ID 9532
Schneider, Carmen: Messen und Modellieren von Partikelemissionen aus der Tierhaltung
Druck Diplomica GmbH, Hamburg, 2006
Zugl.: Fachhochschule Wiesbaden, Diplomarbeit, 2006
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Diplomica GmbH
http://www.diplom.de, Hamburg 2006
Printed in Germany
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich bei allen bedanken, die zum Gelingen dieser Arbeit
beigetragen haben.
Mein Dank gilt an erster Stelle Herrn Dr. F. Schneider für die Überlassung des interessanten
Themas und für die Freiheit bei der Gestaltung der Arbeit. Insbesondere danke ich Herrn
Schneider für die zahlreichen wertvollen Diskussionen und Anregungen und die jederzeit
vorhandene Gesprächsbereitschaft.
Danken möchte ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Franjo Sabo, für die Betreuung meiner Arbeit seitens
der Fachhochschule Wiesbaden.
Bedanken möchte ich mich bei Robert Eichelser und Wolfram Bonkoss für die Planung und
Fertigung der Messbox, Kalibrierung der Messgeräte und Unterstützung bei den eigenen
Messungen.
Ulrich Egger von der Land- und forstwirtschaftliche Berufsgenossenschaft
Niederbayern/Oberpfalz und Schwaben möchte ich für sein Engagement bei der Information der
teilnehmenden Landwirte über den Ablauf und die Ziele des Messprogramms und bei dessen
Durchführung danken.
Bedanken möchte ich mich auch bei Eunice Kränsel vom ILT 2c - Landwirtschaftliches
Bauwesen, die mir mit dem Zeichnen der Grundrisse der beteiligten Betriebe sehr geholfen hat.
Meinen Brüdern Tobias und Klaus Schneider möchte ich für die Mithilfe bei der Korrektur dieser
Arbeit danken. Wann immer ich Rat brauchte, konnte ich mich auf Ihre Hilfe verlassen.
Inhaltsverzeichnis
_______________________________________________________________________
I
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
... III
Abbildungsverzeichnis
... V
Tabellenverzeichnis
... VI
1 Einleitung
...7
1.1 Das Verbundprojekt... 7
1.2 Umfang und Ziel der Diplomarbeit ... 7
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
...9
2.1 Aerosolpartikel und ihre Eigenschaften... 9
2.2 Partikelgröße und -entstehung... 12
2.3 Aerosolpartikel und ihre epidemiologische Bedeutung ... 14
2.4 Gesetzliche Rahmenbedingungen ... 19
2.4.1 TA-Luft ... 19
2.4.2 BioStoffV... 22
2.4.3 MAK-Werte ... 22
2.5 Emissionsminderungsmaßnahmen ... 24
3 Material und Methoden
...26
3.1 Die Betriebe ... 26
3.2 Messablauf und Aufbau der Messbox ... 27
3.3 Partikelgrößenverteilung u. Anzahlkonzentration durch Streulichtphotometrie... 28
4 Datenauswertung und Ergebnisse
...30
4.1 Partikelanzahl und Größenverteilungen... 30
4.2 Mittlere Partikelanzahlkonzentration ... 36
4.3 Parametrisierung der Partikelgrößenverteilung ... 39
5 Diskussion
...41
5.1 Methodendiskussion ... 41
5.2 Ergebnisdiskussion... 42
6 Vogelgrippe hoch pathogene Form der aviären Influenza
...45
6.1 Was ist H5N1? ... 45
6.2 Übertragung, Verbreitung und Ansteckung... 46
6.3 Rolle der Tierhaltung... 48
6.4 Gefährdungsbeurteilung... 49
6.5 Wie können sich Landwirte und Tierhalter schützen? ... 49
7 Zusammenfassung
...52
8 Quellenverzeichnis
...55
8.1 Literatur ... 55
8.2 Internet... 57
Inhaltsverzeichnis
_______________________________________________________________________
II
9 Anhang
...59
9.1 Informationen zu den Betrieben... 59
9.2 Daten zur Box-Plot-Darstellung... 68
9.3 Grafiken zur Anzahlkonzentration ... 69
9.4 Daten der Temperatur-, Feuchte- und Windgeschwindigkeitsmessungen ... 82
9.5 Prozentuale Angaben der ,,kleinen" Partikel und ,,großen" Partikel... 95
9.6 Grafiken der gemessenen und parametrisierten Partikelgrößenverteilungen... 96
Abkürzungsverzeichnis
_______________________________________________________________________
III
Abkürzungsverzeichnis
ABAS
Ausschuss für biologische Arbeitsstoffe
ARh
Allergische
Rhinitis
BA
Berufsbezogenes
Asthma
BHR
Bronchiale
Hyperreagibilität
BIA
Berufsgenossenschaftliches
Institut für Arbeitssicherheit
BImSchG Bundesimmissionsschutzgesetz
BioStoffV Biostoffverordnung
BK
Berufskrankheit
D
i
Medianpartikeldurchmesser
CEN
Europäisches Komitee für Normung
CH
4
Methan
CO
2
Kohlenstoffdioxid
COPD
Chronic Obstructive Pulmonary Disease
EAA
Exogen allergische Alveolitis
EN
Europäische
Norm
EG
Europäische
Gemeinschaft
EU
Endotoxin
Unit
FLI
Friedrich Löffler Institut
GPC
Gas to particle conversion
GV
Großvieh-Einheit
H Hämagglutinin
H
2
S
Schwefelwasserstoff
ha
Hektar
ILT
Institut für Landtechnik, Bauwesen und Umwelttechnik
ISO
International Standard Organisation
IVU
Richtlinie: Integrierte Vermeidung und Verminderung der
Umweltverschmutzung
kB
Kilobyte
KRdL
Kommission Reinhaltung der Luft
LfL
Landesanstalt für Landwirtschaft
LH
Legehennen
LMU
Ludwig-Maximilian-Universität
MAK
Maximale
Arbeitsplatz-Konzentration
MB
Mastbullen
MS
Mastschweine
MP
Mastputen
MV
Milchvieh
N Neuraminidase
N
2
O
Distickstoffoxid
(Lachgas)
Abkürzungsverzeichnis
_______________________________________________________________________
IV
NH
3
Ammoniak
N
i
Gesamtpartikelkonzentration
nm
Nanometer
O
2
Sauerstoff
ODTS
Organic dust toxic syndrome
PAK
polycyclischer
aromatischer Kohlenwasserstoff
PM
particulate
matter
ppm
parts per million
PTFE
Polytetrafluorethylen
RNA
Ribonucleinacid
TA-Luft
Technische Anleitung Luft
TMR
Totale
Mischration
TRBA
Technische Regeln für biologische Arbeitsstoffe
VDI
Verein
Deutscher
Ingenieure
WHO
World Health Organisation, Weltgesundheitsorganisation
µm
Mikrometer
i
geometrische Standardabweichung
Abbildungsverzeichnis
_______________________________________________________________________
V
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1:
Prozesse, zusammen mit den drei Modi in denen hohe Aerosolkonzentrationen häufig
beobachtet werden, Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998. ... 13
Abbildung 2:
Eindringtiefen der Partikel in den Atemtrakt, Quelle: www3.stzh.ch, 2005. ... 14
Abbildung 3:
Methoden zur Minderung der Staubbelastung, Quelle: Peterson
.
... 24
Abbildung 4:
Standorte der zwölf Betriebe in Bayern, Quelle: Lfl ... 26
Abbildung 5:
Messbox mit Streulichtphotometer, Ammoniakmessgerät, Datalogger und Klimaanlage. .. 27
Abbildung 6:
Probenahmesonde, Sonde für T, rF und v und weiteres Staubmessgerät
.
... 27
Abbildung 7:
Messprinzip eines Aerosolspektrometers, Quelle: Grimm Aerosol Technik
.
... 28
Abbildung 8:
,,Box-Plots" (Minimalwert, Maximalwert, 25 %-Quantil, 75 %-Quantil, Median und
arithmetisches Mittel
) der Partikelanzahl im Größenbereich 0,3 µm < D < 1,0 µm (obere Reihe) und
1,0 µm < D < 20 µm (untere Reihe) für drei Mastschweinebetriebe und einen Mastbullenbetrieb... 31
Abbildung 9:
,,Box-Plots" (Minimalwert, Maximalwert, 25 %-Quantil, 75 %-Quantil, Median und
arithmetisches Mittel
) der Partikelanzahl im Größenbereich 0,3 µm < D < 1,0 µm (obere Reihe) und
1,0 µm < D < 20 µm (untere Reihe) der Milchviehbetriebe. ... 33
Abbildung 10:
,,Box-Plots" (Minimalwert, Maximalwert, 25 %-Quantil, 75 %-Quantil, Median und
arithmetisches Mittel
) der Partikelanzahl im Größenbereich 0,3 µm < D < 1,0 µm (obere Reihe) und
1,0 µm < D < 20 µm (untere Reihe) für drei Legehennenbetriebe und einen Mastputenbetrieb. ... 34
Abbildung 11:
Möglichkeiten d. Entstehung eines Pandemie-Virus, Quelle: Der Stern, 2005
.
... 45
Tabellenverzeichnis
_______________________________________________________________________
VI
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1:
Genehmigungsrelevante Anlagenkapazitäten ... 19
Tabelle 2:
Mittlere Partikelanzahlkonzentrationen n(D) von drei Mastschweinebetrieben und einem
Mastbullenbetrieb gemittelt über Sommer-, Winter- und Frühjahrswerte dargestellt in 14
Größenkanälen (fett: mittlere Gesamtpartikelkonzentration
n(D) im Größenbereich
0,3 µm < D < 20 µm)... 36
Tabelle 3:
Mittlere Partikelanzahlkonzentrationen n(D) von vier Milchviehbetrieben gemittelt über
Sommer-, Winter- und Frühjahrswerte dargestellt in 14 Größenkanälen (fett: mittlere
Gesamtpartikelkonzentration n(D) im Größenbereich 0,3 µm < D < 20 µm)... 37
Tabelle 4:
Mittlere Partikelanzahlkonzentrationen n(D) von drei Legehennenbetrieben und einem
Mastputenbetrieb gemittelt über Sommer-, Winter- und Frühjahrswerte dargestellt in 14
Größenkanälen (fett: mittlere Gesamtpartikelkonzentration
n(D) im Größenbereich
0,3 µm < D < 20 µm)... 38
Tabelle 5:
Ergebnisse der Parametrisierung des Akkumulations-Modes (N
1
, D
1
und
g,1
) und des
Grobpartikel-Modes (N
2
, D
2
und
g,2
) für zwölf gemessene Partikelgrößenverteilungen der
Pilotbetriebe... 39
Tabelle 6:
Abhängigkeiten der Größenkanäle von Abweichungen vom Mittelwert... 40
Tabelle 7:
Zusammenstellung möglicher Einflussgrößen auf die mittlere Partikelanzahl N ... 42
Tabelle 8:
Erklärung der verwendeten Farben und des Symbols in den Grundrissen... 59
1 Einleitung
_______________________________________________________________________
7
1 Einleitung
1.1 Das Verbundprojekt
Das Institut für Landtechnik, Bauwesen und Umwelttechnik (ILT) der Bayrischen Landesanstalt
für Landwirtschaft koordiniert ein Verbundprojekt, in dem Tierhaltungsverfahren hinsichtlich des
Tierschutzes, der Umweltverträglichkeit und der Wettbewerbsfähigkeit analysiert und
Erkenntnisse zu deren Verbesserung gewonnen werden.
In dem Verbundprojekt werden aktuelle Stallgebäudelösungen und Verfahren für die
landwirtschaftliche Nutztierhaltung untersucht, der Wissensstand zusammengetragen und
daraus beispielhafte Stallsysteme entwickelt. Wesentliche Grundlage des Verbundprojektes
bilden sogenannte landwirtschaftliche Pilotbetriebe, für die unter Einbeziehung der örtlichen
Beratung eine koordinierte wissenschaftliche Begleitforschung in den Jahren 2003 bis 2005
erfolgt.
Im Projekt ,,beispielhafte artgerechte Tierhaltung" wurden in zwölf ausgewählten Ställen, die
sich über ganz Bayern verteilen, Messungen bezüglich Aerosolpartikel, Ammoniakgehalt und
Endotoxingehalt durchgeführt. Die Untersuchungen in den verschiedenen Ställen erfolgten im
Sommer 2004, im Winter 2004/2005 und Frühjahr 2005. Sie wurden in Zusammenarbeit mit der
Land- und forstwirtschaftlichen Berufsgenossenschaft Niederbayern/Oberpfalz und Schwaben
und dem Institut für Arbeits- und Umweltmedizin der LMU in München durchgeführt. In diesem
Projekt sollen Fragen der Arbeitsmedizin und der Tierhygiene mit Aspekten der Umweltwirkung
verknüpft werden.
Ziel des Vorhabens ist die Erarbeitung langfristig tragfähiger Konzepte zur Umsetzung des
geltenden europäischen und deutschen Rechts im Spannungsfeld artgerechter, innovativer
Tierhaltungsverfahren und Immissionsschutz. Grundlage hierzu ist die umfassende
Quantifizierung belastbarer Emissionsdaten für die Gase NH
3
, CH
4
, N
2
O, CO
2
, Geruch und
Staub sowie die Quantifizierung der Immissionen von Ammoniak, Geruch und Staub für
unterschiedliche Tierarten und Haltungssysteme.
1.2 Umfang und Ziel der Diplomarbeit
Die landwirtschaftliche Tierhaltung wird in zunehmendem Maß als Quelle von klimarelevanten
und ökologisch bedeutsamen Emissionen erkannt. Diese Emissionen entstehen während des
gesamten Prozesses beginnend mit der Futterproduktion über die eigentliche Tierhaltung bis
hin zur Verwertung von Gülle und Festmist als Wirtschaftsdünger. In dieser Diplomarbeit
werden ausschließlich luftgetragene Emissionen behandelt, die unmittelbar durch die
Tierhaltung bedingt sind. Die Emissionen entstehen durch die Tiere selbst, die Fütterung und
das Haltungssystem und können in drei Gruppen eingeteilt werden.
Schauberger (1999)
teilt
diese Emissionen wie folgt ein: Eine Gruppe bilden klimarelevante Gase, zu denen CO
2
, CH
4
und N
2
O gehören. Sie sind im Hinblick auf die globale Erwärmung von Bedeutung.
1 Einleitung
_______________________________________________________________________
8
Als zweite Gruppe sind die ökologisch relevanten Emissionen zu nennen. Hier spielt Ammoniak,
der zu 51 % aus der landwirtschaftlichen Tierhaltung stammt, eine große Rolle. Die dritte
Gruppe von Emissionen ist im Nahbereich des Emittenten von Bedeutung. Darunter fallen
Geruch, Keime und Staub
.
In dieser Arbeit werden Staub bzw. Partikelemissionen aus der Tierhaltung näher untersucht.
Bei den verschiedenen Arbeitsabläufen und Prozessen in der Landwirtschaft und Tierhaltung
wird Staub gebildet und freigesetzt. Staub beeinflusst die Tiergesundheit, die Qualität des
Arbeitsplatzes, wirkt auf die Gesundheit des Menschen und die Umwelt. Daher ist von Interesse
warum und wie viel Staubpartikel entstehen. Wesentliche Parameter für die Partikelbildung und
Partikelfreisetzung bei der Tierhaltung sind: Haltungssysteme, Arbeitsabläufe, Fütterung,
Lüftung, Stallklima, Tierart sowie Anzahl und Alter der Tiere.
Aus dem Verbundprojekt liegen für zwölf Ställe mit unterschiedlichen Haltungsverfahren
(Schweinemast, Mastbullen, Milchvieh, Legehennen und Mastputen) detaillierte
Staubmessungen vor.
Für die Emissionsmessungen wurden im Rahmen des Verbundprojektes zwei Messkonzepte
kombiniert. Zum einen wurde in den Ställen mit einer hohen zeitlichen Auflösung von einer
Minute kontinuierlich über die Dauer von 24 Stunden gemessen. Mit einer eigens gebauten
transportablen, thermostatierten Messbox wurden zeitgleich die Staubkonzentration, der
Ammoniakgehalt, Temperatur, relative Feuchte und Windgeschwindigkeit gemessen. In einem
weiteren Schritt wurden zusätzlich zu jenen Tagesmessungen kürzere ereignisbezogene
Messungen eingebunden. Hierzu wurden gravimetrisch die Konzentrationen der einatembaren
und alveolengängigen Staubfraktionen ermittelt, Filter für die Endotoxinbestimmung exponiert
und stichprobenartig die Anzahl luftgetragener Keime bestimmt. Diese diskontinuierlichen
Messungen sollen nicht Inhalt dieser Diplomarbeit sein.
Detaillierte Informationen zu den Sammel- und Messverfahren und Ergebnissen sind im DGS
Magazin ,,Es liegt was in der Luft Arbeitsschutz und Emissionen" und im VDI-MEG
Tagungsband ,,Untersuchung und Bewertung von Staub, Endotoxin, Ammoniak und Keimen in
ausgewählten Stallsystemen mit überwiegend freier Lüftung" veröffentlicht
(Schneider, 2005).
In dieser Arbeit werden die umfangreichen Messergebnisse sinnvoll zusammengefasst und
graphisch dargestellt. Ziel der Arbeit ist es dann, mit den bereits vorhandenen Messreihen mit
Hilfe geeigneter Modellrechnungen die gemessenen Staubkonzentrationen und
Partikelgrößenverteilungen zu parametrisieren.
Aus aktuellem Anlass, möchte ich zudem auf die ,,aviäre Influenza - Vogelgrippe" eingehen.
Nach einer kurzen Erläuterung was H5N1 ist, möchte ich vor allem auf die Übertragung,
Verbreitung und Ansteckungsgefahren eingehen. Des Weiteren werde ich mögliche
Schutzmaßnahmen diskutieren.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
9
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
2.1 Aerosolpartikel und ihre Eigenschaften
Unter Aerosolpartikeln versteht man allgemein in der Luft schwebende Teilchen von beliebiger
Form, Struktur und Dichte (Korngröße 0,01 µm bis 0,5 mm), die sowohl aus natürlichen
Prozessen (Stürme, Wald- und Steppenbrände, Vulkanausbrüche, Erosion) als auch aus
anthropogenen Quellen (industrielle Prozesse, Bergbau, Verbrennungsvorgänge) stammen. Ein
Aerosol
ist ein Zweiphasensystem. Es besteht aus einer Gasphase und einer Partikelphase. Die
Gasphase besteht im Allgemeinen aus Luft. Die Partikel können fest und flüssig sein und sind
so klein, dass sie im Gas suspendiert sind.
Zur Entstehung von Aerosolpartikeln gibt es zwei unterschiedliche Mechanismen. Es wird
zwischen primären und sekundären Aerosolpartikeln unterschieden. Primäraerosole sind die
Teilchen, die durch anthropogene Prozesse oder durch die Natur direkt emittiert werden.
Wichtige Entstehungsmechanismen sind Verwitterungsprozesse, Winderosion, Zerfall von
Biomasse, Verbrennung fossiler Brennstoffe und Biomasse (Waldbrände) oder
Vulkanausbrüche. Menschliche Aktivitäten können auch erheblichen Luftverschmutzungen
verursachen (Verkehr, Materialbearbeitung, industrielle Techniken).
Sekundäraerosole hingegen sind die Anteile, die aus gasförmigen Vorläufersubstanzen durch
chemische Umwandlung in der Atmosphäre entstehen. Typische Bildungsprozesse sind
Umwandlung von gasförmigen Schwefel- und Stickstoffoxiden in kleinste Säuretröpfchen oder
Kondensation von Verbrennungsprodukten. Sekundärpartikel zählen überwiegend zu den
feinsten Partikeln.
Aerosole werden mit Hilfe ihres aerodynamischen Durchmessers
1
unterschieden. Er bestimmt
weitgehend welche Prozesse in der Atmosphäre für die Teilchen relevant sind und wie lange
ihre Aufenthaltsdauer in der Luft ist. Während größere Partikel binnen Stunden durch
Ablagerung und Niederschlag aus der Atmosphäre verschwinden, können kleinere Partikel
Tage und Wochen in ihr schweben. Folglich können diese Partikel über weite Strecken
transportiert werden. Der Partikeldurchmesser bestimmt auch die Depositionsgeschwindigkeit
der Teilchen. Größere Partikel sinken sehr schnell infolge der Gravitation der Erde und lagern
sich an allen Strukturen der Erdoberfläche ab. Kleinere Partikel lagern sich zudem auf Grund
ihrer großen Diffusionsgeschwindigkeit an größere Partikel an.
1
Der aerodynamische Durchmesser entspricht demjenigen Durchmesser, den ein kugelförmiges Teilchen
der Dichte 1 g/cm³ haben müsste, damit es die gleiche Sinkgeschwindigkeit aufweisen würde wie das
betrachtete Teilchen
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
10
Aerosolpartikel lassen sich nach der Größe in folgende Fraktionen einteilen
(UBA, 2005)
:
·
Ultrafeine Partikel
Teilchen kleiner als 0,1 µm
·
Feine Partikel
Teilchen kleiner als 2,5 µm
·
Grobe Partikel
Teilchen größer als 2,5 µm
·
PM
10
2
Particulate Matter 10
Auch landwirtschaftliche Aktivitäten tragen nicht unerheblich zu den primären Emissionen bei.
Laut
UBA (2005)
liegt der Beitrag aus der Landwirtschaft zu den Primäremissionen von PM 10
derzeit bei ca. neun Prozent, bei PM 2,5 beträgt der Anteil sieben Prozent. Dabei ist die
Tierhaltung die größte PM-Quelle. 1995 stammten in Europa 4,5 % des PM 10 und 1,7 % des
PM 2,5 aus der Tierhaltung. Die wichtigsten Emissionsquellen sind die Fütterung, der
Trockenkot (Geflügelhaltung) sowie die Einstreu. Häufig handelt es sich auch bei den
Staubemissionen aus Ställen um diffuse Emissionen
.
Im Vergleich zur atmosphärischen Luft ist die Luftqualität in Ställen der landwirtschaftlichen
Nutztierhaltung gekennzeichnet durch die Anreicherung von Spurengasen und Geruchsstoffen
(z.B. Ammoniak, Schwefelwasserstoff) sowie partikulären Bestandteilen. Letztere lassen sich in
die Grundfraktionen Staubpartikel, Staubinhaltstoffe und Mikroorganismen unterteilen und
werden häufig wegen ihrer komplexen Zusammensetzung unter dem Begriff ,,Bioaerosol"
zusammengefasst. Sie sind biologischen Ursprungs und können biologische Aktivität
entwickeln. Für den unbelebten Anteil eines Bioaerosols steht der ,,Staub". Die belebten
Bestandteile des Staubes sind die Mikroorganismen, wie Bakterien, Pilze, Viren, Milben oder
Protozoen. Unbelebte und belebte Partikel treten zusammen als Agglomerat in der Luft auf.
Ungefähr 80 % der luftgetragenen Mikroorganismen sind an Partikel (Staubpartikel) angelagert
und bilden sogenannte ,,Cluster". Die Partikelgrößen von Bioaerosolen variieren zwischen
0,5 µm bis 100 µm
(Seedorf und Hartung, 2002).
Bioaerosole entstehen durch landwirtschaftliche Nutztiere, durch menschliche Aktivitäten und
durch haltungstechnische und bauliche Gegebenheiten. Die Nutztiere tragen durch
Ausscheidungen von Sekreten und Exkreten zur Entstehung bei. Hierbei handelt es sich primär
um die Ausscheidung organischen Materials, Mikroorganismen, Viren und Parasiten. Eine
weitere wichtige Quelle ist die Haut der Tiere und deren Haar- bzw. Federkleid.
Wie viel Aerosol entsteht, hängt sehr stark von der Aktivität der Tiere, der involvierten Tierart
und vom Tieralter ab.
2
Teilchen, die einen größenselektierenden Lufteinlass passieren, der für einen aerodynamischen
Durchmesser von 10 µm eine Abscheidewirksamkeit von 50 % hat (amtliche Definition aus EU-Richtlinie),
analog dazu PM 100 und PM 2,5 bzw. PM 4
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
11
Auch der Mensch beeinflusst die Entstehung von Bioaerosolen. So trägt er direkt durch
Reinigen, Desinfizieren, Entmisten, Fütterung und Pflege der Tiere zur Freisetzung von
Bioaerosolen bei. Das Futter selbst zählt zu den wesentlichen Quellen des Stallstaubs. So stellt
es mit 80 % bis 90 % am Schwebstaub die größte Fraktion im Bioaerosol bereit. Indirekt nimmt
der Mensch Einfluss auf die Aerosolbildung durch die Fütterungszeiten, die sich teilweise auch
mit anderen Aktivitäten, wie Pflege und Versorgung überschneiden. Schaut man sich einen
Tagesgang der Aerosolkonzentrationen an, so sind diese Einflüsse deutlich zu erkennen
(Seedorf und Hartung, 2002; Müller und Wieser, 1987).
Weitere wichtige Kriterien betreffen die Haltungsform und bauliche Maßnahmen. So kann man
sagen, dass beispielsweise bei einer einstreulosen Haltung die Aerosolemissionen geringer
sind, als bei der Haltung mit Einstreu und bei Nassfütterung geringer als bei Trockenfütterung.
Aufstallungsart, Besatzdichte, Lüftung und Reinheitsgrad kommen eine spezielle Bedeutung bei
der Erzeugung und Verteilung der Aerosole zu.
Eine auch in der Landwirtschaft gebräuchliche Einteilung unterscheidet:
·
PM 100
grobe Staubartikel, auch E-Fraktion (einatembar) genannt, die beim
Einatmen nur in den Nasen-Rachenraum eindringen und dort wieder
ausgefiltert
werden
·
PM 10
mittelgroße Staubpartikel (Feinstaub),die bis in die Bronchien gelangen
·
PM 4
kleine Staubpartikel oder als A-Fraktion (alveolengängig)
bezeichnet und bis in die Alveolen gelangen
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Arbeitsgebieten
(z.B.
Meteorologie, Arbeitsmedizin, Umweltschutz) für die Unterscheidung von
Partikelgrößenfraktionen unterschiedliche Definitionen existieren.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
12
2.2 Partikelgröße und -entstehung
Die Größenverteilung von Aerosolpartikel wird in der Literatur häufig durch Überlagerung von
drei logarithmischen Normalverteilungen dargestellt. Die einzelnen Modi stehen für den
,,Nukleations-Mode" (nucleation mode), ,,Akumulations-Mode" (accumulation mode) und
,,Grobpartikel-Mode" (coarse particle mode).
Ein Mode wird jeweils durch drei Größen beschrieben. Dies sind die
Gesamtpartikelkonzentration, der Medianpartikeldurchmesser und die geometrische
Standardabweichung. Mit der folgenden Formel lässt sich die logarithmische Normalverteilung
einer Mode mit diesen drei Parametern berechnen.
=
-
=
2
1
2
,
2
,
))
(log(
2
log
exp
)
log(
2
)
(
i
i
g
i
i
g
i
D
D
N
D
n
Gl.
2.1
In Gleichung 2.1 bedeuten: n(D) die Partikelgrößenverteilung, N
i
die
Gesamtpartikelkonzentration, D
i
der Medianpartikeldurchmesser und
g,i
die geometrische
Standardabweichung mit i = 1,2.
Den Nukleations-Mode bilden Partikel mit Durchmessern von ca. 0,001 µm bis ca. 0,1 µm.
Solche Partikel entstehen durch Kondensation aus der Gasphase (gas to particle conversion,
GPC). Dieser Mode wird in dieser Arbeit nicht weiter beachtet.
Partikel des Akkumulations-Modes mit Durchmessern von ca. 0,1 µm bis 2,5 µm entstehen
durch Koagulation des Nukleations-Modes und durch Kondensation von Gasen an den
Oberflächen bereits bestehender Partikel. Der Akkumulations-Mode ist wegen seines relativ
großen Anteils an der gesamten Partikeloberfläche für alle Prozesse von Bedeutung, die auf
Partikeloberflächen stattfinden. Mechanismen, die zur Verringerung der Partikelkonzentration in
der Atmosphäre führen, wie Diffussion, Impaktion und Interzeption, sind im Akkumulations-
Mode am wenigsten effizient.
Den Grobpartikel-Mode bilden die Partikel mit einem Durchmesser > 2,5 µm. Sie können durch
natürliche und anthropogene Prozesse wie Verwitterung, Materialbearbeitung oder Verschleiß
entstehen. Eine solche Zerkleinerung ist stets mit der Neubildung von Oberflächen verbunden.
Die dazu nötige Energie kann ab einer bestimmten Partikelgröße nicht mehr auf mechanischem
Weg in den Partikel eingekoppelt werden. Dies erklärt die untere Grenze des Grobpartikel-
Modes. Aufgrund hoher Depositionsgeschwindigkeiten werden die Partikel des Grobpartikel-
Modes vergleichsweise schnell aus der Luft entfernt. Diese hohe Depositionsgeschwindigkeit
wird in diesem Partikelgrößenbereich durch die Sedimentation bestimmt.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
13
In Abbildung 1 ist die Aufteilung in die drei Modi und die wichtigsten Prozesse, die zur
Entstehung dieser beitragen dargestellt.
Abbildung 1: Prozesse, zusammen mit den drei Modi in denen hohe Aerosolkonzentrationen häufig
beobachtet werden, Quelle: Seinfeld und Pandis, 1998.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
14
2.3 Aerosolpartikel und ihre epidemiologische Bedeutung
Stallluft beinhaltet eine komplexe Vielfalt von Agenzien, die biologische Effekte beim Menschen
auslösen können. Von hochgradig exponierten Personen, dazu gehören die Landwirte in der
Intensivtierhaltung, wurden zahlreiche gesundheitliche Effekte beschrieben.
In diesem Kapitel möchte ich auf die Erkrankungen der Landwirte bzw. der Personen, die in
einem landwirtschaftlichen Betrieb arbeiten, eingehen. Über die gesundheitlichen
Beeinträchtigungen von Anwohnern gibt es einige Studien. Deren Aussagekraft ist derzeit aber
begrenzt
.
Aus arbeitsmedizinischen Untersuchungen und Studien ist bekannt, dass in Tierställen
auftretende Bioaerosole, Stäube oder Endotoxine zu Atemwegs- und allergischen
Erkrankungen führen können. Wie groß die Schäden sein können, hängt von verschiedenen
Faktoren ab. Neben der Konzentration von Aerosolpartikeln in der Luft, spielen die chemische
Zusammensetzung, die Beladung der Oberfläche mit wirksamen chemischen Substanzen
(Schwermetalle, PAK) und die Größe der Partikel eine Rolle.
Je größer die Partikel, desto weiter oben werden sie im Atemtrakt abgefangen.
Seedorf und
Hartung (2002)
beschreiben, dass Partikel größer 10 µm im Nasen-Rachenraum abgeschieden
werden und praktisch kaum den Kehlkopf passieren. Man bezeichnet diesen Bereich als
nasopharyngealen Bereich (obere Atemwege). Teilchen kleiner 10 µm gelangen in
tracheobronchiale Bereiche (mittlere Atemwege) und ausschließlich Teilchen kleiner 4 µm
gelangen bis in die Alveolen (terminale Atemwege)
.
Eine genauere Aufteilung ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2: Eindringtiefen der Partikel in den Atemtrakt, Quelle: www3.stzh.ch, 2005.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
_______________________________________________________________________
15
Weiter stellt sich die Frage, wie effektiv die Partikel wieder ausgeschieden werden und ob sie in
sekundäre Gewebe und Organe transportiert werden.
Seedorf und Hartung, (2002)
erklären
dies damit, dass die Luftröhre, die Bronchien und Bronchiolen mit Flimmerhaaren ausgekleidet
sind. Die Spitzen der Flimmerhaare ragen in den darüber liegenden, hochviskosen,
zusammenhängenden Schleimteppich (Muskus), der in der Luftröhre 8-12 µm, in den
Bronchiolen nur noch 0,1 µm dick ist. Die feinen Härchen transportieren den Flüssigkeitsfilm
samt den darin haftenden Partikeln durch Wellenbewegungen in Richtung Rachen, wo er
laufend verschluckt oder ausgehustet wird (mukozilläre Clearance). In den Alveolen gibt es
keine Flimmerhaare mehr. Die Partikel, die bis in die Lungenbläschen gelangen, werden mit der
Atemluft wieder ausgeatmet oder falls sie sich in den Lungenbläschen ablagern durch
Makrophagen entfernt (alveoläre Clearance). Makrophagen sind Fresszellen, welche Partikel
aber auch eingedrungene Bakterien und Trümmer zerstörter Zellen aufnehmen
.
Die Depositionswahrscheinlichkeit in den Atemwegen hängt ebenfalls von der Partikelgröße ab.
In einem Größenbereich um 0,5 µm ist sie aus physikalischen Gründen am geringsten. Auch
die Oberfläche der Partikel spielt eine Rolle, denn bei un- oder schwerlöslichen Partikeln stellt
die Oberfläche die Schnittstelle zu den Zellen, Geweben und Lungenflüssigkeiten dar. Da die
Oberfläche der großen Zahl ultrafeiner Partikeln bei gleicher Massenkonzentration viel größer
ist als diejenige der relativ wenigen feinen Partikeln, ist die Wahrscheinlichkeit, dass unlösliche
ultrafeine Partikel adverse Gesundheitseffekte hervorrufen können, größer als für unlösliche
feine Partikel. Aufgrund der Korngrößenverteilung ist zu erwarten, dass geogener Staub unter
gesundheitlichen Gesichtspunkten weniger problematisch ist als anthropogener Staub
(Lahl, 2005).
Fest steht, dass Staub und zwar PM 10 und PM 2,5 (PM 4) ein Gesundheitsrisiko darstellen.
Erkrankungen des Atemtraktes sind häufig Folge der Exposition gegenüber luftgetragenen
Partikeln in der landwirtschaftlichen Nutztierhaltung (etwa 90 %). Sie sind die am häufigsten
auftretenden Berufskrankheiten, verbreiteter noch als Wirbelsäulenschäden und
Schwerhörigkeit. Bioaerosole können grundsätzlich Infektionen, Allergien und toxische
Wirkungen beim Menschen auslösen. Die Symptomatik reicht von verstärktem Husten über
chronische Bronchitis, allergischem Asthma, den verschiedenen Formen der exogen-
allergischen Alveolitis (EAA) über toxische Syndrome (ODTS = organic dust toxic syndrome) bis
hin zu Krebs und Infektionskrankheiten.
Einige der Erkrankungen sind als Berufskrankheiten anerkannt (
Rieger, 2005):
·
BK 4201
EAA (Farmerlunge)
·
BK 4301
allergische obstruktive Atemwegserkrankungen (Asthma)
·
BK 4302
irritative/toxische obstruktive Atemwegserkrankungen
Diese drei Berufserkrankungen machen schon 88 % der Atemwegserkrankungen in der
Landwirtschaft aus.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
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16
Präzisere Angaben und Informationen zu Berufskrankheiten in der Landwirtschaft sind bei der
Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin oder im Buch ,,Arbeitsmedizin" von
D. Nowak (2005) nachzulesen.
Landwirte und Personen, die in landwirtschaftlichen Betrieben arbeiten, leiden in erhöhtem Maß
an Atemwegserkrankungen. Hierbei treten genau die schon erwähnten Krankheiten auf. 10 %
der Landwirte leiden heute unter EAA, bis zu 24 % unter chronischer Bronchitis. Schweinehalter
klagen sogar bis zu 55 % unter chronischer Bronchitis. Bei Schweinehaltern hat die
Haltungsform, also ob ökologisch oder konventionell geführt, eine große Rolle. So sind in der
ökologischen Haltung die Erkrankungen wesentlich geringer
(Rieger, 2005).
Im Folgenden werde ich zunächst auf die Häufigkeit und Entstehung von allergischen
Erkrankungen allgemein sowie insbesondere bei Personen mit beruflichen oder privaten
Kontakt zur Landwirtschaft eingehen. Anschließend werde ich Zusammenhänge zwischen
beruflichem Kontakt zur Landwirtschaft und dem Auftreten chronischer Bronchitiden darstellen.
Epidemiologische Studien zeigen, dass die Inzidenz allergischer Erkrankungen über die letzten
drei Jahrzehnte stetig angestiegen ist. Dieser Trend wurde für einzelne Erkrankungen wie
Asthma, allergische Rhinitis und atopische Dermatitis nachgewiesen. Die steigende Inzidenz
und Prävalenz allergischer Erkrankungen zeigt sich auch in Deutschland.
Sogenannte Inhalationsallergene sind heute die häufigsten natürlichen krankmachenden
,,Luftschadstoffe". Das Ausmaß der individuellen Reaktionsbereitschaft wird zum einen durch
den Grad der Sensibilisierung gegenüber dem jeweiligen Allergen bestimmt, zum anderen
durch die Ausprägung der unspezifischen Überempfindlichkeit der oberen und unteren
Atemwege.
Einen interessanten Gesichtspunkt zeigen Studien aus aller Welt, die herausfanden, dass
Kinder, die auf einem Bauernhof aufwachsen, seltener an Allergien leiden als Kinder, die
ebenfalls in ländlicher Umgebung aufgewachsen sind, aber keinen derartigen Tierkontakt
hatten. Auch
Nowak (2005)
spricht von einem schützenden Effekt vor allergischen
Erkrankungen, von dem Kinder profitieren, die zwar nicht auf einem Bauernhof aufgewachsen
sind, aber in der Kindheit regelmäßigen Kontakt zu Stalltieren hatten. Auch Landwirte selbst
leiden seltener unter allergischen Symptomen als der Durchschnitt der Bevölkerung.
Untersuchungen zeigten, dass sowohl der Zeitpunkt der Exposition als auch die Dauer eine
entscheidende Rolle für den protektiven Effekt des Stalls spielen. Stallkontakt im ersten
Lebensjahr wirkt sich vermutlich am stärksten protektiv aus, was man an der geringeren
Prävalenz einer atopischen Sensibilisierung bei Bauernkindern ablesen kann
.
Nowak (2005)
verdeutlicht, dass das Leben auf dem Bauernhof mit einer erhöhten Last an
Mikroben verbunden ist. Endotoxine, Bestandteile der äußeren Membran von gramnegativen
Bakterien, werden in hoher Konzentration sowohl in Tierställen als auch in den Wohnungen von
Landwirten gefunden. Es besteht ein inverses Verhältnis zwischen der Endotoxin-Exposition
und der Prävalenz allergischer Erkrankungen, so dass man annimmt, dass Endotoxine eine
Schlüsselrolle im Schutz vor Allergien spielen.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
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17
Keine Untersuchungen liegen hingegen zur Frage nach der Allergieprävalenz bei
landwirtschaftlicher Nachbarschaftsexposition vor
.
Im nächsten Abschnitt werde ich auf die Erkrankungen im Einzelnen eingehen. Besonders
hervorheben möchte ich die ,,Chronische Bronchitis in der Landwirtschaft".
·
Die chronische Bronchitis ist nach Definition der Weltgesundheitsorganisation (WHO)
gekennzeichnet durch ,,übermäßige Schleimproduktion im Bronchialbaum, die sich
manifestiert mit andauerndem oder immer wieder auftretendem Husten mit oder ohne
Auswurf an den meisten Tagen von mindestens drei aufeinander folgenden Monaten
während mindestens zweier aufeinander folgender Jahre" (
Nowak, 2005).
Insgesamt finden sich in der internationalen epidemiologischen Literatur mehr als
300 Publikationen zum Themenkomplex ,,berufliche Exposition gegenüber organischen Stäuben
und Auftreten chronischer Bronchitiden". Insbesondere Pilze und die Zellwandbestandteile
gramnegativer Bakterien sind in der Lage, die Aktivität der Makrophagen zu steigern und
können somit bei Landwirten mit erhöhter Exposition gegenüber organischen Stäuben eine
neutrophile Entzündungsreaktion in den Atemwegen auslösen. Diese Endotoxine kommen
vornehmlich in Schweine- und Geflügelställen vor. Hierbei war die Prävalenz von chronischem
Auswurf in der Gruppe der Landwirte mit Tierhaltung deutlich gegenüber der Prävalenz in der
Allgemeinbevölkerung erhöht. Bereits junge Landwirte im Alter von 20 bis 44 Jahren berichteten
häufiger über Auswurf als junge Erwachsene in der Allgemeinbevölkerung.
Das Auftreten von Symptomen einer chronischen Bronchitis hängt bei Tierhaltern auch mit der
Dauer des täglichen Aufenthalts im Tierstall zusammen.
Nowak (2005)
beobachtet, dass sich
gleichzeitig ein Zusammenhang zwischen der Belüftung und Heizung der Ställe und dem
Auftreten von Atemwegssymptomen und Lungenfunktionseinschränkungen zeigt. Diese
Hinweise lassen auf eine expositionsabhängige Entstehung chronischer Bronchitiden bei
Tierhaltern schließen. Ursächlich hierfür ist vermutlich die chronische Exposition gegenüber den
Endotoxinen, die dauerhaft eine neutrophile Entzündungsreaktion und damit Schädigung der
Atemwege im Sinne einer chronischen Bronchitis verursacht. So lag in den Untersuchungen die
Mehrzahl der Messwerte für Endotoxine in Schweineställen oberhalb vorgeschlagener
Grenzwerte. Problematisch ist insbesondere der ungünstige Verlauf einer chronischen
Bronchitis. Etwa 15 bis 20 % aller Patienten mit chronischer Bronchitis entwickeln im Laufe der
Zeit eine Obstruktion (Chronic Obstructive Pulmonary Disease, COPD). Neben den Symptomen
Husten und Auswurf kommt oftmals zunehmende Atemnot hinzu, die die Lebensqualität des
Betroffenen in erheblichem Maße einschränkt. Die Erkrankung geht darüber hinaus mit einer
hohen Mortalität einher. Um die Prognose der Erkrankung zu verbessern, sollten insbesondere
die verursachenden Noxen gemieden werden. Dies bedeutet für den Landwirt insbesondere
eine Senkung der Exposition am Arbeitplatz. Ebenso wie für das Auftreten allergischer
Erkrankungen liegt auch für die chronische Bronchitis bislang keine Untersuchung an
Anwohnern von Betrieben der Nutztierhaltung
.
2 Stand des Wissens - Aerosolpartikel
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18
Weitere Erkrankungen in der Landwirtschaft werde ich im Folgenden kurz erläutern
(Seedorf
und Hartung, 2002).
·
Schleimhautirritationen:
Diese
Erkrankung
wird begleitet von trockenem Husten und
Reizung der Augen, Nase und Hals, was sich in Form erhöhter Sekretbildung äußert.
Dies sind häufig Folgen einer pysikalisch-chemischen Reizung durch Gase und Stäube.
·
Allergische Rhinitis (ARh): Allergische Rhinitis wird ausgelöst durch
Inhalationsallergene wie Schimmelpilze, Tierhaare, Milben oder Berufsallergene. Die
Symptome werden durch Jucken der Nase, Schwellungen der Nasenschleimhäute und
eine stark wässrige Sekretion wahrgenommen, wobei es auch zu fieberhaften
Zuständen kommen kann. In schweren Fällen kann es auch zu einer Reizung der
Bronchien mit Asthma kommen. Die Behandlung mit einer Immuntherapie
(Hyposensibilisierung) ist oft erfolgreich.
·
Exogen allergische Alveolitis (EAA): Die EAA ist eine Immunreaktion in den Alveolen
und Bronchien der Lunge auf Antigene, die inhaliert werden oder von der Blutbahn her
ins Lungengewebe gelangen. Nach einer Latenzzeit von bis zu zwölf Stunden treten
Symptome wie Husten, Schüttelfrost und Erschöpfung auf, die bis zu mehreren Tagen
anhalten können. Das klassische Krankheitsbild stellt die ,,Farmerlunge" dar. Hier sind
es thermophile Actinomyceten, die dieses Krankheitsbild auslösen.
·
Organic dust toxic Syndrome (ODTS) oder toxische Pneumonitis: Charakteristisch für
ODTS sind Fieber (Inhalationsfieber), das 4 bis 8 Stunden nach der Exposition auftritt
und nur einen Tag dauert. Weitere Zeichen sind Husten, Muskel- und
Gelenkschmerzen, Übelkeit, Erschöpfung, Kopfschmerzen (Grippeähnliche
Reaktionen). Pathogenetisch werden verschiedene Bakterien- und Pilzarten,
Endotoxine, Mykotoxine und Proteinasen als auslösende Agentien verantwortlich
gemacht. Das klinische Bild der toxischen Pneumonitis ist Leukozytose, Neutrophile
und erhöhte Inflammationsmarker in den Atemwegen. Ursächlich ist sie mit der
Aktivierung der Alveolarmakrophagen verbunden. Die Symptome zeigen bei
wiederholter Endotoxinexposition einen Adaptationseffekt.
·
Bronchiale Hyperreagibilität (BHR): Die BHR ist Ausdruck von Erkrankungen wie
Asthma, chronische Bronchitis, allergischer Rhinitis oder auch Atemsweginfektionen. Zu
Beginn der Erkrankung kommt es durch die Exposition von Viren, Bakterien, Allergenen
und luftgetragenen Noxen zu entzündlichen Zellinfiltrationen und Epithelschäden in den
Luftwegen der Lunge.
·
Berufsbezogenes Asthma (BA): Beim BA erfolgt sekundär eine Zunahme von Sekreten
und Entzündungszellen im Atemtrakt.
Ende der Leseprobe aus 105 Seiten
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2006, Messen und Modellieren von Partikelemissionen aus der Tierhaltung, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/224659
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