Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Untersuchungen zur Luftqualität in verschiedenen Systemen der Geflügelhaltung mit besonderer Berücksichtigung von Staub und Luftkeimen

Saleh, Maher

Good air quality is important for health, performance and well-being of farm animals, staff and the environment of farming enterprises. The air within many livestock buildings of intensive production systems contains a large variety of different pollutants such as gases, odours, dust particles, micro-organisms, other compounds like endotoxins and even residues of antibiotics. Because of their complex nature and their very different effects on man, animal and nature these compounds are also addressed as bioaerosols. They can remain suspended in the air for longer periods because of their minute dimensions of between 10-4 and approximately 10² µm. These aerial pollutants can give cause for concern for several reasons. Firstly, there is strong epidemiological evidence that bioaerosols cause directly infectious and allergic diseases in farm workers and animals. Secondly, chronic exposure to some types of aerial pollutants may exacerbate multi-factorial environmental diseases. Thirdly, polluted dust and pathogens may settle on the surface of freshly laid eggs and can impair egg quality and safety. The forth reason for concern is that livestock production systems are major sources of gases such as ammonia and methane which are involved in soil acidification and global warming. Fifthly, the health of nearby residents may be harmed by regular exposure to particulate emissions, such as dust and micro-organisms, odours and gases like ammonia from livestock buildings. In general, particularly high amounts of aerial pollutants are reported for poultry industry. However, our knowledge is still scarce about type and concentration of aerial pollutants in different poultry housing systems.   The main objective of this study was to improve our knowledge on the temporal and spatial occurrence and amount of the most prominent particulate air pollutants (ammonia, carbon dioxide, dust, micro-organisms) in different keeping systems for laying hens and in broiler and moscovy duck production. Additionally, one chapter is dealing with the composition of sedimentation dust from various poultry houses as well as a pig and a dairy barn having a cubicle area and a deep pit stall with straw. Finally, the recently developed “correlated particle counting method” (CPCM) was tested under farm conditions on reliability and usefulness which calculates hourly and daily concentration curves for micro-organisms from continuous particle counting.   In total, there were carried out about 288 measuring periods for ammonia und 176 for carbon dioxide, 467 dust samples and 518 bacteria samples were taken and analysed, 1036 analyses on endotoxins were carried out. Sampling periods of usually 24 h applied for temperature and relative humidity (electric sensors, continuously), ammonia (chemiluminescence, photo acoustic, detection tubes spot measurements) and carbon dioxide (infrared red absorption, photo acoustic, detection tubes), inhalable (IOM) and respirable (cyclone) airborne dust (filtration, glass fibre, cumulative), sedimentation dust (cumulative per month), endotoxin (LAL-test from glass fibre filters), airborne micro-organisms (polycarbonate filter, cumulative; impingement, 30 min) and particle counting (4 to 6 h continuously). Measurements of airborne dust, airborne micro-organisms (filtration) and endotoxins were carried out at two heights above ground (0.3 and 1.60 m).   The highest inhalable dust concentrations (up to 10 mg/m³) were found in the air of the broiler house at the end of the forth week of fattening 0.3 m above the ground which is 2.5-times higher than the German occupational health threshold for workers (4 mg/m³). The German occupational health threshold for respirable (1.5 mg/m³) was rarely exceeded, concentrations between 0.4 and 1.2 mg/m³ were regularly observed.   The highest airborne total bacteria count (TBC) was also found in the broiler barn: 80 x 106 cfu/m³ in the 3rd and 4th fattening period in winter at animal level (0.3 m). Staphylococcae concentrations were only slightly lower. E. coli was found between 500 and 3000 cfu/m³. Fungi vary considerably in concentration and can reach 600,000 cfu/m³. Highest endotoxin concentrations (11,000 EU/m³) were found in the inhalable dust of the broiler barn in winter in 1.6 m level at the end of the 3rd fattening week.   Inhalable dust concentrations between 1.3 and 9.5 mg/m³ were found in the air of the aviary (VOL) for laying hens in wintertime which is distinctly higher than in the battery cage (BC) and enriched cage (EC) system (BC: 0.5-1.8 mg/m³, EC: 0.3-1.2 mg/m³). The respective respirable dust concentrations are 0.4-4.4 (VOL), 0.25-1.30 (BC) and 0.2-0-6 mg/m³ (EC). The aerial TBC in the VOL ranged between a couple of 100,000 and 10 million cfu/m³ which was one to 2 magnitudes higher than in the cage systems. Similar results are obtained with staphylococcae. The amount of fungi is considerably influenced by the season with lower values in winter than in summer. Differences between the keeping systems are small, the counts range from 100 to 10,000 cfu/m³. E. coli was found between 10 and 1,000 cfu/m³ with a slight tendency to higher concentrations in the air of the VOL. Endotoxin concentrations range between 100 to approx. 4,000 EU/m³ in the inhalable dust fraction and 30 to 3,000 EU/m³ in the respirable fraction.      The amounts of sedimentation dust range between 1.2 and about 7.0 g/m²/24 h in the broiler house and demonstrate a strong seasonal influence with highest values in winter. In the laying hen houses, the highest amounts were found in the VOL (0.68 g/m²/24 h), the cage systems reached 0.2 to 0.45 g/m²/24 h. Higher amounts were seen in the duck house (0.64 g/m²/24 h), the pig house (0.93 g/m²/24 h) and the turkey house (2.3 g/m²/24 h). In the dairy barn the amounts were higher in the area with straw bedding (0.39 g/m²/24 h) compared to the cubicle side (0.22 g/m²/24 h). The TBC in the sedimentation dust can reach 7 billion cfu/g dust (broiler). The respective TBC for pig and cattle are approx. 90 million cfu/g.   The raw protein content in the sedimentation dust ranges from 30 % (dairy barn), 38 % (pig), 54 % (turkey), 57 % (duck), 63 % (laying hens) to 71 % (broiler).   The application of the CPCM is most successful when the parallel measurements of particles and bacteria take place during periods of very low and very high activities in the animal house. Correlation coefficients of better than 0.9 are reached between the course of the particle count and the course of the bacteria in air. The method is not successful when the measurements take place regardless of differences in activities and dust production. More experiments are required to decide whether the CPCM can be applied as similar successful as in bio composting plants.   The presented study demonstrates that there are high and partly very high concentrations of air pollutants such as dust, micro-organisms and endotoxins in the air of animal houses, poultry in particular. The results indicate in which areas of animal production the most urgent mitigation techniques should be applied in order to improve performance and welfare of animal and man in the animal houses as well as to reduce emissions. A future oriented and sustainable animal production has to include beside all economic aspects the protection of animal, man and the environment.

Die Luft in Nutztierställen enthält eine Vielzahl von Verunreinigungen wie Gase, Stäube und Mikroorganismen in wechselnden Anteilen. Diese Stoffe sind in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung. Erstens können sie nachteilig auf den Atemtrakt von Mensch und Tier einwirken und Infektionen und allergische Erkrankungen auslösen oder begünstigen. Zweitens kann die ständige Exposition gegenüber diesen Stoffen multifaktorielle Erkrankungen verstärken. Drittens gelangen diese Stoffe mit der Stallabluft in die Stallumgebung, wo sie Beschwerden bei Anwohnern auslösen können und die Ausbreitung von Infektionserregern über den Luftweg bewirken können. Viertens können Verunreinigungen der Stallluft mit Keimen, Stäuben und Rückständen z. B. aus Behandlungen oder Desinfektionsmaßnahmen sich auf den Eiern in Legehennenställen absetzen und so zu einer Belastung des Lebensmittels führen. Als besonders hoch belastet gilt die Luft in Geflügelställen. Allerdings sind unsere Kenntnisse über die Höhe der Konzentrationen dieser Stoffe in verschiedenen Haltungssystemen noch lückenhaft. Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es daher, über längerfristige Messungen Kenntnisse zum Auftreten und zur Höhe bestimmter Luftverunreinigungen in Geflügelställen (Legehennen, Broiler, Enten) im Jahresverlauf zu sammeln. Im Vordergrund standen neben Kohlendioxid und Ammoniak besonders Staub und Keimgehalt der Luft. Daneben wurde noch eine Untersuchung bestimmter Sedimentationsstaubfraktionen aus verschiedenen Ställen vorgenommen und ein neuartiges Verfahren zur Errechnung des Keimkonzentrationsverlaufes in Tierstallluft über die Messung der Partikelzahlen, die Korrelierte Partikelzählung, erprobt. Die Untersuchungen sollten auch helfen, Ansatzpunkte für die Minderung der Luftverunreinigungen in Ställen aufzuzeigen. Insgesamt wurden 288 Messperioden für Ammoniak und 176 für Kohlendioxid durchgeführt. 467 Luftstaubproben und 518 Luftkeimproben wurden genommen und 1036 Endotoxinanalysen ausgeführt. Die höchsten einatembaren Staubkonzentrationen wurden im Broilerstall mit 10 mg/m³ Luft in der vierten Mastwoche im Winter auf Tierhöhe (0,3 m) gefunden. Sie übersteigen damit bis zum 2,5-fachen den Grenzwert am Arbeitsplatz (MAK-Wert) von 4 mg/m³ des Menschen. Beim alveolengängigen Staub wurde der MAK-Wert von 1,5 mg/m³ zwar nur in Einzelfällen überschritten, regelmäßig werden aber Konzentrationen zwischen 0,4 und 1,2 mg/m³ angetroffen. In der Broilerstallluft werden auch mit Abstand die höchsten Keimkonzentrationen beobachtet, die im Winter in der dritten und vierten Mastwoche auf Tierhöhe über 80 x 106 KBE/m³ als Gesamtkeimzahl erreichen. Quantitativ nur wenig geringer liegen die Zahlen an Staphylokokken. Deutlich geringere Konzentrationen werden an E. coli mit etwa 500 bis 3000 KBE/m³ gefunden. Der Verlauf der Schimmelpilze ist uneinheitlich und unterliegt sehr großen Schwankungen, kann aber durchaus 600.000 KBE/m³ erreichen. Auch bei den Endotoxinen werden die höchsten Konzentrationen mit 11.000 EU/m³ im Broilerstall gefunden (einatembare Endotoxine, Winter, 1,5 m Höhe, dritte Mastwoche). Die höchsten alveolengängigen Endotoxine werden im Winter in 1,5 m Höhe in der vierten Woche der Mastperiode mit bis zu 1.600 EU/m³ angetroffen. Bei den Legehennenställen weist die Voliere (VOL) gegenüber dem konventionellen Batteriekäfig (BK) und dem ausgestalteten Käfig (AK), die beide hinsichtlich der Höhe der Luftverunreinigungen dicht beieinander liegen, die höchsten Konzentrationen an Ammoniak (bis 16 ppm VOL, bis 6 BK) auf. Der einatembare Staubgehalt erreicht in der Voliere Konzentrationen zwischen knapp 1,0 und 9,5 mg/m³, in BK 0,5 und 1,8 mg/m³ Luft und im AK 0,3 bis 1,2 mg/m³. Die entsprechenden Konzentrationen für den alveolengängigen Staub sind: VOL (0,4 – 4,4 mg/m³), BK (0,25 – 1,3 mg/m³), AK (0,2 – 0,6 mg/m³). Der allgemeine Luftkeimgehalt (GKZ) lag in der Voliere zwischen wenigen 100.000 und 10 Millionen KBE/m³. In den Käfigsystemen lag die Keimzahl 1 bis 2 Zehnerpotenzen darunter. Ähnliche Abstufungen und Keimzahlen finden sich bei den Staphylokokken. Der Verlauf der Schimmelpilze wird deutlich von der Jahreszeit beeinflusst, mit niedrigeren Werten im Winter als im Sommer. Die Unterschiede zwischen den Haltungssystemen sind jedoch gering; die Zahlen bewegen sich zwischen wenigen 100 und 10.000 KBE/m³. E. coli ließ sich in einer Größenordnung zwischen 10 und 1.000 KBE/m³ nachweisen, mit einer geringen Tendenz zu höheren Konzentrationen in der Voliere. Die Endotoxinkonzentrationen in der einatembaren bzw. alveolengängien Fraktion des Luftstaubes bewegten sich zwischen 100 und etwa 4.000 EU/m³ bzw. etwa 30 bis 3.000 EU/m³. Die Sedimentationsstaubmengen liegen im Broilerstall zwischen 1,2 und knapp über 7 g/m²/24 h und weisen damit einen erheblichen saisonalen Einfluss auf mit höheren befunden im Winter. In den Legehenneställen werden die höchsten Staubmengen mit bis zu 0,68 g/m²/24 h in der Voliere gefunden. In den Käfigsystemen liegen die Sedimentationsstaubmengen zwischen knapp 0,2 und 0,45 g/m²/24 h. Höhere Sedimentationsstaubmengen werden im Entenstall (0,64 g/m²/24 h), im Schweinestall (0,93 g/m²/24 h) und im Putenstall (2,3 g/m²/24 h) gefunden. Im Milchviehstall weist der Bereich mit Stroheinstreu (0,39 g/m²/24 h) deutlich höhere Werte auf als der Spaltenbodenbereich (0,22 g/m²/24 h). Die Gesamtkeimzahl im Sedimentationsstaub kann 7 Milliarden KBE/g Staub (Broiler) erreichen. Die entsprechenden Keimzahlen für Schwein und Rind liegen bei etwa 90 Millionen KBE/g. Der Sedimentationsstaub aus den Geflügelställen enthält zwischen 54 % (Putenstall) und 71 % (Broilerstall) Rohprotein. In den Stäuben aus dem Schweinestall (38 % Rohprotein) und Rinderstall (30 % Rohprotein) werden deutlich geringere Mengen beobachtet. Der Einsatz der Korrelierten Partikelzählung zur Darstellung der Höhe des Luftkeimgehaltes über Tagesabschnitte verläuft immer dann erfolgreich, wenn parallel zu den Partikelmessungen die Keimmessungen zu unterschiedlichen Aktivitätsphasen des Stalles genommen werden können. Korrelationskoeffizienten von besser als 0,9 werden zwischen dem Verlauf der Partikelzahlen bestimmter Fraktionen und dem Keimzahlverlauf beobachtet. Diese Methode bedarf allerdings noch weiterer Überprüfungen, ob die in Biokompostieranlagen gemachten positiven Erfahrungen (MISSEL 1999) auch in der Breite auf die Nutztierhaltung übertragbar sind. Insgesamt bestätigen die vorgelegten Untersuchungen die zum Teil sehr hohen Konzentrationen an Luftverunreinigungen, insbesondere an Stäuben und Mikroorganismen, aber auch an Endotoxinen, in der Luft von Geflügelställen. Die Befunde weisen auf die Notwendigkeit hin, Reduktionsmaßnahmen einzuleiten, die sowohl die Belastung von Mensch und Tier im Stall vermindern, als auch die Emission dieser Stoffe in die Umgebung reduzieren helfen. Eine zukunftsorientierte nachhaltige Nutztierhaltung sollte die Tiergesundheit und die Gesundheit des Menschen, wie auch eine möglichst geringe Belastung der Umwelt in seine Entwicklung zwingend einschließen.

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Saleh, Maher: Untersuchungen zur Luftqualität in verschiedenen Systemen der Geflügelhaltung mit besonderer Berücksichtigung von Staub und Luftkeimen. Hannover 2006. Tierärztliche Hochschule.

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