Systemimmanente Biopartikel mit potentieller Hygienerelevanz in biologischen Abluftreinigungsanlagen der Tierproduktion

Seedorf, Jens

Zielsetzung. Biologische Abluftreinigungsanlagen (BioAbluftRA) nutzen in einem von Wasser geprägten Milieu mikrobiologische Stoffwechselaktivitäten, um die unerwünschten Stoffe in der Abluft zwangsventilierter Nutztierhaltungen zurückzuhalten und abzubauen. Trotz ihres mikrobiell getragenen Reduktionspotentials ist nur wenig über die mikrobiellen Lebensgemeinschaften innerhalb der BioAbluftRA bekannt. Darüber hinaus kann nicht ausgeschlossen werden, daß die systemimmanente Mikroflora potentieller Verursacher von nachteiligen Effekten bei Mensch, Tier und Umwelt sein könnte. Vor diesem Hintergrund ergeben sich die folgenden Arbeitsziele: (a) Überprüfung und Verifizierung der Brauchbarkeit der eingesetzten Methoden als Grundlage vertrauenswürdiger Ergebnisse, (b) Ermittlung der Partikel-bezogenen Wirkungsgrade aller untersuchten BioAbluftRA über die Zeit und der Vergleich mit publizierten Daten, (c) Bestimmung der Größenordnung von mikrobiellen Konzentrationen im Prozeßwasser und ihr Bezug zu humanen Gesundheitsaspekten, (d) Zielansprache der BioAbluftRA als ökologische Nische für potentielle Pathogene, (e) Darstellung der Beteiligung von Biopartikeln bei Prozessen in der Umwelt und in der Atmosphäre im Besonderen, (f) Simulation eines Biopartikel-Wiedereintritts in den Stall als Kontaminationsvorgang nach Reinluftemission aus der BioAbluftRA. Methodik: Die Felduntersuchungen fanden an je zwei konventionellen Mastschweine- und Jungmasthühnerställen statt. Die Schweineställe waren mit einem Rieselbettreaktor (N=12) bzw. einem Biowäscher (N=12) ausgestattet. Die Abluft des einen Geflügelstalls wurde durch einen Biofilter geleitet (N=13). Der andere Mastgeflügelstall besaß eine 3-stufige Kombinationsanlage aus Wäscher, Chemowäscher und Biofilter (N=6). Zur Berechnung der Wirkungsgrade (WG) aller vier BioAbluftRA wurden die Konzentrationen von aerogenen Biopartikel im Rohgas und im Reingas unter Anwendung eines optischen Partikelzähl- und des Kultivierungsverfahrens bestimmt. Zusätzlich wurden Prozeßwasserproben aus den BioAbluftRA mikrobiologisch untersucht. Ergebnisse. Maximale WG für aerogene Biopartikel von mehr als 90% wurden durch die 3-stufige Kombinationsanlage erreicht. Die anderen untersuchten BioAbluftRA zeigten variierende WG, die je nach aerobiologischen Parameter zwischen 1% und 96% schwankten. Im Prozeßwasser waren mikrobielle Gehalte zwischen etwa 103 und > 105 Keime pro ml feststellbar, begleitet von einer biodiversen Mikroflora (z.B. Aeromonas spp., Citrobacter spp., Klebsiella spp., Pseudomonas spp., Staphylococcus spp.) und Endotoxinen. Danach konnten die typisierten Mikroorganismen grob nach ihrer Risikogruppenzugehörigkeit gemäß der Technischen Regeln für Biologische Arbeitsstoffe (TRBA 466) eingeordnet werden. Unter den festgestellten Mikroorganismen fanden sich Vertreter, die ein grundsätzliches Vermögen haben, eine Krankheit beim Menschen auszulösen. Schlußfolgerung: BioAbluftRA sind im Allgemeinen in der Lage, den Anspruch auf signifikante WG für aerogene Biopartikel zu erfüllen. Nichtsdestotrotz kann nicht vollends ausgeschlossen werden, daß BioAbluftRA nachteilige Effekte und Beschwerden in Menschen nach einer Exposition verursachen. Diese Wirkungen hängen stark ab von der Expositionskonzentration, der Zusammensetzung und Vitalität der Pathogene, der individuellen Anfälligkeit und der Eintrittspforte sowie der Expositionszeit und dem Expositionsintervall. Umwelthygienisch verdienen luftgetragene Biopartikel eine erhöhte Aufmerksamkeit, da von jenen Wolkenkondensationen und Eisbildungen in der Atmosphäre ausgehen können. Außerdem ist unter bestimmten meteorologischen Bedingungen und räumlicher Anordnung von Tierstall und angeschlossener BioAbluftRA ein Wiedereintritt bereits freigesetzten Reingases in den Stall über dessen Zuluftöffnungen möglich. Da das Reingas nicht vollends partikelfrei ist, werden die Tiere dadurch potentiellen Kontaminanten ausgesetzt, was zukünftig auch unter Einbeziehung aller anderen Darstellungen in dieser Arbeit verifiziert werden sollte. Gegebenenfalls sollten Überwachungsprogramme und Präventionsmaßnahmen angedacht werden.

Objectives: Biological waste gas purification systems (BWGPS) use microbiological activities in an aqueous environment to break down airborne pollutants in the exhaust air from mechanically ventilated livestock buildings. Despite the reduction potential of BWGPS, very little is known regarding their microbiological communities, which may include germs harmful to humans, livestock, and the environment, in addition to the decomposing microorganisms. This study aims to (a) verify the methods used as a basis for trusted results, (b) ascertain the particle-related reduction efficiencies (RE) of the different BWGPS types over time and compare them with published data, (c) determine the concentrations of waterborne microorganisms within the BWGPS and relate the findings to human health issues, (d) characterize BWGPS as an ecological niche which may harbour potential pathogens, (e) explain the interaction of bioparticles with the environment, and the atmosphere in particular, and (f) simulate refluxes of BWGPS-emitted bioparticles into the livestock building as a self-contaminating mechanism. Methods: The field investigations occurred at two common finishing pig operations and two livestock buildings with broilers. One pig house was equipped with a biotrickling reactor (N=12), and the other was equipped with a bioscrubber (N=12). The exhaust air from one poultry house was sent through a biofilter (N=13). A combined three-stage scrubber-chemoscrubber-biofilter device was attached to the second poultry unit (N=6). To calculate the reduction efficiencies of the four different BWGPS, concentrations of airborne bioparticles in the crude gas and in the clean gas were determined using optical particle counts and cultivation. Additionally, samples of the process water were taken in all four plants to ascertain the microbiological spectrum. Results: Maximum RE values greater than 90% were obtained from the three-stage combined plant. The other BWGPS showed RE values ranging between 1% and 96%, depending on the aerobiological parameter. Concentrations between 103 and >105 microorganisms per ml were detected in the process water in conjunction with a considerable diversity of microflora (e.g., Aeromonas spp., Citrobacter spp., Klebsiella spp., Pseudomonas spp., Staphylococcus spp.) and endotoxins. Risk categories were assigned for the detected microorganisms according to the Technische Regeln für Arbeitsstoffe (TRBA 466). A number of these microorganisms represent a potential health hazard for humans. Conclusions: BWGPS are generally able to reduce airborne bioparticles considerably. However, it cannot be fully excluded that BWGPS could cause adverse effects in humans after exposure. Such effects depend highly on concentration, composition and vitality of pathogens, individual susceptibility, portal of entry, exposure time, and exposure intervals. From an environmental point of view, livestock-related bioparticles might act as cloud condensation forming and ice-nucleating agents. Furthermore, specific meteorological conditions, together with the spatial arrangement of the BWGPS and the livestock building, can result in a re-entry of released clean gas into the animal production facility through the air inlets. Because the clean gas is not fully particle-free, animals may be exposed to contaminants. If further experiments support these results in relation to potential health hazards for humans and animals and adverse environmental effects, monitoring programmes and prevention measures must be established.

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Seedorf, Jens: Systemimmanente Biopartikel mit potentieller Hygienerelevanz in biologischen Abluftreinigungsanlagen der Tierproduktion. 2017.

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