Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10419/213022
Authors: 
Clauß, Marcus
Year of Publication: 
2020
Series/Report no.: 
Thünen Working Paper 138
Abstract: 
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. [...]
Abstract (Translated): 
The present report reviews literature from throughout the world on methods and results of bioaerosol investigations in and around agricultural livestock farming and summarises the most important points. The global trend towards intensification and industrialisation of animal production, with regional concentration of livestock facilities and increasing numbers of animals and greater stock densities, has led to an increase in bioaerosol emissions to the environment in certain areas and to increasing concern about health impairment of the population in the vicinity. The main sources of the bioaerosols are the animals and their faeces, the litter and feed. If the particles become airborne, they can be emitted from the stables into the environment. Hundreds of different viruses, bacteria and moulds have been detected in agricultural livestock farming worldwide. The bacterial group of the Staphylococcaceae appears to be most suitable for animal husbandry as a specific indicator or guiding parameter. Bioaerosols can be measured online with particle spectrometers and offline using classical methods, i.e. sampling on site with subsequent evaluation by means of culture-based or molecular biological methods in the laboratory. The classical detection methods are best suited to the complexity of bioaerosols in agricultural livestock farming. The sampling of bioaerosols should be carried out as far as possible using standardised systems that have high physical and biological collection efficiency, in order to ensure comparability of the data. The selection of a suitable collection system should primarily depend on the issue in question. After the bioaerosols have been collected in a sample, evaluation is usually carried out via cultivation and / or various biochemical and molecular biological methods. Especially the latter, in combination with the classical culture-based methods, enable a detailed insight into the composition of bioaerosols. However, further standardisation of the methods for bioaerosols is necessary here. Endotoxins, on the other hand, are predominantly detected using the LAL test, although this test remains relatively susceptible to disturbances. Most data on bioaerosol measurements in agricultural livestock farming available for this review are from the USA and Germany. Here, the concentrations of bacteria, moulds and endotoxins were measured in the stalls of pigs, cattle and chickens. The highest concentrations of airborne bacteria were found in stalls for chickens, followed by turkeys, ducks, sheep, goats, pigs, cattle, horses and rabbits, with the different husbandry and production stages having a significant influence. Emission factors published for airborne microorganisms also differ in part considerably depending on the animal species and the type of keeping, also as a result of different sampling conditions, collection methods and different methods for determination of the concentrations. The concentrations of the airborne bacteria in livestock during the day and night can deviate by a factor of ten. The deviation may further increase by a factor of 1000 if emission factors are calculated on the basis of the specific volumetric flow rates. This must be taken into account in the calculation of annual average values of emission factors. During transportation, i.e. the transport of bioaerosols via the air, the microorganisms are largely exposed to wind and weather. The extent to which they are carried is primarily dependent on two parameters: the tenacity, i.e. the ability to survive the airborne condition, and the size and composition of the bioaerosol particles, i.e. how quickly they sediment. How long microorganisms are viable in the air is dependent on very many factors and, due to the relatively unsuitable test systems used in the past, this aspect has not been studied sufficiently. Regarding particle size, most of the airborne microorganisms found in livestock farming have a significantly larger particle size or mass fraction than would be expected from the size of the individual cells of the organisms. 30% to 70% of the bacteria can be found in mass fractions larger than PM10, whereby the distribution of the different bioaerosol components can vary considerably and is not uniformly correlated with the distribution of the dust fractions. The immission concentrations of bioaerosols exponentially decrease with the distance from the emission source, mainly depending on the particle size and meteorological conditions. Instead of carrying out complex measurements, the spread of bioaerosols can also be simulated with computer models. Up to now, however, these models have often overestimated the emissions, since night reduction, particle size distributions and death rates of the microorganisms are still not taken into account. [...]
Subjects: 
Bioaerosole
Landwirtschaft
Nutztierhaltung
Emissionen
Literaturübersicht
Methoden
Bioaerosols
agriculture
animal husbandry
emissions
review
methods
Persistent Identifier of the first edition: 
Document Type: 
Working Paper

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