Dipl. Ökol. Dirk Heller; Dr. Barbara Köllner

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1 Bioaerosole im Umfeld von Tierhaltungsanlagen - Untersuchungsergebnisse aus Nordrhein- Westfalen Bioaerosols in the vicinity of animal husbandry - findings from North Rhine-Westphalia Dipl. Ökol. Dirk Heller; Dr. Barbara Köllner Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW, Leibnizstr. 10, Recklinghausen Schlüsselwörter: "Bakterien, Staphylokokken, Bioaerosole, Tierstall, mittlere Reichweite" Keywords: "Bacteria, Staphylococcus, Bioaerosols, Farm, mean impact reach" Zusammenfassung Aus arbeitsmedizinischen Untersuchungen ist bekannt, dass in Tierställen auftretende Bioaerosole, Stäube oder Endotoxine zu Atemwegs- und allergischen Erkrankungen führen können. Ob die im Umfeld von Tierhaltungsanlagen lebende Bevölkerung durch Emissionen aus diesen Betrieben gesundheitlich beeinträchtigt werden kann, ist bislang allerdings ungewiss. Um die möglichen gesundheitlichen Auswirkungen durch Bioaerosole auf AnwohnerInnen abschätzen zu können, wurde daher in einem ersten Schritt die Immissionsbelastung ermittelt. Hierzu wurden für die Parameter Gesamtbakterienzahl, Staphylokokken, Gesamtpilzzahl, Endotoxine und Gesamtzellzahl die Immissionskonzentrationen in Lee sowie die Hintergrundkonzentrationen in Luv einer Schwei- 1

2 nemast- und einer Legehennenanlage bestimmt. Trotz des insgesamt vergleichsweise niedrigen Belastungsniveaus zeigte sich, dass auch mehrere hundert Meter von der Anlage entfernt noch erhöhte Konzentrationen insb. von Staphylokokken und Bakterien auftreten. Die rechnerischen ermittelten Reichweiten (VDI 4251, Bl. 1) für diese Parameter liegen für die Mastschweine bei 250 bzw. 350 m und für die Legehennen bei jeweils 500 m. Summary From occupational medicine it is known, that bioaerosols may affect human health in form of infections, toxic effects and allergies. However, until now there is only little information concerning possible health impacts of bioaerosols on people living in the vicinity of farms. This investigation was initiated to derive a scientifically founded, standardized procedure for determination and validation of bioaerosols emitted by farms with intensive husbandry. As a first step, ambient air concentrations of total bacteria, total moulds, total germ, endotoxin and staphylococcus emitted by a pigpen and a poultry farm were measured. Elevated concentrations of total bacteria and staphylococcus didn t drop to background even in a distance of several hundred meters from the farms. The mean impact range (VDI 4251, Bl.1) was calculated with 250 m resp. 350 m for the pigpen and 500 m for the poultry farm. 2

3 1 Einleitung Zu den von Nutztierställen ausgehenden Luftverunreinigungen zählen neben Gasen (Ammoniak, Methan) und Gerüchen auch unterschiedliche Mikroorganismen, welche adverse gesundheitliche Effekte beim Menschen auslösen können (Nowak, 1998). Diese Bioaerosole wirken in erster Linie auf das Atemwegssystem exponierter Personen. So finden sich in neueren Untersuchungen an LandwirtInnen Hinweise für ein gehäuftes Auftreten von Atemwegserkrankungen, die in direktem Zusammenhang mit der Exposition gegenüber Stall-Luft-Komponenten stehen (Seedorf und Hartung, 2002). Während arbeitsmedizinisch anerkannt ist, dass in Tierställen auftretende Mikroorganismen, Stäube oder Endotoxine zu Atemwegs- und allergischen Erkrankungen bei ArbeitnehmerInnen führen können, ist wenig über die möglichen gesundheitlichen Auswirkungen durch Bioaerosole auf AnwohnerInnen solcher Tierhaltungsbetriebe bekannt. Angesichts der spezifischen Belastungssituation in Nordrhein-Westfalen, die durch lokal bzw. regional auftretende hohe Viehdichten geprägt ist, können mögliche Folgen für die Gesundheit der BewohnerInnen im kleinräumigen Umgebungsbereich dieser Betriebe und auch großräumig in einzelnen Belastungsgebieten Nordrhein-Westfalens nicht ausgeschlossen werden. Die in jüngster Zeit eingetretene Novellierung der gesetzlichen Grundlagen für Genehmigungsverfahren landwirtschaftlicher Anlagen (4. BImSchV, TA Luft) sowie die zunehmende Sensibilisierung der Bevölkerung hinsichtlich der möglichen gesundheitlichen Wirkungen von Stall-Luft-Komponenten haben einen verstärkten Handlungs- 3

4 bedarf für eine Ermittlung und Bewertung von Stall-Luft- Komponenten erzeugt. Insgesamt ergeben sich bezüglich möglicher gesundheitlicher Auswirkungen durch Bioaerosole auf AnwohnerInnen von Tierhaltungsbetrieben eine Reihe offener Fragen. Diese betreffen v.a. die Emissionen aus bzw. die Immissionen im Umfeld von Tierhaltungsbetrieben sowie die Expositionsquantifizierung der in der Umgebung solcher Anlagen lebenden Bevölkerung. Ziel dieses Projektes ist es, die o. g. Erkenntnislücken zu füllen und Empfehlungen für die Genehmigungspraxis, im Sinne der Anforderungen von BImSchG und TA Luft, zu geben. 2 Methodik In den Jahren 2004 bis 2006 wurden an bzw. im Umfeld einer freistehenden Schweinemastanlage (ohne Einstreu, ca. 250 GV) und einer Anlage zur Haltung und Aufzucht von Legehennen (ca. 300 GV) im Norden Nordrhein Westfalens zeitlich eng gekoppelt bzw. zeitgleich Emissions- und Immissionsmessungen von Bioaerosolen durchgeführt. Zudem erfolgten im Rahmen des Projektes Tracerversuche mit SF6 zur Validierung von Ausbreitungsrechnungen. In diesem Artikel wird ausschließlich auf die Immissionsmessungen eingegangen. Die Immissionsmessungen im Anlagenumfeld wurden gemäß VDI 4251 Bl. 1 durchgeführt. An sechs (Schweinemast) bzw. fünf (Legehennen) Messtagen erfolgten insgesamt ca Einzelmessungen. Neben den Messungen in Lee der 4

5 Anlage, die auf drei Ebenen zwischen 50 m und mehr als 500 m Entfernung vom Emissionsschwerpunkt (Fächermodell gem. VDI RL 4251 Bl.1) (aus Kostengründen in 2004 nur entlang eines Messschenkels) durchgeführt wurden, erfolgten auch Messungen in Luv zur Ermittlung der Hintergrundbelastung. Folgende Parameter wurden hierbei bestimmt: Gesamtbakterienzahl, Staphylokokken, Endotoxine, Gesamtpilzzahl (Schweinemastanlage nur 2004, Legehennenanlage nur 2006) und Gesamtzellzahl (nur Schweinemastanlage in 2004). Zur Erfassung der meteorologischen Daten war ein Windmast an einem frei anströmbaren Standort in Anlagennähe errichtet worden. Durch kontinuierliche Messungen von Windrichtung und stärke, konnte die Ausrichtung des Messfächers in der Abluftfahne überprüft und bei Bedarf angepasst werden. Die Probenahme und Analytik der Bioaerosol- und Endotoxin-Immissionen erfolgte gemäß VDI 4252 Bl. 2, VDI 4253 Bl. 2, BIA-Standardverfahren 9430/9450 sowie einschlägiger Fachliteratur. Die Auswertung der Messungen wurde unter Berücksichtigung der VDI 4251 Bl. 1 durchgeführt. 3 Ergebnisse Angesichts des großen Einflusses an kaum zu beeinflussenden Randbedingungen (Windverhältnisse, Gebäudeeinfluss, Orographie, Tierverhalten etc.) und v.a. auch aufgrund der 5

6 Tatsache, dass es sich bei den Messobjekten um biologisches Material handelt, stellen Untersuchungen im Umgebungsbereich von Tierställen hohe Anforderungen an Messtechnik und Analytik. Die Auswertung der vorliegenden Messergebnisse zeigt jedoch, dass die hier eingesetzten Verfahren unter den gegebenen Bedingungen zur Beantwortung der beschriebenen Fragestellung geeignet waren. Während für die Parameter Gesamtzellzahl (nur 2004, nur Schweinemast) und Gesamtpilzzahl (in VDI 4251 Bl.1 als obligater Parameter genannt) in Lee der Anlagen keine gegenüber Luv erhöhten Konzentrationen festgestellt wurden, konnten für die Parameter Gesamtbakterienzahl, Staphylokokken und Endotoxine erhöhte Immissionskonzentrationen bestimmt werden. Wie in Abbildung 1 für Staphylokokken gezeigt, geht die Konzentration mit zunehmendem Abstand zur Anlage zurück. Insgesamt erwiesen sich die Gesamtbakterienzahl und v.a. die Staphylokokken als gute Leitparameter zur Bestimmung der biogenen Belastung im Umfeld einer Tierhaltungsanlage. 6

7 Legehennen Schweine Konzentration [KBE/m³] Luv Entfernung vom Emissionsschwerpunkt [m] Abb. 1: Staphylokokkenkonzentration (Mediane gem. VDI 4251 Bl. 1, 10.4) im Umfeld eines Legehennenbetriebes und einer Schweinemastanlage. Die Ergebnisse weisen auf Tierarten spezifische Unterschiede hin: so ist die Endotoxinbelastung (Daten hier nicht gezeigt) im Umgebungsbereich der Legehennenanlage höher als bei der Schweinemastanlage. Ähnliches gilt auch für die Staphylokokken, für die auch 400 bis 500 m von der Legehennenanlage entfernt noch erhöhte Werte gefunden wurden. Diese Tendenz wird durch die Ergebnisse der Reichweitenermittlung (gem. VDI 4251 Bl. 1, 10.4) bestätigt (s. Tabelle 1). 7

8 Tab. 1: Mittlere Reichweiten gem. VDI 4251 Bl. 1, 10.4 Mastschweine (ca. 250 GV, ) Legehennen (ca. 300 GV, ) Staphylokokken Bakterien 250 m 350 m 500 m 500 m 4 Diskussion Ziel des Gesamtprojektes ist es zu untersuchen, ob im Umfeld von Tierhaltungsbetrieben erhöhte Immissionskonzentrationen von Bioaerosolen auftreten, und ob diese bei AnwohnerInnen zu gesundheitlichen Effekten führen können. In einem ersten Schritt wurde hierfür die räumliche Konzentrationsverteilung und die mittlere Reichweite für die Parameter Gesamtbakterienzahl, Staphylokokken, Endotoxine, Gesamtpilzzahl und Gesamtzellzahl im Umfeld eines Schweinemastbetrieb und einer Legehennenanlage ermittelt. Insgesamt haben die Messungen gezeigt, dass die Wiederfindungsrate der Bioaerosole mit der Abweichung der gewählten Messachse zur tatsächlichen Windrichtung verknüpft ist. Zur Vermeidung von Minderbefunden hat es sich daher bewährt, die Immissionsmessungen nach dem sog. Fächermodell (VDI Richtlinie 4251 Bl. 1) durchzuführen. Die in ermittelten Immissionskonzentrationen lagen allgemein auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau und er- 8

9 reichten bei weitem nicht die Konzentrationen, wie sie an Arbeitsplätzen gemessen werden. Dennoch überschritten die in Lee ermittelten Immissionen (Mediane nach VDI 4251 Bl. 1 sowie Einzelwerte) der Parameter Gesamtbakterienzahl und Staphylokokken anlagennah durchweg deutlich die in Luv gemessenen Hintergrundkonzentrationen. Auch wenn pro Tierart bisher nur jeweils ein Prototyp untersucht werden konnte, weisen die vorliegenden Ergebnisse auf einen möglichen Tierarten spezifischen Unterschied im Belastungsniveau hin: so ist die Belastung insbesondere durch Endotoxine und Staphylokokken im Umgebungsbereich der Legehennenanlage höher als bei der Schweinemastanlage. Diese Tendenz wird auch durch die Ergebnisse der Reichweitenermittlung bestätigt. Unabhängig vom Anlagentyp erwiesen sich Gesamtbakterienzahl und v.a. Staphylokokken als gute Leitparameter zur Bestimmung der biogenen Immissionsbelastung aus einer Tierhaltungsanlage. Dies steht im Einklang zur Untersuchung der Tierärztlichen Hochschule Hannover an Geflügelställen (Schulz et al. 2005). Auch die ermittelten Reichweiten stimmen gut mit den im Rahmen anderer Untersuchungen messtechnisch ermittelten Entfernungsangaben überein. So wurden beispielsweise in Niedersachsen an einem frei belüfteten Geflügelstall in 333 m Entfernung und an einem zwangsbelüfteten Geflügelstall in 477 m Entfernung Konzentrationen von Staphylokokken gemessen, die deutlich über den bakteriellen Hintergrundkonzentrationen unbelasteter ländlicher Regionen liegen (Schulz et al. 2005). 9

10 Insgesamt bestätigen die Messungen Erkenntnisse aus Untersuchungen im Umfeld von Kompostierungsanlagen die zeigen, dass sich der Anlageneinfluss von Bioaerosolen e- mittierenden Betrieben auf eine Entfernung von mehreren hundert Metern erstreckt (Heller und Rabe, 2001). Des Weiteren haben die Untersuchungen bestätigt, dass bei der Ermittlung des Anlageneinflusses der korrekten Ermittlung der Hintergrundbelastung eine wichtige Rolle zu kommt. Daher sollte ein Schwerpunkt zukünftiger Untersuchungen die Bestimmung lokaler bzw. regionaler Einflüsse, wie z. B. eine hohe Dichte von Tierhaltungsanlagen, auf die in Luv gemessenen Konzentrationen sein. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine mögliche Verwendung von Hintergrundwerten im Sinne von Immissionswerten bei Genehmigungsverfahren von Bedeutung. Literaturverzeichnis Heller, D., Rabe, R. (2001): Ausbreitung von Bioaerosolen aus Kompostierungsanlagen unterschiedlicher Bauart. Gefahrstoffe-Reinhaltung der Luft 61 Nr. 6, S Messung von Gefahrstoffen - BIA-Arbeitsmappe Expositionsermittlung bei chemischen und biologischen Einwirkungen Band 1 3 Hrsg.: Berufsgenossenschaftliches Institut für Arbeitssicherheit - BIA des Hauptverbandes der gewerblichen Berufsgenossenschaften e.v. Stand: April 2003 zu beziehen über: Erich Schmidt Verlag, Bielefeld. Nowak, D. (1998): Die Wirkung von Stallluftbestandteilen, insbesondere in Schweineställen aus arbeitsmedizinischer Sicht. Dtsch. tierärztl. Wschr. 105: Seedorf, J. und Hartung, J. (2002): Stäube und Mikroorganismen in der Tierhaltung, KTBL-Schrift 393, Hrsg.: Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) Darmstadt. 10

11 Schulz, J., Seedorf, J., Formosa, H.l., Hartung, J., Schütz, A., Baumert, R., Slaby., M, Sember, M., Pavanetto Born, K. (2005): Gesundheitliche Bewertung von Bioaerosolen aus Anlagen in der Tierintensivhaltung Teilprojekt A Erfassung und Modellierung der Bioaerosolbelastung im Umfeld von Geflügelställen Abschlussbericht - Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover. Institut für Tierhygiene, Tierschutz und Nutztierethologie, Hannover. VDI Richtlinie 4251, Blatt 1 (Februar 2007): Erfassen luftgetragener Mikroorganismen und Viren in der Außenluft; Planung von anlagenbezogenen Messungen, Fahnenmessungen, Beuth Verlag. VDI Richtlinie 4252, Blatt 2 (Juni 2004): Erfassen luftgetragener Mikroorganismen und Viren in der Außenluft; Aktive Probenahme von Bioaerosolen, Abscheidung von luftgetragenen Schimmelpilzen auf Gelatine/Polycarbonat-Filtern, Beuth Verlag. VDI-Richtlinie 4253, Blatt 2 (Juni 2004): Erfassen luftgetragener Mikroorganismen und Viren in der Außenluft; Verfahren zum kulturellen Nachweis der Schimmelpilzkonzentrationen in der Luft; Indirektes Verfahren nach Probenahme auf Gelatine/Polycarbonat-Filtern, Beuth Verlag. 11