Emission von Bioaerosolen aus Tierhaltungsanlagen: Methoden und Ergebnisse verfügbarer Bioaerosoluntersuchungen in und um landwirtschaftliche Nutztierhaltung

Der vorliegende Bericht sichtet die weltweit verfügbare Literatur zu Methoden und Ergebnissen von Bioaerosoluntersuchungen in und um Landwirtschaftliche Nutztierhaltung und fasst die wichtigsten Punkte zusammen. Der weltweite Trend der Industrialisierung der Tierproduktion mit regionaler Konzentrierung von Betrieben sowie steigenden Tierzahlen und Besatzdichten führt zu einem Anstieg der Bioaerosolemissionen. Wesentliche Quellen der Bioaerosole sind vor allem die Mikroorganismen auf den Tieren, in ihren Fäkalien, in der Einstreu und im Futter. Werden sie aufgewirbelt emittieren sie mit der Abluft aus den Ställen heraus auch in die Umwelt. Daher wächst die Besorgnis über eine gesundheitliche Beeinträchtigung der Bevölkerung im Umfeld von großen Tierhaltungsanlagen. In der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung sind weltweit hunderte verschiedener Viren-, Bakterien- und Schimmelpilzarten nachgewiesen worden, wobei Vertreter der Bakteriengruppe Staphylococcaceae besonders häufig in großer Zahl gefunden wurden. Diese Gruppe scheint somit als spezifischer Leitparameter für Bioaerosole aus der Tierhaltung geeignet. Bioaerosole können Online mit Partikelspektrometern und Offline mit klassischen Methoden gemessen werden, d. h. Probenahme vor Ort mit anschließender Auswertung über kulturbasierte oder molekularbiologische Methoden im Labor. Aufgrund des komplexen Aufbaus von Bioaerosolpartikeln in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung sind Partikelspektrometer nur bedingt zu deren Klassifizierung einsetzbar. Die klassischen Nachweisverfahren sind vor allem zur Detektion von Mikroorganismen besser geeignet. Dabei sollte die Probenahme aufgrund einer Vielzahl unterschiedlicher Sammelverfahren möglichst mit standardisierten Systemen durchgeführt werden, um eine Vergleichbarkeit der Daten zu gewährleisten. Die Systeme sollten zudem eine möglichst hohe physikalische und biologische Sammeleffizienz haben. Die Auswahl eines geeigneten Sammelsystems sollte primär abhängig von der Fragestellung erfolgen. Nach der Sammlung der Bioaerosole erfolgt die Auswertung der Proben meist über Kultivierung von Mikroorganismen und/oder verschiedene biochemische und molekularbiologische Tests. Besonders letztere erlauben, vor allem in Kombination mit kulturbasierten Verfahren, einen detaillierten Einblick in die Zusammensetzung von Bioaerosolen. Hier ist jedoch noch eine weitere Standardisierung der für Bioaerosole geeigneten Methoden notwendig. Endotoxine als Bestandteile von Bioaerosolen werden überwiegend mit dem LAL-Test nachgewiesen, der jedoch relativ störanfällig ist. Die meisten Daten zu Bioaerosolmessungen in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung stehen aus den USA und Deutschland zur Verfügung. Hier wurden in den Ställen von Schweinen, Rindern und Hühnern vor allem die Konzentrationen von Bakterien, Schimmelpilzen und Endotoxinen gemessen. Bei relativ großen Schwankungsbreiten der Ergebnisse bei allen Tierarten wurden die höchsten Konzentrationen luftgetragener Bakterien in Haltungssystemen für Hühner gefunden, gefolgt von Puten, Enten, Schafen, Ziegen, Schweine, Rinder, Pferde und Kaninchen, wobei die verschiedenen Haltungsverfahren und Produktionsstadien einen deutlichen Einfluss auf die Höhe der Konzentrationen haben. Auch publizierte Emissionsfaktoren für luftgetragene Mikroorganismen unterscheiden sich für dieselbe Tierart und Haltungsform teilweise erheblich, hervorgerufen auch durch unterschiedliche Probenahmebedingungen, Sammelmethoden und verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen. Bioaerosole wurden bisher ausschließlich Tagsüber gemessen. In den Tierställen können die Konzentrationsunterschiede luftgetragener Bakterien zwischen Tag und Nacht jedoch erheblich sein. Emissionsfaktoren können sich sogar um bis zu 3 Zehnerpotenzen unterscheiden, abhängig von der Tierart. Dies sollte in Zukunft z. B. bei der Berechnung von Jahresmittelwerten berücksichtigt werden. Bei der Transmission, also dem Transport der Bioaerosole über die Luft, sind die Mikroorganismen weitgehend ungeschützt Wind und Wetter ausgesetzt. Wie weit sie getragen werden, ist neben den meteorologischen Bedingungen primär von zwei Parametern abhängig: Die Tenazität, also die Fähigkeit den luftgetragenen Zustand zu Überleben und dem aerodynamischen Durchmesser der Bioaerosolpartikel, der z. B. bestimmt wie schnell diese sedimentieren. Wie lange Mikroorganismen in der Luft lebensfähig bleiben ist wiederum von vielen Faktoren abhängig und nur unzureichend untersucht, letzteres vor allem aufgrund der bisher eingesetzten und nur bedingt geeigneten Testsysteme. Bezüglich der Partikelgröße werden in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung die meisten luftgetragenen Mikroorganismen in deutlich größeren Partikelfraktionen gefunden, als es die Größe der Einzelzellen der Organismen vermuten lässt. Dabei sind 30 % bis 70 % der Bakterien auf Partikeln > 10 μm zu finden, wobei die Verteilung der verschiedenen Bioaerosolbestandteile sehr unterschiedlich sein kann. Auch korreliert die Größenverteilung der Mikroorganismen nicht unbedingt mit der Größenverteilung von Staubpartikeln. Die Konzentrationen von Bioaerosolen in der Immission fallen exponentiell mit der Entfernung zur Emissionsquelle ab. Dies ist primär abhängig von der Partikelgröße und meteorologischen Bedingungen. Anstelle aufwändiger Messungen kann die Ausbreitung von Bioaerosolen auch mit Computermodellen simuliert werden. Bisher überschätzen die Modelle die tatsächlichen Immissionen jedoch meist um ein Vielfaches, da Nachtabsenkung, Partikelgrößenverteilungen und Absterberaten der Mikroorganismen nicht berücksichtigt werden. [...]