zeitpunkten stärker belästigend, zum Beispiel während der Freizeit. Während der Arbeit dagegen reagieren Menschen nicht so stark auf Gerüche (OLDENBURG 1989 b).

Um das Belästigungspotential einer Geruchsstoffemission abzuschätzen, kann die sog.

hedonische Wirkung einer Geruchsstoffprobe herangezogen werden. Dazu wird in der Richtlinie VDI 3882,2 (1994) ein Verfahren vorgestellt, mit dem Geruchsstoff- Konzentrationen im überschwelligen Bereich hinsichtlich ihrer Lage auf der Skala angenehm-unangenehm bewertet werden können.

Wesentliche Faktoren für den Grad der Belästigung durch einen Geruch, also für die hedonische Geruchswirkung, sind Häufigkeit und Dauer der Geruchswahrnehmungen, Intensität und Art des Geruches und das individuelle Befinden des Riechenden (z.B.

Hunger, Streß, Gesundheitszustand, Emotionen und Erinnerungen) (MEDROW u.

JUERGENS 1984; VDI 3882,2 1994). So wirken z.B. sehr unangenehme Gerüche schon bei schwacher Geruchsintensität und relativ geringen Häufigkeiten außerordentlich belästigend, während hedonisch neutrale Gerüche, auch bei stärkerer Geruchsintensität und häufigerem Auftreten, nicht als gesundheitsbeeinträchtigend von Anwohnern eingeschätzt werden (MANNEBECK u. HESSE 1998).

Obwohl im Rahmen dieser Arbeit keine Geruchsmessungen vorgenommen wurden, soll im Folgenden auf den Tierhaltungsgeruch wegen seiner erheblichen Bedeutung im Emissions- und Immissionsgeschehen um Stallanlagen dennoch etwas näher eingegangen werden.

2.1.1. Entstehung von Tierhaltungsgeruch

Gerüche aus Tierhaltungen stammen von Kot, Harn, Tieren und Futter (SCHÄFER 1977;

CARNEY u. DODD 1989 b; RITTER 1989; MELVIN 1996), wobei die Ausscheidungen als Hauptgeruchsquelle angesehen werden (HILLIGER u. MATTHES 1972; SCHÄFER 1977;

O’NEILL et al. 1992). Durch die heute sehr intensive Fütterung von eiweiß- und energiereichen, relativ rohfaserarmen Futtermitteln beinhalten die Ausscheidungen einen größeren Anteil rasch zersetzbarer Substanzen, die dann besonders unter den anaeroben Verhältnissen der heute vorherrschenden Flüssigentmistung zu starker Geruchsintensität führen (BARTUSSEK 1978).

Tierspezifische Geruchsquellen sind Atmung, Schweiß, Speichel und Verdauungsgase (OLDENBURG 1989 b). Tierart, Tieralter, das Aufstallungs- und Entmistungssystem und der umbaute Raum je Einzeltier beeinflussen entscheidend die Geruchsbelastung der Stalluft (BARTUSSEK 1978).

Der Geruch von frischem Mist wird weniger unangenehm empfunden als der von anaerob zersetztem Mist (MINER 1981). Für die Freisetzung der Geruchsstoffe aus Kot und Harn sind hauptsächlich Bakteriengattungen wie Peptostreptococcus, Propionibacterium, Bacteroides, Eubacterium, Clostridium und Megasphaera verantwortlich, wobei Clostridium und Eubacterium die größte Rolle spielen sollen (ZHU u. JACOBSON 1999).

Zu den vielen Faktoren, die die Zusammensetzung des Geruchs beeinflussen, gehört auch die Temperatur. Je wärmer es wird, desto mehr können z.B. längerkettige Fettsäuren

freigesetzt werden. Wegen der vielen Einflußfaktoren ist es auch so schwierig, die Stärke und „Farbe“ von Stallgerüchen verläßlich und reproduzierbar zu messen (OLDENBURG 1989 a).

2.1.2. Geruchszusammensetzung

Auflistungen und Beschreibungen von osmogenen Einzelbestandteilen der Stalluft liegen von vielen Autoren vor (HAMMOND et al. 1974; HILLIGER u. HARTUNG 1978; YASUHARA 1980; MINER 1981; HAMMOND u. SMITH 1981; HARTUNG 1985, 1986; VETTER 1988).

O’NEILL und PHILLIPS (1992) fassen 168 Geruchskomponenten zusammen, die in Tiermist oder in der umgebenden Luft identifiziert worden sind. 30 davon haben Geruchswahrnehmungsschwellen, die niedriger oder gleich 0,001 mg/m³ Luft sind. Sechs der 10 Komponenten mit der niedrigsten Geruchswahrnehmungsschwelle von allen enthalten Schwefel. Die wichtigsten der bisher identifizierten Geruchskomponenten scheinen die flüchtigen Fettsäuren, p-Kresol, Indole, Skatole, Diacetyl und Ammoniak zu sein, entweder wegen ihrer relativ hohen Konzentration oder ihrer niedrigen Wahrnehmungsschwelle.

Wegen natürlich vorkommender chemischer und biochemischer Reaktionen sind Wechsel im Spektrum der Luftkontaminanten unvermeidbar, so daß sich Zusammensetzung und Konzentration der Kontaminanten sowohl beim Übergang vom Mist in die Stalluft als auch beim Austritt mit der Abluft ändern (O’NEILL u. PHILLIPS 1992). Es sind keine typischen Differenzierungen zwischen den einzelnen Stalltypen, jedoch gravierende Unterschiede zwischen Tierarten nachweisbar (BARTUSSEK 1978; HILLIGER u. HARTUNG 1978).

2.1.3. Geruchsmessungen

Die Messung von Gerüchen ist ein bis heute nicht befriedigend gelöstes Problem.

Chemisch-analytische Verfahren vermögen zwar die Einzelkomponenten eines Geruchs zu identifizieren und zu quantifizieren, den Geruch wahrnehmen, beschreiben und bewerten kann nach wie vor nur die menschliche Nase, wobei allerdings die modernen Analyseverfahren und Sensortechniken wertvolle Hilfestellung liefern können (O’NEILL u.

PHILLIPS 1992). Viele Forscher (YASUHARA 1980; HOBBS et al. 1999) haben versucht, die physio-chemischen Eigenschaften von Geruchsmolekülen mit der Geruchsqualität in

Geruchskomponenten ist generell unvorhersagbar. Selbst 2 oder 3 Komponenten sind nicht additiv in der Wirkung (JONES et al. 1994). Es kann dabei keine zufriedenstellende Beziehung hergestellt werden zwischen irgendeinem dieser Geruchsstoffe und der menschlichen Wahrnehmung der Geruchskonzentration (PAIN et al. 1991; HOBBS et al.

1999).

Bei Messungen mit einem Photoionisationsdetektor und einer „elektronischen Nase“

basierend auf Polypyrrolsensoren stellten auch HOBBS et al. (1995) eine geringere Empfindlichkeit verglichen mit olfaktometrischen Verfahren fest. MISSELBROOK et al.

(1997) demonstrierten die Fähigkeit einer elektronischen Nase, auch auf niedrigere Geruchskonzentrationen zu reagieren. Sie zeigten eine lineare Beziehung zwischen Geruchskonzentration und durchschnittlicher Sensorantwort nach Ausbringung von Rindergülle. Hier ist weitere Forschung erforderlich, um vielleicht ein Instrument für Feldmessungen zu entwickeln.

Bisher ist jedoch die Olfaktometrie die gängige Methode der Geruchsmessung.

Olfaktometrie ist der Gebrauch der menschlichen Nase als Sensor für Gerüche. Die menschliche Nase verfügt über eine bis zu 1000fach höhere Sensibilität als andere analytische Verfahren gegenüber bestimmten Geruchskomponenten (BARTH et al. 1984;

MELVIN 1996; HOBBS et al. 1999). Die für eine Geruchsempfindung erforderliche Menge eines stimulierenden Agens ist extrem gering (NORÉN 1987).

Es sind eine Vielzahl verschiedener olfaktometrischer Techniken verwendet worden, um Geruchskonzentrationen zu messen (SWEETEN et al. 1989). Wegen der vielen Einflußfaktoren und Unwägbarkeiten war es notwendig, Richtlinien für die Benutzung von Olfaktometern zu erarbeiten (HANGARTNER et al. 1985; HANGARTNER et al. 1989).

Durch diesen Schritt einer Standardisierung ist die Olfaktometrie erheblich sicherer geworden. Allerdings sind die Abweichungen zwischen zwei Meßvorgängen für die gleiche Geruchsprobe nach wie vor hoch. Dies liegt besonders an den Eigenschaften der menschlichen Nase, deren Leistungsfähigkeit im Einzelfall von einer Reihe von Faktoren abhängig ist, zu denen besonders folgende Punkte zählen (JONES et al. 1994):

• sehr kurze Leistungszeit; d.h. Habituation durch Interessensverlust des Probanden bei langen Serien mit demselben Stimulustyp (HANGARTNER et al. 1989)

• Reaktion eher auf Höchst- als auf Mittelwerte der Geruchskonzentration

• große individuelle Unterschiede

• Einschränkungen durch Erkältung, Krankheit usw.

• Abfallen der Empfindlichkeit während verlängerter Exposition und damit Adaptation an einen konstanten Geruch

• bessere Aussagen in relativer Form als in absoluter über Gerüche

• persönliche Neigung des Probanden, in Zweifelsfällen „ja“ oder „nein“ zu sagen (HANGARTNER et al. 1989).

In Europa und Australien hat sich heute die dynamische Verdünnungsolfaktometrie als Standard durchgesetzt. Entsprechende Richtlinien und Empfehlungen finden sich bei HANGARTNER et al. (1989), O’NEILL et al. (1992), MISSELBROOK et al. (1993) und JONES et al. (1994).

2.1.4. Emissionen aus Stallanlagen

Emissionen im Sinne des Bundesimmissionsschutzgesetzes (BImSchG) sind von einer Anlage ausgehende Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen, Licht, Wärme, Strahlen u.ä. Erscheinungen. Immissionen im Sinne des BImSchG sind auf Menschen sowie Tiere, Pflanzen oder andere Sachen einwirkende Emissionen (VDI 3471 1986).

Unter Geruchsemission versteht man den Eintritt von Geruchsstoffen von einer Anlage in die Atmosphäre. Die sich daran anschließende Transmission beinhaltet die Phänomene Transport, Dispersion und Verdünnung der Geruchsstoffe. Die Immission ist das Eintreffen am Akzeptor, also z.B. an den Sinneszellen in der Nase eines Menschen (MEJER u.

KRAUSE 1986).

Die Emissionsrate eines Stoffes ist prinzipiell das Produkt aus Luftrate und Stoffkonzentration. Die von einem Gebäude ausgehende Geruchsemissionsrate ist das Produkt aus Luftrate und Geruchskonzentration in der Abluft (OLDENBURG 1989 a;

O’NEILL et al. 1992) und wird u.a. in Geruchseinheiten pro Sekunde und Großvieheinheit (GE^.s^-1.GV^-1) angegeben. Die Basisdefinition für Luftrate ist m³/h. Das Volumen (m³) an Luft, das einer Großvieheinheit (GV) Tier pro Stunde (h) über das Lüftungssystem zugemessen wird, wird in m³/GV⋅h angegeben.

Bei der Berechnung der Emissionsraten müssen die sowohl im Jahresverlauf als auch im Tagesverlauf auftretenden großen Schwankungen der Geruchskonzentration berücksichtigt werden. SCHAUBERGER et al. (1999) ermittelten eine jährliche Schwankungsbreite der

Geruchskonzentration in der Abluft von Mastschweinehaltungen von 687 bis 3226 GE/m³ Luft.

Zunehmende Zulufttemperatur führt zu einer Steigerung der Geruchsemission. Dies ist auf die höhere Umsetzung in der organischen Masse, das auf Entwärmung ausgerichtete Tierverhalten (z.B. Exposition der emittierenden Tieroberflächen zum Luftstrom) und die gesteigerten Luftraten bei hohen Zuluft- und damit Stalltemperaturen zurückzuführen (OLDENBURG 1989 a).

Rinderställe emittieren mit Abstand weniger Geruch als Hühner- und Schweineställe (OLDENBURG 1989 a). Bei Mastställen ist auf die zyklische Belegung der Ställe zu achten, die bei Masthühnern etwa alle sechs Wochen, bei Mastschweinen etwa alle vier Monate (Endmast) geschieht. Das führt, besonders bei den Masthähnchen, zu emissionsschwachen Zeiten zu Mastbeginn und zu emissionsstarken Zeiten zu Mastende (CLARKSON u. MISSELBROOK 1991).

Ein hoher Verschmutzungsgrad und Feuchtigkeitsgehalt der emittierenden Oberflächen erhöhen die Geruchsemission (z. B. durch Kondensate an raumumschließenden Oberflächen bei mangelnder Wärmedämmung) (BARTUSSEK 1978).

Der Feuchtigkeitsgehalt der Stroh-Kot-Matte ist ein wichtiger Faktor für die Geruchsemission (CLARKSON u. MISSELBROOK 1991). Bei Ställen mit Stroheinstreu führt zu geringe Einstreu, die die Feuchtigkeit von Kot und Urin nicht binden kann, zu höheren Geruchsemissionen als in gut geführten einstreulosen Ställen. Die oft diskutierten Unterschiede in der Geruchsemission zwischen Vollspalten- und Teilspaltenbodenställen in der Schweinemast hängen ebenfalls sehr stark von der Sauberkeit und Trockenheit der Buchten ab, weniger vom System (OLDENBURG 1989 a).

2.1.5. Geruchsausbreitung

Für die Abschätzung möglicher oder zu erwartender Geruchsemissionen muß berücksichtigt werden, daß der Grad von Emissionen oder Immissionen durch eine Vielzahl von Faktoren, wie Haltungsform, Stalltechnik oder Abluftführung, aber ebenso von Standortkriterien, wie meteorologischen, orographischen und geländeklimatologischen Komponenten, bestimmt wird (WILLINGER et al. 1988). Hier sind besonders Inversionslagen, Windrichtung,

Windhäufigkeit und Windgeschwindigkeit von Bedeutung, wobei die Geländeformen maßgeblich die örtlichen Windverhältnisse beeinflussen (BARTUSSEK 1978).

Die von einer landwirtschaftlichen Geruchsquelle ausgehende Belästigung wird durch die Geruchsemission und die Dispersion bzw. Transmission des Geruchs in Windrichtung bestimmt (SMITH 1993). Das komplexe Ausbreitungsgeschehen wird dabei im wesentlichen durch die atmosphärische Transmission beeinflußt, die angibt, wie sich die Emissionswerte bis hin zur Immissionsseite verändern (Abb. 1) (KRAUSE 1987).

Abb. 1: Schema von Emission, Transmission und Immission am Beispiel von Geruchsstoffbelästigungen (KRAUSE 1987)

Geruchsstoffe bilden mit der Abluft eine Wolke, die je nach Windrichtung und Windverhältnissen in Schwaden oder Fahnen verfrachtet wird und deren rasche Verdünnung hauptsächlich durch Windgeschwindigkeit und Turbulenz der Luft bewirkt wird.

Diese Turbulenz ist vom senkrechten Temperaturgefälle in der Luft, dem sog.

Temperaturgradienten abhängig. Durchschnittlich nimmt die Temperatur pro 100 m Höhe um ca. 1 K ab. Je stärker der Temperaturabfall ist, um so größer ist die Turbulenz. Bei kleinen oder negativen Temperaturgradienten (Inversion) herrschen stabile Luftschichtungen mit weitgehend laminaren Strömungsverhältnissen ohne Turbulenzmischungen. Dabei können Gasfahnen u.U. sehr weit getragen werden

Zur Beurteilung von Geruchsimmissionen werden heute, neben Feldbegehungen an bestehenden Anlagen mit Riecher-Panels, zunehmend mathematische Ausbreitungsmodelle benutzt. Diese können bei Kenntnis der Kennzahlen der Stallanlage und unter Einschluß geographischer Merkmale sowie atmosphärischer Ausbreitungsbedingungen auch Aussagen über mögliche Immissionen in der Umgebung einer geplanten Geruchsstoffe-emittierenden Anlage machen (MEDROW u. JUERGENS 1984). Hierzu sind verschiedene Berechnungsmodelle entwickelt worden (MEDROW u.

JUERGENS 1984; CARNEY u. DODD 1989 a; SMITH 1993; CHEN et al. 1998).

2.2. Unbelebte und belebte Partikel

Luftgetragene Partikel können belebt oder unbelebt und sowohl flüssig als auch fest sein.

Die disperse Verteilung von Partikeln in einer Gasphase, wie z.B. Luft, wird auch als Aerosol bezeichnet.

Ein Aerosol besteht aus festen oder flüssigen Partikeln von genügend kleiner Größe, um lange Zeit in Suspension zu bleiben (CARPENTER 1986). Aerosole sind zwischen 10^-4 und ca. 10² µm groß (HARTUNG 1989).

Bioaerosole beinhalten biologische Substanzen, die sich durch Lebensfähigkeit, Infektiosität, Allergenität, Toxizität oder pharmakologische Aktivität auszeichnen (TAKAI et al. 1998).

Staub beinhaltet feste Partikel verschiedener Größe (CARPENTER 1986) und kann sowohl luftgetragen als auch abgesetzt sein (HARTUNG 1994).

Mikroorganismen können an feste oder flüssige Partikel angelagert sein oder selbst, besonders im Fall von Sporen, ein Partikel darstellen (CARPENTER 1986).

Es herrscht ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Neubildung und Elimination der Luftpartikel. Aerosolkerne, die zufällig und inhomogen in der Luft verteilt sind, werden durch Anlagerung anderer Partikel vergrößert, wobei die Wahrscheinlichkeit der Kollision um so größer ist, je größer die Ausgangspartikel und die Partikeldichte sind und je höher der Luftfeuchtigkeitsgehalt ist. Größere Partikel können jedoch weniger lange in Suspension verbleiben und tendieren eher dazu, sich abzusetzen (HARTUNG 1994). Die durchschnittliche Verweildauer der Partikel in der Luft beträgt ungefähr 15 Minuten (MÜLLER u. WIESER 1987).

Aerosolkerne entstehen durch Kondensation, Sublimation und Dispersion. Durch Sedimentation und Diffusion werden Partikel nur zeitweise aus der Luft entfernt und können

durch Dispersion jederzeit wieder in die Luft gelangen. Wirkliche Elimination aus der Luft wird erreicht durch das Ventilationssystem oder durch Einatmung durch Mensch und Tiere, wobei quantitativ nur ersterem Bedeutung beigemessen werden kann (HARTUNG 1994).

2.2.1. Stäube

Erst mit der Entwicklung der Intensivtierhaltung entstand ein größeres Interesse an Staub als hygienischem Faktor der Stalluft (HILLIGER u. MATTHES 1972). Heute werden Staub und Mikroorganismen in der Tierhaltung als Luftkontaminanten angesehen (MAGHIRANG et al. 1997), deren hygienische Bedeutung unbestritten ist (HILLIGER 1991).

Staub kann geruchsintensive Stoffe anlagern und als Vehikel für Mikroorganismen dienen (BARTUSSEK 1978; HAMMOND et al. 1981; HARTUNG 1986), kann jedoch auch rein mechanisch die Atmungsorgane schädigen (HILLIGER 1969). In Staubschichten können Keime und Parasiten überleben oder sich sogar vermehren (BARTUSSEK 1978).

2.2.1.1. Entstehung von Staub

Staub stammt von Futter, Einstreu, getrocknetem Mist, Haut und/oder Federresten und Gebäudematerial (CARPENTER 1986; MAGHIRANG et al. 1993), wobei Futter und Einstreu als Staubquellen die größte Rolle spielen (MATTHES 1979; HARTUNG 1986).

Die Freisetzung von Staub wird durch Tieraktivität und Luftbewegung verstärkt (HARTUNG 1986, 1989; VAN WICKLEN et al. 1986; MÜLLER u. WIESER 1987; MAGHIRANG et al.

1997). Diese unterliegen erheblichen Schwankungen im Tagesverlauf, beeinflußt durch Faktoren wie Fütterungszeit, Stallufttemperatur, Stallarbeiten, Tiergewicht und Stallbelegung (AENGST 1984).

Der von der Tieraktivität unabhängigen Staubfreisetzung mißt HILLIGER (1991) eine nachrangige Bedeutung bei, während HEBER et al. (1988 b) eine signifikante Relation zwischen Partikelkonzentration und Ventilationstyp, Außentemperatur, Temperaturdifferenz innen/außen und relativer Luftfeuchte innen fanden. Bei Technologie- und/oder Managementfehlern können Einstreu und Futter wesentlich zum Staubgehalt der Stalluft beitragen (HILLIGER 1991). Mehlige Futtermittel bringen eine größere Staubbelastung im

Stallraum als pelletierte (BLENDL 1979). Durch zu große Abwurfhöhen des Futters innerhalb des Stalles wird die Staubentwicklung gesteigert.

2.2.1.2. Staubzusammensetzung

Umfang und Struktur des Stallstaubes variieren in weiten Grenzen (HILLIGER u. MATTHES 1972), weder die chemische Zusammensetzung noch die Morphologie sind einheitlich (MÜLLER u. WIESER 1987).

Die großen Schwankungsbreiten bei der Staubzusammensetzung ergeben sich aus den unterschiedlichen Aufstallungs- und Fütterungsformen je nach Tierart und Nutzungsrichtung. So wurden in Staub aus Geflügelställen mit Bodenhaltung 55–68 % Einstreupartikel, 2–12 % Federfragmente und 2–8 % trockene Kotpartikel ermittelt, während Staubproben aus Geflügelställen mit Batteriehaltung, also mit einstreuloser Aufstallung, zu 80–90 % aus Futterpartikeln, zu 4–12 % aus Federfragmenten und zu 2–8 % aus trockenen Kotpartikeln bestehen (AENGST 1984; MÜLLER u. WIESER 1987).

Auch die Verteilung anorganischer Elemente im Staub unterliegt Schwankungen und korrespondiert eng mit dem Gehalt im verwendeten Futter (NAKAUE et al. 1981).

Unabhängig von der Aufstallungsform ist der Anteil organischen Materials am Stallstaub mit fast 90 % generell hoch (MATTHES 1979; CARPENTER 1986; HARTUNG 1986).

Bei übereinstimmenden Angaben zum Trockensubstanzgehalt im Stallstaub von etwa 90 % (MATTHES 1979; CARPENTER 1986; HARTUNG 1986) variieren die Angaben in der Literatur besonders bezüglich des Rohproteingehaltes erheblich. Stein et al. (1991) ermittelten einen Rohproteingehalt von 40,3 %, Aengst (1984) gibt 23,9 % an.

Vergleichende Rohproteinanalysen von Stallstaub und verwendetem Futter ergaben einen im Futter deutlich niedrigeren Gehalt an Rohprotein (HARTUNG 1986; STEIN et al. 1991).

Dies zeigt die große Bedeutung von anderen Proteinquellen wie Federn, Haar- oder Hautresten für die Staubentstehung (HARTUNG 1986). Auch Kot- und Bakterienprotein sind für den Stallstaub von großer Bedeutung (STEIN et al. 1991). Der mögliche allergisierende Effekt einzelner Komponenten dieses Proteingemisches kann ein Auslöser für Atemwegserkrankungen sowohl der Tiere als auch der im Stall arbeitenden Menschen sein (PLATZ et al. 1995).

Zur biologischen Wirkung des Staubes wurden von STEIN et al. (1991) erstmals der Kaninchenhauttest und der Pyrogenitätstest am Kaninchen durchgeführt. Bei intradermaler Applikation wirkt Staub stark hautschädigend. Die Ursache hierfür liegt nicht nur im Endotoxingehalt des Staubes, sondern wird auf eine komplexe Wirkung vieler an Staub gebundener Noxen zurückgeführt. Beim Pyrogenitätstest kommt es zur Fieberinduktion durch Verabreichung eines Pyrogens. Hier wurden sehr hohe Zunahmen der Rektaltemperatur ermittelt, die sichere Hinweise darauf liefern, daß im Stallstaub extrem pyrogene Substanzen enthalten sind.

Die Größenverteilung des Staubes geht von ultrafeinen Partikeln bis hin zu groben Staubteilchen. Man unterscheidet Grobstaub (> 10 µm), Feinstaub (0,5-10 µm) und Feinststaub (< 0,5 µm) (MATTHES 1979). Die Partikelgröße entscheidet weitgehend über die Eindringtiefe in den Atemtrakt. Wenn es um inhalationsbiologische Belange geht, unterscheidet man einatembare Partikel (bis 20 µm im Durchmesser) und alveolengängige Partikel, die kleiner als 5 µm im Durchmesser sind. Wesentlich mit entscheidend für die Eindringtiefe ist jedoch der sogenannte aerodynamische Durchmesser. Partikel, die größer als 10 µm sind, werden in Nase und Kehle abgefangen und können dort Irritationen verursachen. Partikel mit einem Durchmesser von 5-20 µm sind hauptsächlich für die Eigenschaft von Staub als Geruchsträger verantwortlich (HEBER et al. 1988 a). Osmogene Gase haften an der Oberfläche von Aerosolpartikeln an und erhöhen somit die Gaskonzentration um ein Vielfaches (HAMMOND et al. 1981). Die Mehrheit von Bakterien in der Luft haftet an Partikeln, die größer als 4 µm sind (HEBER et al. 1988 a).

2.2.1.3. Staubmessung

Für die Messung luftgetragener Partikel gibt es zahlreiche Methoden, die von MÜLLER und WIESER (1987) zusammengefaßt werden. Sie basieren auf dem Widerstand eines Mediums gegen Partikelbewegung, elektrischen Effekten, Diffusion, thermalen und optischen Effekten.

Instrumente, die die Schwerkraft und die mechanische Trägheit der Partikel ausnutzen, sind:

• Impaktoren:

(siehe Kap. 2.2.2.2.)

• Impinger

(siehe Kap. 2.2.2.2.)

• virtuelle Impaktoren:

Hierbei wird die Impaktionsplatte ersetzt durch eine Region mit relativ stagnierendem Luftfluß, in den größere Partikel hineingelangen, während kleinere Partikel im schnellen Luftstrom verbleiben. Die verschiedenen Größenfraktionen können dann entweder auf separate Filter verbracht werden oder in separaten Impingern gesammelt werden.

• Aerosolzentrifugen:

Aerosolzentrifugen arbeiten mit niedrigen Durchflußraten, sie sind mehr für Laboruntersuchungen als für Feldstudien geeignet.

• Luftfilter mit porösem Material:

Die Luftfiltration mit porösem Material (z.B. Fasern oder Membranen) ist eine der ältesten Methoden, um Partikel zu gewinnen. Hierbei sind verschiedene Effekte wie Impaktion, Diffusion, Gravitation und elektrische Kräfte involviert.

So kann z.B. die Luft durch einen Membranfilter (z.B. aus Zellulosenitrat) angesaugt werden, der vor und nach der Exposition nach 2 Stunden Trocknung gewogen wird (ADRIAN u. HILLIGER 1988).

• Sedimentationsmethode:

Die Sedimentationsmethode ist eine einfache und gerade für längerfristige Messungen geeignete Methode. Dabei werden einfache Bleche mit Aluminiumfolie belegt und im Stall aufgehängt. Zur Staubgewinnung wird die Aluminiumfolie vom Blech genommen und der Staub mit einem Pinsel in ein Gefäß gefüllt. Die Wägung erfolgt ungetrocknet am Tag der Gewinnung (HILLIGER et al. 1984).

Elektrisch geladene Partikel können aufgrund unterschiedlicher Mobilität im elektrischen Feld aufgetrennt werden. Partikel, die keine elektrische Ladung aufweisen, müssen vorher elektrisch aufgeladen werden, z. B. in einer Ionisationskammer.

Die Partikelgewinnung durch Diffusion macht sich den Einfluß der Brown’schen Molekularbewegung zunutze, wobei kleine Partikel an der Oberfläche von Flüssigkeiten oder Körpern, die in Kontakt zum Aerosol stehen, abgelagert werden.

Bei der Thermophorese erfolgt die Diffusion entlang eines Temperaturgradienten (thermale Präzipitation).

Auf optischen Effekten basierende Geräte machen sich die Eigenschaft von Partikeln zunutze, Licht zu zerstreuen und zu absorbieren. In übersättigtem Wasserdampf bilden Staubpartikel Kondensationskerne und werden so größer und durch optische Verfahren besser darstellbar (MÜLLER u. WIESER 1987).

ADRIAN und HILLIGER (1988) wandten auf verschiedenen Meßprinzipien beruhende Staubmeßmethoden im Stall an. Ein direkter Vergleich der Ergebnisse, z. B. durch Benutzung von Umrechnungsfaktoren, war nicht möglich. Messungen des Sedimentationsstaubgehaltes im Stall wiesen eine geringere Schwankungsbreite auf als volumenbezogene Messungen.

2.2.1.4. Staubvorkommen in Ställen

Da die Staubfreisetzung in Ställen durch viele Faktoren beeinflußt wird, zeigen die Angaben über Staubkonzentrationen in Ställen eine große Schwankungsbreite (CROOK 1991).

Ein Überblick über ein in seiner Dimension bisher einmaliges, multinationales Projekt über Vorkommen und Emission der Hauptluftverschmutzer innerhalb von und aus einer großen Zahl von Stallgebäuden in Nordeuropa wird von WATHES et al. (1998) gegeben. Die Standardisierung der Methodik ermöglicht erstmals den Vergleich zwischen Ländern, verschiedenen Stalltypen und Tierarten. In diesem Zusammenhang ermittelten TAKAI et al.

(1998) länderübergreifend Konzentrationen und Emissionen von luftgetragenem Staub aus Tierstallungen und stellten die Ergebnisse umfassend dar.

Tabelle 1 stellt die Angaben verschiedener Autoren zur Staubkonzentration in Ställen nach Tierarten gegliedert zusammen. Die respirable Fraktion beinhaltet Partikel, die kleiner als 5 µm und somit alveolengängig sind.

Tab. 1: Staubkonzentrationen in Ställen, unterteilt nach Tierarten

Schweine Geflügel Rinder Autor 0,5-79 mg/m³ 6-18 mg/m³ (Legehennen)

32 mg/m³ (Broiler)

CARPENTER (1986)

1,66-2,04 mg/m³ CROOK (1991) 0,12-2,14 mg/m³

0,01-0,17 mg/m³

MAGHIRANG et al. (1997)

respirable Fraktion 3,15-22,61 mg/m³ 2,15 mg/m³ (Legehennen)

3,5-21 mg/m³ (Truthähne)

0,59 mg/m³ MÜLLER und WIESER (1987)

2,3-38,9 mg/m³ (Legehennen) PETKOV et al. (1991)

0,8-13,5 mg/m³ STEIN et al. (1991)

2,19 mg/m³

0,23 mg/m3

3,6 mg/m³

0,45mg/m3 0,38 mg/m³ 0,07 mg/m³

TAKAI et al. (1998)

respirable Fraktion 2-10 mg/m³

0,3-1,2 mg/m³

WATHES et al. (1997) respirable Fraktion

Sowohl Stalltyp als auch Tierart beeinflussen die Staubkonzentration im Stall (TAKAI et al.

1998).In Schweine- und Geflügelhaltungen sind die Staubkonzentrationen signifikant höher als in Rinderställen, dort treten auch verstärkt respiratorische Probleme auf (HARTUNG 1994). Die höchsten Partikelkonzentrationen treten in Broilerhaltungen auf (VAN WICKLEN et al. 1986).

Bei Messungen an verschiedenen Stellen im Stall fanden MAGHIRANG et al. (1997) räumliche Unterschiede in der Verteilung der totalen Staubkonzentration, die respirable Staubkonzentration zeigte keine signifikanten Unterschiede in der räumlichen Verteilung.

Tabelle 2 gibt einen Überblick über Messungen des Sedimentationsstaubes in Schweine- und Geflügelställen.

Tab. 2: Sedimentationsstaub in Schweine- und Geflügelställen

Schweine Geflügel Autor

1,66 g/m²/Tag ADRIAN (1993)

2,6 g/m²/Tag 1,3 g/m²/Tag (Legehennen)

HILLIGER et al. (1984)

5,2 g/m²/Tag STEIN et al. (1991)

Übereinstimmend ist sowohl die Staubkonzentration in der Stalluft als auch der Sedimentationsstaubgehalt im Winter signifikant höher als im Sommer (ZEITLER et al.

1987; ADRIAN 1993; PLATZ et al. 1995). Dies ist auf die jahreszeitlich unterschiedliche Lüftungsintensität zurückzuführen (ZEITLER et al. 1987).

2.2.1.5. Staubemission

Während zum Auftreten und zur Wirkung von Staub in den Ställen eine Vielzahl gesicherter Erkenntnisse vorliegt, fehlen Informationen zur Emission von Stäuben aus Stallanlagen und zu Einflußfaktoren auf die Staubausbreitung fast vollständig (SCHMIDT u. HOY 1996).

Die Emissionsrate ist generell das Produkt aus Luftrate (m³/GV⋅h) und Stoffkonzentration (mg/m³ Luft) (siehe Kap. 2.1.4.), hier also der Staubkonzentration (mg/m³ Luft).

Die Definition von MAGHIRANG et al. (1993) ist etwas differenzierter, sie berechnen den

„Netto-Emissionsstrom“, indem sie die Hintergrundkonzentration von der Stallkonzentration abziehen: E=(Ce-Ci)Q

E = Emissionsrate der Kontaminante (mg/h^.Tier) Q = Ventilationsrate (m³/h^.Tier)

Ce = Konzentration der Kontaminante am Abluftausgang (mg/m³ Luft) Ci = Hintergrundkonzentration der Kontaminante (mg/m³ Luft).

Tabelle 3 gibt einen Überblick über von verschiedenen Autoren ermittelte Staubemissionsraten aus Ställen, unterteilt nach Tierarten. Hierbei ist die abweichende Berechnungsgrundlage bei MAGHIRANG et al. (1993) zu beachten.

Tab. 3: Staubemissionsraten aus Ställen, unterteilt nach Tierarten

Schweine Geflügel Rinder Autor

0,1-2,6 mg/h/Tier (Netto-Emissionsstrom) (Legehennen)

MAGHIRANG et al. (1993) respirable Fraktion

762 mg/h/GV 85 mg/h/GV

3165 mg/h/GV 504 mg/h/GV

145 mg/h/GV 24 mg/h/GV

TAKAI et al. (1998) respirable Fraktion 111 mg/h/Tier

14 mg/h/Tier

12 mg/h/Tier 2 mg/h/Tier

110 mg/h/Tier 19 mg/h/Tier

TAKAI et al. (1998) respirable Fraktion

860-8240 mg/h/GV WATHES et al. (1997)

Die Staubemissionsrate aus Ställen wird in erster Linie durch die Ventilationsrate beeinflußt, sie ist bei starker Ventilationsrate deutlich höher als bei niedriger. MAGHIRANG et al.

(1993) konnten keinen signifikanten Einfluß des Alters der Tiere oder klimatischer Größen (Innen-, Außentemperatur) auf die Emissionsrate feststellen. Ein indirekter Einfluß ist jedoch insofern vorhanden, als eine Zunahme des Körpergewichts der Tiere während einer Mastperiode und wärmere Temperaturen auch höhere Ventilationsraten erfordern (HINZ u.

LINKE 1998).

Durch Ablagerung im Abluftschacht der Emissionsquelle kann es zu einer Konzentrationsminderung des Staubes kommen, so daß die Emissionsmenge geringer sein kann als es nach Messungen im Stall und Berechnungen der Emissionsrate zu erwarten wäre (PLATZ et al. 1995).

SCHMIDT und HOY (1996) ermittelten bei Untersuchungen zur Staubemission aus Geflügelintensivhaltungen in 3 m Entfernung zum Stall noch etwa die Hälfte und in 10 m Entfernung nur noch ca. 10 % der Staubkonzentration im Stall. In 50 und 100 m Entfernung zu den Emissionsquellen betrug der Staubgehalt der Luft nur noch ca. 1 % oder weniger.

Dies repräsentiert den ubiquitären Staubgehalt der Luft und ist nicht auf die Emission aus der Geflügelanlage zurückzuführen.

Die Weite der Ausbreitung von Staub aus Ställen in die Atmosphäre hängt von geographischen und klimatischen Faktoren ab. Besondere Bedingungen, wie zum Beispiel

eine große Quellstärke und eine mäßige, aber einheitlich gerichtete Luftströmung, können zu weiträumiger Verfrachtung besonders von Feinstaub führen (HILLIGER 1991).

2.2.1.6. Staubmindernde Maßnahmen

Staubmindernde Maßnahmen in Tierställen beinhalten (MAGHIRANG et al. 1995)

• Reduktion der Entstehung bzw. der Emission von Staub:

Durch Bevorzugung staubarm arbeitender Technologien im Stall und Verminderung der Besatzdichte wird die Entstehung und Freisetzung von Staub im Stall vermindert und somit auch die Emissionsrate verringert (HILLIGER 1991).

• Verdünnung oder effektive Verteilung der Stalluft durch Kontrolle der Ventilation:

Durch eine höhere Luftrate wird zwar der Staubgehalt der Stalluft verringert, aber durch verstärkte Tieraktivität bei lüftungsbedingt niedrigeren Stalltemperaturen und durch Luftturbulenzen kommt es zur Resuspension von abgesetztem Staub, so daß der Verdünnungseffekt wesentlich geringer ist als erwartet (HEBER et al. 1988; HILLIGER 1991; MAGHIRANG et al. 1995).

• Reinigung der Stalluft:

Zur Reinigung der Stalluft von Staub sind Technologien entwickelt worden, wie die trockene Filtration, die elektrostatische Präzipitation und der Einsatz biologischer Abluftreinigungsverfahren (Biofilter, Biowäscher).

Maßnahmen der Abluftverteilung gemäß den VDI-Richtlinien „Emissionsminderung Tierhaltung“ VDI-3471 für Schweine und VDI-3472 für Hühner können zur Minderung der Immission von Staub eingesetzt werden (HILLIGER 1991):

• Abluft frei und senkrecht nach oben

• Hoher Austrittspunkt der Luft gegenüber dem Bodenniveau

• Möglichst hohe Austrittsgeschwindigkeit der Luft aus dem senkrechten Schacht bzw.

den Schächten.

2.2.2. Keime

Der Begriff Luftkeime bezeichnet belebte Partikel im Sinne von Mikroorganismen (Bakterien, Pilze) und Viren in einer Größenordnung von 20 bis 300 nm (Viren) (KAADEN 1985) über 0,5 µm (einzelne Keime) bis hin zu 5 oder 10 µm (größere vegetative Formen) (CARPENTER 1986).

Viren und Bakterien bleiben in isolierter Form nur kurze Zeit in Luft überlebensfähig, sie sind meistens an Partikel gebunden, die größer sind als sie selbst (CARPENTER 1986) oder sie sind zu Clustern aggregiert (MÜLLER et al. 1977). Sie werden auch als Bioaerosol bezeichnet (HIRST 1995; SEEDORF et al. 1998). Pilz- und Bakteriensporen können in isolierter Form in Luft längere Zeit überleben (CARPENTER 1986). Viele Pilze wie Aspergillus, Penicillium und Cladosporium setzen ihre Sporen direkt in die Atmosphäre frei (NOBLE et al. 1963).

Der Begriff „koloniebildende Einheit“ (KbE) auf Nährböden steht demnach für einen im Kultivierungsverfahren sich vermehrenden Einzelkeim, Keimcluster oder Keim, der an andere Aerosolteilchen angelagert ist (MÜLLER et al. 1977).

Untersuchungen zur Überlebensfähigkeit luftgetragener oder an Trägerpartikel gebundener Mikroorganismen sind von vielen Autoren durchgeführt worden (AENGST u. HILLIGER 1987; DOSSOW u. MÜLLER 1988; WATHES 1988). Die Überlebenszeiten der Keime werden zu einem großen Teil von den Eigenschaften der Trägerpartikel wie Wassergehalt und chemische Zusammensetzung bestimmt (MÜLLER u. WIESER 1987). Besonders organischen Komponenten wie organischen Säuren und Phenolen wird eine bakterizide Wirksamkeit zugeschrieben (DOSSOW u. MÜLLER 1988). Auch das physikalische Schicksal der Keime nach Anlagerung wird allein durch das Verhalten der Trägerteilchen bestimmt (MÜLLER et al. 1977).

Luftkeime im Stall können einen negativen Einfluß auf die Atmungsorgane sowohl der im Stall arbeitenden Menschen als auch der aufgestallten Tiere haben, durch die Schwächung der Abwehrkraft kann jedoch letztlich der gesamte Organismus in Mitleidenschaft gezogen werden, so daß eine erhöhte Anfälligkeit gegenüber Erkrankungen der verschiedensten Art entstehen kann (HILLIGER u. MATTHES 1972), wie z.B. die Rhinitis atrophicans zeigt (BAEKBO 1990). Beim Menschen wurden folgende Beschwerden beobachtet: Rhinitis, Tracheitis, Bronchitis, Konjunktivitis, Kopfschmerzen, Muskelspannungen,

Gliederschmerzen und Temperaturerhöhungen bis 39,5°C. Auch Beeinträchtigungen der Gesundheit, des Allgemeinbefindens und der Leistungsfähigkeit eingestallter Tiere im Zusammenhang mit Luftkeimen werden in der Literatur mehrfach beschrieben. Schweine aus Ställen mit hoher Luftkeimzahl erzielten eine schlechtere Mastleistung und wiesen bei der Schlachtung häufiger Lungenentzündungen auf als Tiere aus Ställen mit niedrigem Luftkeimgehalt. Auch mit einer Keimbesiedlung der tierischen Produkte ist bei hohem Luftkeimgehalt in stärkerem Maß zu rechnen (HILLIGER u. MATTHES 1972).

2.2.2.1. Keimvorkommen und Zusammensetzung der Keimflora

Luftgetragene Mikroorganismen in Tierhaltungen werden von den Tieren, den Fäkalien (HARTUNG 1994), dem Futter (MÜLLER u. WIESER 1987) oder von der verwendeten Einstreu (HILLIGER u. MATTHES 1972) freigesetzt. Sie können auch durch Menschen oder Tiere in den Stall getragen werden (METHLING et al. 1981).

Folgende Faktoren nehmen auf die mikrobielle Kontamination der Stalluft Einfluß (METHLING et al. 1981):

• Aufstallungs- und Haltungsform (Einstreu - einstreulos, Einzelhaltung - Gruppenhaltung)

• Produktionsstufe (Altersstufe)

• Dauer des Produktionszyklus

• Produktionszyklogramm (Prinzip „Alles rein – alles raus“)

• Hygieneregime (Reinigungs- und Desinfektionsverfahren)

• Produktionsablauf (Arbeitsprozesse im Tagesverlauf)

• Staubgehalt der Stalluft

• Klimatische Bedingungen (Stallklima, Jahreszeit u.a.):

Durch jahreszeitlich bedingt unterschiedliche Ventilationsraten sind in der kalten Jahreszeit die höchsten Keimzahlen in der Stalluft zu finden (METHLING et al. 1981;

WIEGAND et al. 1993; PLATZ et al. 1995).

Tabelle 4 gibt eine Übersicht über das Spektrum der in Ställen vorkommenden Mikroorganismen, aufgegliedert nach Tierarten. Die Übergänge zu den pathogenen Erregern sind fließend, wiederholt sind z.B. Staphylococcus aureus, Salmonellen und enteropathogene E. coli-Stämme gefunden worden (MATTHES 1979).

Tab. 4: Vorkommen von Mikroorganismen in Ställen, unterteilt nach Tierarten (nach MATTHES 1979).

Schweine Geflügel Rinder

Staphylokokken X X X

Streptokokken X X X

aerobe Sporenbildner X X X

Corynebakterien X

E. coli X X

andere Enterobakterien X X

Streptomyceten X

Pseudomonaden X X X

Schimmelpilze X X X

Hefen X

anaerobe Sporenbildner X

Über 80 % der luftgetragenen Mikroorganismen sowohl in Rinder- als auch in Schweine- und Geflügelhaltungen sind Staphylokokken und Streptokokken. Pilze, Schimmelpilze und Hefen machen über 1 % aus, koliforme Bakterien ungefähr 0,5 % (HARTUNG 1994). Dieser hohe Anteil gram-positiver Bakterien läßt sich auf die durch deren robuste Zellwand bedingte Widerstandsfähigkeit gegen Umgebungsstreß zurückführen (SEEDORF et al.

1998).

ERWERTH et al. (1983) ermittelten eine Dynamik der Kontamination der Stalluft mit Mikrokokken / Staphylokokken über die Haltungsperiode mit einem Anstieg in den ersten 4 Haltungswochen und darauf folgendem Abfall auf ein relativ gleich bleibendes Niveau. Hier zeigte sich eine positive Korrelation mit der Morbiditätsrate an respiratorischen Erkrankungen, deren Anstieg als Reaktion der Tiere auf Umstallung, Zusammenstellung und hohe Tierkonzentration betrachtet wird. Da diese Kokken vorrangig im Nasen- Rachenraum lokalisiert sind und mit der Expiration in die Stalluft gelangen, geht hier die Primärkontamination der Stalluft vom Tier aus. Mit Zunahme der respiratorischen Erkrankungen wird durch häufiges Niesen und Husten die Ausscheidung erhöht und bei Zurückgehen der Erkrankungsrate sinkt deshalb auch die Keimzahl in der Luft ab, obwohl Größe und Masse der Tiere zugenommen haben. Die Kontamination der Stalluft mit koliformen Keimen dagegen verläuft sekundär. Koliforme Keime werden mit dem Kot

ausgeschieden und gelangen erst sekundär durch Antrocknung und Aufwirbelung in die Stalluft. Der hier systematisch verlaufende Anstieg der Kontamination ist an die Zunahme der Ausscheidung mit dem Wachstum der Tiere und an den ansteigenden Verschmutzungsgrad über die Haltungsperiode gebunden. Die Kontamination der Stalluft mit Pilzen dagegen geht kaum vom Tier aus, sondern ihre primäre Verbreitung erfolgt über Futter und Einstreu. Das erklärt ihr relativ konstantes Niveau über die einzelnen Haltungsdurchgänge.

In Tabelle 5 werden die im Stall gefundenen Schimmelpilze dargestellt. Am häufigsten wurden Aspergillus und Penicillium identifiziert (zusammen über 50 %), von beiden Gattungen sind Mycotoxin-produzierende Arten bekannt, die z. B. das als Karzinogen bekannte Aflatoxin produzieren (SAUTER et al. 1981)

Tab. 5: In Tierhaltungen identifizierte Schimmelpilzgattungen

SAUTER et al. (1981) HARTUNG (1994)

Aspergillus X X

Penicillium X X

Mucor X X

Alternaria X X

Fusarium X

Geotrichum X

Monilia X

Paecilomyces X

Scopulariopsis X X

Cladosporium X

Acremonium X

Trichothecium X

Monicillium X

2.2.2.2. Keimmessung

Es gibt vier wesentliche Methoden zur Erfassung von Keimen aus der Luft (HARTUNG 1979):

1. Sedimentation

Das Sedimentationsverfahren wurde erstmals von Koch im vorletzten Jahrhundert beschrieben. Dabei werden Agarplatten für unterschiedliche Zeiträume der Atmosphäre ausgesetzt und danach bei 22°C oder 37°C bebrütet. Es erfolgt dann die Auszählung der koloniebildenden Einheiten (KbE) und gegebenenfalls die Keimdifferenzierung. Das Verfahren läßt in Abhängigkeit von der Expositionszeit Rückschlüsse auf die ungefähre Dichte sedimentationsfähiger Bakterien in der Luft zu und gibt somit einen Überblick über deren Vorkommen, es kann zur Artenerfassung eingesetzt werden. Dabei kann keine volumenbezogene Konzentration angegeben werden (HARTUNG 1979; MÜLLER u. WIESER 1987).

2. Impaktion

Der partikeltragende Luftstrom wird mit hoher Geschwindigkeit über einem festen Nährboden parallel zu seiner Oberfläche umgeleitet, so daß keimhaltige Partikel infolge ihrer Trägheit die Richtungsänderung der Luft nicht mitmachen und auf das Nährmedium aufprallen (HARTUNG 1979).

Ein Impaktor besteht aus einer Düse und aus einer Impaktionsplatte, die bei Keimbestimmungen eine Agaroberfläche besitzt. Auch hier erfolgt nach Inkubation die Auszählung der Kolonien (MÜLLER u. WIESER 1987), deren Zahl dann in Beziehung zum Luftvolumen gesetzt werden kann (HARTUNG 1979).

Je nach Düsendurchmesser, -länge, -abstand zur Platte und Geschwindigkeit des Luftstroms gibt es verschiedene Impaktorstufen, durch die die Luftpartikel in verschiedene Größenordnungen klassifiziert werden.

Es gibt viele verschiedene Gerätetypen, einige verwenden rotierende Schlitze (Schlitzsammler), andere rotierende Impaktionsplatten.

Fehlerquellen sind Abprallen der Partikel von der Oberfläche oder Aufprallen und Anhaften an Seitenwänden oder anderen Teilen des Instruments zwischen den einzelnen Stufen (MÜLLER u. WIESER 1987).

3. Filtration

Bei der Filtration wird der bakterientragende Luftstrom meist durch spezielle Membranfilter oder lösliche Gelatinefilter gesaugt, die dann auf einem Nähragar eluiert und inokuliert sowie anschließend inkubiert werden. Fehlerquelle ist die möglicherweise erhöhte Absterberate der Bakterien durch den über sie ziehenden Luftstrom, der zur Austrocknung führen kann (MÜLLER u. WIESER 1987).

4. Impingement

Im Standard-Impinger (AGI-30) wird die keimhaltige Luft durch flüssige Medien geleitet, und belebte wie unbelebte Partikel bleiben infolge ihre Trägheit in der Flüssigkeit, z. B. Wasser, zurück. Um diesen Effekt zu zeigen, wird eine Art Gaswaschflasche benutzt, durch die die Probenluft gesaugt wird. Die Probenluft gelangt dabei über ein Glasrohr, das am unteren Ende zu einer Düse verjüngt ist, um hohe Austrittsgeschwindigkeiten der Probenluft und daraus entstehende Impaktionseffekte zu erreichen, in die Sammelflüssigkeit. Damit wird eine Desaggregation von Clustern erzielt, wodurch höhere Keimausbeuten bei der Kultivierung erreicht werden. Die Keimkonzentration wird durch anschließende Keimzahlbestimmung, bezogen auf das durchgeleitete Luftvolumen, ermittelt (HARTUNG 1979). Bei dieser Methode ist zudem der Probenentnahmestreß für die Bakterien geringer und somit werden mit dem Impingement i. d. R. die höchsten Keimzahlen ermittelt im Vergleich zu den anderen Methoden (MÜLLER u. WIESER 1987).

Da es zur Zeit weder eine generell akzeptierte Standardmethode zur Keimerfassung aus der Luft noch eine kontinuierlich und in Abwesenheit von Bedienungspersonal arbeitende Methode gibt, wurde ein automatischer Bioaerosolsammler (ABS) entwickelt, der bis zu 12 Proben sammeln kann (PAHL et al. 1997; SEEDORF et al. 1998).

2.2.2.3. Keimgehalt in Ställen

In Tabelle 6 wird ein Überblick über Luftkeimzahlen in Ställen, unterteilt nach Tierarten und Aufstallungsart, gegeben. Genau wie Staub treten auch luftgetragene Mikroorganismen in Schweine- und Geflügelhaltungen in höheren Konzentrationen auf als in Rinderställen (HARTUNG 1994).

Tab. 6: Luftkeimzahlen in Ställen

Tierart / Haltungsform

log KbE/m3 ( Pilze )

log KbE/m3 KbE/l Luft Autor

Schweine 3,7 5,1 SEEDORF et al. (1998)

Abferkelställe 10-2.100 METHLING et al. (1981)

Ferkel- und

Jungschweineställe 4-2.800 METHLING et al. (1981)

Mastställe 2-3.800 METHLING et al. (1981)

Geflügel

Bodenhaltung 1.227-10⁶ HILLIGER u. MATTHES

(1972); HARTUNG (1994)

Käfighaltung 360-5.860 HILLIGER u. MATTHES

(1972); HARTUNG (1994)

Broiler 4,0 6,43

850-7.700

SEEDORF et al. (1998) HARTUNG (1994);

SEEDORF et al. (1998)

Rinder 3,8 4,3

58-212

SEEDORF et al. (1998) HARTUNG (1994)

Kälber 3-650 ERWERTH et al. (1983)

Kühe 44-15.000 SEEDORF et al. (1998)

Im Rahmen eines multinationalen Projektes zur Erfassung von Konzentration und Emission von luftverschmutzenden Substanzen aus Tierhaltungen in Nordeuropa untersuchten SEEDORF et al. (1998) u. a. luftgetragene Mikroorganismen in 61 Stallgebäuden in 4 Ländern. Der dekadische Logarithmus der Konzentration der Gesamtkeimzahl und der Pilzkonzentration in Broiler-, Schweine- und Rinderhaltungen, angegeben als log KbE/m³ Luft, ist ebenfalls in Tabelle 6 wiedergegeben.

Zum Bakteriengehalt des Stallstaubes gibt es in der Literatur nur wenige Befunde. Tabelle 7 faßt Angaben über den Keimgehalt des Absetzstaubes in Schweine- und Geflügelhaltungen zusammen.

Tab. 7: Keimgehalt des Absetzstaubes in Ställen

Tierart KbE/g Staub Autor

Schweine 20,6-22 x 10⁶

41,1 x 10⁶

ACKEMANN(1980) AENGST(1984)

Geflügel 14,74-29,9 x 10⁷

2,1 x 10⁹

JELLEN (1984)

WIEGAND et al. (1993)

2.2.2.4. Keimemissionen aus Ställen

Tierställe sind wegen ihres hohen Luftkeimgehaltes eine wichtige Quelle von Mikroorganismen, die mit der Abluft in die Atmosphäre freigesetzt werden (MÜLLER u.

WIESER 1987). Es wird daher vermutet, daß der aerogene Bakterien- und Pilzgehalt in Gegenden mit hoher Nutztierdichte höher als in Gebieten mit wenig oder gar keiner Tierhaltung liegen müßte.

SEEDORF et al. (1998) berechneten im Rahmen des schon weiter oben genannten umfangreichen multinationalen Projektes aus der Ventilationsrate und der im Stall gemessenen Konzentrationen der Mikroorganismen die Emissionsraten von Bakterien und Pilzen. Bezogen auf 500 kg Lebendgewicht ergaben sich die höchsten Emissionsraten für die Gesamtkeimzahl und für Pilze in Broilerhaltungen mit 9,5 und 7,7 log KbE/h. Die höchste Emissionsrate für Enterobacteriaceae hatten Legehennenhaltungen mit 7,1 log KbE/h pro 500 kg.

In üblicher Außenluft liegt der Luftkeimgehalt meist zwischen 300 und 1000 KbE/m³. Der allgemeine Keimgehalt ist für die Ermittlung und Beurteilung von Keimemissionen aus Tierställen in der Außenluft jedoch wenig geeignet, da der Keimgehalt aus der Abluft sich außerhalb des Stalles durch Verdünnung und Absterben sehr rasch vermindert und gegenüber der ubiquitären Keimzahl kaum noch quantitativ unterschieden werden kann.

Sinnvoller ist es daher, Leit- oder Indikatorkeime zu suchen. Kultivierungsfähige Staphylokokken, Streptokokken und Colikeime, die in der Luft von Tierställen regelmäßig und in hoher Zahl vorkommen, jedoch nur geringfügig in der Atmosphäre, können hier als Leitkeime gelten (SARIKAS u. MATTHES 1976).

Um die weitere Verbreitung der Keime außerhalb der Stallgebäude voraussagen zu können, sind Kenntnisse der biologischen Halbwertzeit unter verschiedenen Umweltbedingungen unerläßlich (SEEDORF et al. 1998). Die Tenazität der Keime ist abhängig von der Temperatur und der relativen Feuchte der Luft, von der Lichteinwirkung, von der Verbindung mit schützenden Stoffen und von den Eigenheiten des Mikroorganismus. Die Schwankungsbreite ist hier sehr groß (HILLIGER u. MATTHES 1972).

Die Gewichtung der Einzelfaktoren hinsichtlich ihres Einflusses auf die Tenazität ist unter den komplexen Bedingungen des Außenklimas schwierig (PLATZ 1979). Entsprechend divergieren die Angaben in der Literatur.

Lokale Topographie, Wetter und Design und die Position der Abluftöffnungen haben wesentlichen Einfluß auf die mögliche Transmission von Keimen (SEEDORF et al. 1998).

Für die Sonneneinstrahlung konnte allgemein ein mit ihrer Intensität wachsender bakterizider Effekt nachgewiesen werden. Stärker als die Lufttemperatur beeinflußt die relative Luftfeuchte das Überleben (HILLIGER 1991). Die Absterberate luftgetragener Keime wächst mit abnehmender Feuchte oder steigender Temperatur (GRÖNING 1980;

AENGST u. HILLIGER 1987). Je höher die Abluftöffnungen am Stallgebäude sind, desto weiter liegt das Maximum der in Bodennähe gemessenen Keimkonzentration in der Stallumgebung von der Emissionsquelle entfernt und desto größer ist die Verfrachtungsentfernung (MÜLLER et al. 1978).

Der Absterbeprozeß luftgetragener Keime folgt einem logarithmischen Verlauf. Bakterien erfahren im Aerosolzustand eine Veränderung in der Weise, daß ihre Hüllen instabil werden (GRÖNING 1980). Die Unterschiede in den Überlebenszeiten zwischen grampositiven und gramnegativen Bakterien sind groß, bei grampositiven Kokken lassen sich Halbwertzeiten von 2 bis 25 h, bei Salmonellen von 6 min bis 6 h ermitteln (HILLIGER 1991).

Resistenzplasmide-tragende Bakterien, vor allem Enterobacteriaceae, übertragen sowohl in Flüssigmist als auch im Abwasser ihre Resistenzgene auf andere Bakterien der gleichen Art (WILLINGER et al. 1988). Aufgrund verstärkt aufgetretener Resistenzen der aus Ställen emittierten Bakterien muß die Möglichkeit einer Plasmid-induzierten Resistenzübertragung auch über die Luft bedacht werden (PLATZ et al. 1995).

Stallspezifische Keime sind noch bis zu mehreren hundert Metern Entfernung von Stallanlagen nachweisbar (HILLIGER u. MATTHES 1972; PETKOV u. TSUTSUMANSKI 1975; SARIKAS u. MATTHES 1976; PLATZ 1979; MÜLLER et al. 1980; PLATZ et al. 1995).

Die derzeitigen Kenntnisse über das Verhalten und die Verteilung von Pilzen aus Ställen

sind noch unbefriedigend. Möglicherweise werden Pilze weiträumiger als Bakterien in der Stallumgebung verteilt (HILLIGER 1991). Auch SEEDORF und HARTUNG (2002) gehen davon aus, daß freigesetzte Sporen aufgrund ihrer geringen Größe große Distanzen in der Umwelt überbrücken können, bevor sie als Immissionen wahrgenommen werden.

Experimentell gewonnene Kenntnisse ergeben für luftgetragene Viren eine relativ rasche Inaktivierung und eine nur begrenzte Ausbreitung. Diesen Erkenntnissen stehen epidemiologische und molekularbiologische Feldbefunde entgegen, nach denen zum Beispiel für das MKS-Virus und für das Aujeszky-Virus unter günstigen Bedingungen eine weiträumige Verfrachtung und eine aerogene Infektionsverschleppung über Land von 1 bis 9 km und über See bis 40 km möglich und wahrscheinlich erscheint (HILLIGER 1991).

CHRISTENSEN et al. (1990) und CHRISTENSEN et al. (1993) nehmen sogar windgetragene Ausbreitungen des Aujeszky-Erregers über Distanzen bis möglicherweise 80 km an.

2.2.2.5. Keimmindernde Maßnahmen

Durch staubmindernde Maßnahmen im Stall wird stets auch eine Keimminderung erreicht (HILLIGER 1991) (siehe Kap. 2.2.1.6. Staubmindernde Maßnahmen). Zusätzlich große Bedeutung für die Keimminderung hat die Desinfektion, durch die besonders zwischen den einzelnen Haltungsdurchgängen die mikrobielle Kontamination der Ställe stark reduziert werden kann (ERWERTH et al. 1983).

Die Verweildauer von Mikroorganismen in der Luft, also ihre „physikalische“ Lebenszeit, ist mit durchschnittlich 15 Minuten wesentlich geringer als ihre „biologische“ Lebenszeit. Das bedeutet, daß ihre Beseitigung aus Tierställen über das Ventilationssystem wesentlich effektiver ist als durch biologische Verfallprozesse (MÜLLER u. WIESER 1987).

Die Begrünung von Ställen kann zur Verminderung der Partikelausbreitung beitragen. Um die Gebäude stehende Hecken, Büsche und Bäume dienen als natürliche Filter, die einen Teil der Partikel zurückhalten (PLATZ 1979). Dies trifft besonders für frei gelüftete Ställe mit Fensterlüftung zu. Ein Nachteil kann allerdings darin bestehen, daß die natürliche Ventilation durch zu dichte Hecken gemindert wird. Außerdem kann bei zu starker Verschattung der bakterizide Effekt des UV-Anteils im Sonnenlicht reduziert werden (HILLIGER 1991).

2.2.3. Endotoxine

Endotoxine sind Bestandteile der Zellwand gram-negativer Bakterien (Lipopolysaccharide), die allergische und immunologische Reaktionen beim Menschen verursachen (HARTUNG 1994). Sie werden beim Absterben der Bakterien freigesetzt (SEEDORF et al. 1998).

Bereits kleinste Mengen reichen aus, um bei empfindlichen Personen einen Antikörperanstieg zu bewirken (HARTUNG 1994).

Die Rolle von Endotoxinen bei Atemwegserkrankungen der Tiere ist bisher nicht ausreichend erforscht. Beim Menschen kann sowohl chronischer Kontakt als auch kurzfristige Exposition zu klinischen Erscheinungen im Respirationstrakt führen (NOWAK et al. 1994).

Tabelle 8 faßt durchschnittliche Endotoxinkonzentrationen in Ställen, unterteilt nach Tierarten und Haltungssystemen, zusammen.

Tab. 8: Endotoxinkonzentrationen in Ställen

Tierart / Haltungsform

einatembare Endotoxine (µg/m³)

alveolengängige Endotoxine (ng/m³)

Autor

Geflügel 0,14

0,34-0,86 30-72

WIEGAND et al. (1993) SEEDORF et al. (1998)

Käfighaltung 0,1 4 WATHES et al. (1997)

Bodenhaltung 0,17 16 WATHES et al. (1997)

Broiler 0,1 4 WATHES et al. (1997)

Schweine 0,03

3,04

0,05-0,19 7-19

CROOK et al. (1993) HARTUNG (1994) SEEDORF et al. (1998)

Rinder 0,01-0,06 0,6-7 SEEDORF et al. (1998)

Weder WIEGAND et al. (1993) noch SEEDORF et al. (1998) konnten eine Korrelation zwischen der Konzentration von luftgetragenem Endotoxin und gramnegativen Bakterien feststellen. Dies steht im Widerspruch zu bisherigen Erkenntnissen, nach denen sich die Endotoxine gleichsinnig zur Konzentration der gramnegativen Bakterien verhalten. Hier scheint eine gewisse Anreicherung der Endotoxine im Stallstaub möglich, da auch nach

jahrelanger Lagerung der Endotoxingehalt von Staub nicht abnimmt (WIEGAND et al.

1993).

Tabelle 9 gibt die von SEEDORF et al. (1998) ermittelten Emissionsraten von Endotoxin aus Ställen an. Ob die ermittelten Emissionen eine Gefahr für die menschliche Gesundheit infolge von Immissionen darstellen können, ist nicht klar. Hier sind weitere Langzeitmessungen unter verschiedenen Wetterbedingungen und von verschiedenen Emissionsquellen erforderlich, um Aussagen über ein eventuelles Risiko durch Endotoxine aus Tierhaltungen machen zu können (SEEDORF et al. 1998).

Tab. 9: Emissionsraten von Endotoxin aus Ställen, bezogen auf 500 kg Lebendgewicht (SEEDORF et al. 1998)

Tierart einatembare

Endotoxine (µg/h)

alveolengängige Endotoxine (µg/h)

Geflügel / Broiler 817 47

Schweine 37-67 4-9

Rinder 3-21 0,3-3

2.3. Zusammenhang zwischen Geruchs- und Partikelemission

Über die Rolle von Staub bei der Wahrnehmung von Gerüchen weiß man noch sehr wenig (O’NEILL u. PHILLIPS 1992). Staubpartikel können als Träger für spezifische Geruchsstoffe dienen (HARTUNG u. ROKICKI 1984; HARTUNG 1986; RITTER 1989; WATHES et al.

1997), wobei hauptsächlich Partikel mit einem Durchmesser von 5 bis 20 µm für die Eigenschaft von Staub als Geruchsträger verantwortlich sind (CARPENTER 1986; HEBER et al. 1988 a).

HARTUNG (1986) gibt einen Überblick über flüchtige Komponenten und Spurengase, die in Staub aus Schweineställen identifiziert worden sind. Sie lassen sich in Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Phenole, Indole, Aldehyde, Ketone, Säuren und verschiedene Substanzen unterteilen. Die in der Aerosolphase und im Absetzstaub von Schweinehaltungen identifizierten flüchtigen Fettsäuren, Phenole und Indole, die hauptsächlich für den