Experimentelle Untersuchungen luftgetragener Partikel und Schimmelpilze in Pferdeställen

Abstract

Die Ätiologie respiratorischer Erkrankungen bei Pferden ist eng verbunden mit dem Gehalt an Staubpartikeln und Schimmelpilzsporen der Stallluft. Basierend auf einer permanenten mechanischen Reizung der Atemwege und einer Überempfindlichkeitsreaktion, kann eine langfristige Belastung der Pferde mit hohen Aerosolkonzentrationen zu einem chronischen Krankheitsgeschehen führen. In der vorliegenden Arbeit wurden in zwei unterschiedlichen Stallungen des Gestüts Röttgen luftgetragene Staubpartikel und Schimmelpilze einer genaueren Charakterisierung unterzogen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen neben der Quantifizierung von Aerosolen, eine qualitative Analyse in Form einer Größen-klassifikation und Gattungsbestimmung von Schimmelpilzen, sowie die Aufdeckung von potentiellen Quellen im Stall. Ein weiteres Ziel war die Überprüfung der gewonnenen Daten auf eine mögliche Korrelation zwischen Staubpartikeln und Schimmelpilzsporen. Neben der Erfassung von kontinuierlich gemessenen Konzentrationsverläufen von partikelförmigen Stoffen, konnte auch der Schimmelpilzsporengehalt der Stallluft durch Langzeitmessungen ermittelt werden. Ermöglicht wurde dies durch den 8-stufigen Andersen Sammler und eine an die Probenahme anschließende Modifikation der analytischen Verarbeitung der ermittelten Staubmasse. Das Problem der Überbelegung einzelner Platten, wie es häufig bei hohen Keimkonzentrationen und längeren Probenahmezeiten unter Anwendung des 6-stufigen Andersen Sammlers auftritt, konnte hiermit umgangen werden. Darüber hinaus konnten die Schimmelpilze mit Hilfe des Andersen Kaskadenimpaktors einer fraktionierten Größenstrukturanalyse unterzogen werden. Diese Vorgehensweise lieferte zufriedenstellende und auswertbare Ergebnisse. Bedingt durch verschiedene Tagesaktivitäten im Stall und damit verbundenen Konzentrationsschwankungen luftgetragener Partikel, konnte mit Hilfe so genannter Punktmessungen zu ausgewählten Zeiten am Tag von relativ gleichmäßigen Belastungs-intensitäten ausgegangen werden. Erweitert wurden diese Messungen mit einem am Institut entwickelten Staubfreisetzungswürfel, der unter Laborbedingungen die Raufutter-vorlage im Stall simulieren sollte. Beide Versuchsanordnungen hatten zum Ziel, möglichst homogene aerosolisierte Staubpartikel- und Schimmelpilzkonzentrationen zu schaffen. Die Verlaufsmessungen haben gezeigt, dass die Konzentration luftgetragener Partikel im Stall tagesabhängig großen Schwankungen unterliegt. Die große Variabilität der Tagesaktivitäten im Stall sorgt für eine hohe Streubreite der ermittelten Daten. Den größten Einfluss auf die Entstehung von Spitzenkonzentrationen haben die Prozesse der Entmistung und des Einstreuens, sowie die Raufuttervorlage. Eine Größenstrukturanalyse hat eine Dominanz der Feinstaubanteile in der Luft ergeben, die vorrangig von Partikeln der Fraktion 0,3-0,4 µm gebildet werden. Neben der menschlichen Einflussnahme auf den Partikelgehalt der Luft während der Arbeitsphasen im Stall, sorgen tierbedingte Aktivitäten durch eine ständige Resuspension der Partikel für eine konstante Aufrechterhaltung definierter Staubkonzentrationen. Die Schimmelpilzkonzentrationen in den untersuchten Ställen lagen zwischen 3,9 und 5,9 x 105 KE/m³ Luft. Eine Differenzierung der beteiligten Gattungen ergab eine starke Präsenz von Eurotium, Wallemia und Cladosporium. Die beiden zuletzt genannten Gattungen konnten in verschiedenen Stroh- und Heuchargen nachgewiesen werden und stellen eine potenzielle Schimmelpilze emittierende Quelle im Stall dar. Durch den Einsatz des Andersen Sammlers konnte gezeigt werden, dass die Mehrzahl der gesammelten Schimmelpilze in einem Größenbereich zwischen 2,1 µm und 4,7 µm liegt und somit in der Lage ist, bis in die tiefen Atemwege vorzudringen. Eine Überprüfung der statistischen Beziehung zwischen luftgetragenen Staubpartikeln und Schimmelpilzsporen konnte hohe Bestimmtheitsmaße nur bei relativ einheitlichen Konzentrationen und unter standardisierten Bedingungen erkennen lassen. Unter Praxisbedingungen im Stall waren die Beziehungen beider Parameter schwächer ausgeprägt. Die Vorhersage der Schimmelpilzkonzentration durch Messungen von Konzentrationsverläufen luftgetragener Partikel kann für die Größenbereiche 0,65-1,1 µm und 1,1-2,1 µm Abweichungen im Bereich von zwei Zehnerpotenzen aufweisen. Ausgehend von der Höhe der ermittelten Ausgangskonzentrationen in beiden Stallungen ist diese Vorhersagegenauigkeit ausreichend. Anhand der Ergebnisse dieser Untersuchungen wurden Schwachstellen im Stallmanagement und der Stallhygiene aufgedeckt und daraus folgend Minderungs-maßnahmen für die Pferdebetriebe formuliert.

The etiology of chronic obstructive pulmonary disease (COPD) in horses is closely connected with the amount of dust particles and mould spores in the air of horse barns. The chronic disease pattern is based on a permanent mechanical irritation and a hypersensitivity reaction of the respiratory tract resulting from long-term exposure to high aerosol concentrations. For the present dissertation, airborne dusts and moulds in two different horse barns of the Röttgen stud farm in Cologne/Germany were studied in detail. Apart from a quantitiative analysis of the aerosols, the main focus of the research was not only on qualitative analyses such as the identification of mould types and the measurement of particle size distributions, but also on the detection of potential dust and mould sources in the barns. Moreover, the acquired data were checked for possible correlations between dust particles and mould spores. In addition to the concentration development of dust particles, it was also possible to carry out long-term measurements of the concentration of mould spores in the air. This was made possible by using an eight-stage Andersen sampler and by a modification of the dust analysis carried out after sampling. Thus, it was possible to avoid the problem of individual stages being overloaded, which often occurs with six-stage Anderson samplers when germ concentrations are high and sampling takes place over longer periods of time. Moreover, the Anderson sampler was successfully used to analyse the size structure of moulds. By this method it was possible to obtain satisfactory and reproducible results. Due to the different day-to-day activities in horse barns, the concentration of dust particles is subject to great fluctuation. To accomplish a constant dust level, selective measurements were carried out at specific times of day. These investigations were complemented with tests using a dust releasing box developed at the Institute of Agricultural Engineering, which was used to simulate dust levels occurring during the feeding of horses with roughage. Both experimental setups were designed to produce homogenous concentrations of airborne dust and mould. The long-term measurements showed that the concentration of airborne particles in horse barns is subject to great diurnal fluctuation, which results in wide scattering of the obtained data. The biggest influences on the development of peak concentrations are the processes of mucking out and refilling the horse boxes with fresh straw as well as the handling of roughage. The analysis of the particle size distribution showed a predominance of fine particles in the barn air, especially of particles with a size of 0,3-0,4 µm. In addition to the human influence on dust development in the stable during working phases, dust concentrations are kept at a certain level by the constant resuspension of particles due to animal activity. The mould concentrations measured in the barns ranged from 3.9 to 5.9 x 105 CFU/m3 air. The most common mould genera were Eurotium, Wallemia and Cladosporium. The latter two, which were found in batches of straw and hay, are very likely sources of mould in the barn air. By using an Andersen sampler it was possible to establish that spores are in a size range between 2.1 and 4.7 µm, which enables them to penetrate to the deep regions of the lungs. A statistical analysis of the relationship between dust particles and mould spores showed a high coefficient of determination only for similar aerosol concentrations and under standardized conditions. The data from the horse barns showed only weak correlations between these two parameters. It was not possible to make predictions about mould levels on the basis of long-term measurements of dust particles in the field studies. This would require additional measurements of airborne germs as well as an indirect detection method. On the basis of these investigations it was possible to isolate weak points in barn management and hygiene and to develop corrective measures to be taken in horse keeping.