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Das Ziel einer studentischen Arbeit der Hochschule für Agrar-, Forst- und Lebensmittelwissenschaften (HAFL) war es, den Effekt verschieden grosser Lüftungsöffnungen auf die Staubbelastung mithilfe eines digitalen Überwachungssystems in einem Pferdestall aufzuzeichnen. Dadurch sollte abgeschätzt werden, welche Auswirkungen verschieden grosse Lüftungsöffnungen, wie man sie in Boxen- oder Auslaufhaltung antrifft, in Bezug auf die Staubbelastung haben. Zusätzlich wurde auch der Effekt von zwei verschiedenen Stroharten (Gerste und Weizen) sowie von Holzspänen auf die Staubentwicklung untersucht.
Was ist Staub?
Staub besteht aus feinsten festen Partikeln, die in Gasen (meist Luft) verteilt schweben. Dabei kann Staub aus lebenden Partikeln wie Bakterien, Viren, Pilzen oder Parasiten, sogenannte Bioaerosole, und aus unbelebten Partikeln wie mineralischem Staub sowie aus Aerosolen wie Ammoniak oder Kohlendioxid bestehen. Die Atemwege der Pferde haben eine hohe Leistungsfähigkeit, sind aber auch sehr empfindlich gegenüber äusseren Faktoren wie Staub oder Schadgasen. Chronische Atemwegserkrankungen sind die dritthäufigste Erkrankungsursache beim Pferd, wobei die allergische Disposition zu Staub beim Pferd dem Asthma des Menschen ähnelt. Insbesondere der organische Allergengehalt, also die Bioaerosole des Staubs, spielen eine grosse Rolle in der Entstehung des equinen Asthmas.
Im Wesentlichen werden drei Quellen für die Herkunft von Staub im Pferdestall genannt: das Pferd selbst (Haare, Haut, Mist), die Einstreu und das Raufutter. Die Zusammensetzung und die Konzentration des Staubs werden durch zahlreiche Faktorenwie das Management, die Stallbelüftung, die Tierbesatzdichte, die Luftfeuchte und die Temperatur beeinflusst.
Staub wird nach seiner Partikelgrösse (engl.: particulate matter, PM), klassifiziert. Die vom Pferd einatembaren Partikel besitzen eine Grösse unter 100 µm, diejenigen, die durch die Luftröhre bis in den Brustraum vordringen können, haben Partikelgrössen von ≤10 µm, und diejenigen mit einer Partikelgrösse unter ≤5 µm können bis in die Lungenbläschen gelangen. Die Partikel, die in die Lungenbläschen vordringen (PM ≤5 µm) stören den Gasaustausch, aber auch die grösseren Partikel mit einer PM von ≤10 µm führen zu vermehrter Schleimbildung in den Atemwegen und zu erhöhter Infektionsgefahr.
Pferdehaltung und Belüftung
Der Equidenbestand in der Schweiz beläuft sich auf 113 498 Tiere (Quelle: Tierverkehrsdatenbank, Juli 2020), wovon Pferde nach wie vor hauptsächlich in Boxen gehalten werden. Zur Boxenhaltung zählen Aussen-, Innen- und Auslaufboxen. Die permanente Weidehaltung (Robusthaltung) ist mit 3% bei Einzel- und 4% bei Gruppenhaltung in der Schweiz kaum verbreitet. Eine zunehmende Zahl an Pferden in der Schweiz hat permanent Zugang zu einem Auslauf. Diese Ausläufe weisen in der Regel eine grössere Lüftungsöffnung auf als Boxen ohne Auslauf. Pferde in Boxenhaltung sind einer erhöhten Staubbelastung, die die Atemwege der Pferde schädigt, ausgesetzt. Die Staubbelastung in Boxenhaltung variiert je nach Einstreuart und Raufutter. Nebst der Aktivität der Pferde haben auch Stallarbeiten wie Misten, Füttern, Einstreuen und Fegen einen Einfluss auf die Staubentwicklung. Ebenfalls ist bekannt, dass der Luftaustausch einen besonders wichtigen Faktor zur Senkung der Feinstaubkonzentration in der Luft darstellt.
Der Versuch
Der Versuchsort befand sich auf einem konventionellen Landwirtschaftsbetrieb im Kanton Bern (437 m ü. M.). Die Staubmessungen wurden in einer Boxe mit einem 18 Jahre alten irischen Sportpony durchgeführt. Die Boxe wurde mit einer Wildkamera überwacht, um Einflüsse durch Aktivitäten des Ponys wie liegen, stehen, umhergehen oder fressen auf die Staubfreisetzung berücksichtigen zu können.
Die Ration bestand aus dreimal täglich fünf Minuten vor der Verfütterung in Wasser eingeweichtem Heu (1,5 kg Trockensubstanz pro 100 kg Lebendmasse) und zweimal täglich 0,25 Liter Hafer, ebenfalls zuvor mit Wasser angefeuchtet, um den Staubeinfluss durch die Fütterung soweit möglich zu standardisieren. Der Weidegang erfolgte je nach Witterung und wurde notiert.
An der Vorderseite der Boxen in Richtung Osten befanden sich Türen mit den Massen 117 × 130 cm (Breite × Höhe) sowie ein darin eingelassenes Fenster (117 × 87 cm). Das Fenster konnte separat geöffnet werden. An der Stallhinterseite befanden sich Türen (105 × 132 cm) mit ebenfalls separat zu öffnendem Fenster (105 × 91 cm), die zum angrenzenden Auslauf führten. Letzterer hatte eine Grundfläche von 21 m², wurde mit Ecorastern® befestigt und mit gewaschenem Sand aufgefüllt. Während des Versuchs wurde der Auslauf mittags bewässert.
Die Messung der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur erfolgte mit drei Sensoren, die sich vor Regen geschützt an der Aussenseite der Box auf einer Höhe von 62 cm und 136 cm sowie in der Box auf der Höhe von 98 cm befanden. Ein Schalenanemometer zur Messung der Luftbewegung wurde auf einer Höhe von 270 cm in der Mitte der Boxe an der rechten Wand angebracht.
Die kontinuierliche Messung (24 h/Tag) der Staubbelastung der Partikelgrössen PM 2,5 (<2,5 µm) und PM 10 (<10 µm) in μg/m³ erfolgte mit zwei Sensoren, die in einer Höhe von 53 cm (Höhe der Nüstern beim Fressen des Heus) und von 130 cm (Kopfhöhe des Ponys im Ruhezustand) ausserhalb der Box angebracht wurden und die Luft mit einem Plastikschlauch aus der Box ansaugten (System SmartHorse®, Firma MUUTU AG). Obwohl das Modell nicht explizit für die Anwendung in Pferdeställen konzipiert wurde, haben die Staubsensoren über den gesamten Versuchszeitraum einwandfrei funktioniert, und auch die kontinuierliche digitale Datenaufzeichnung erfolgte problemlos.
Zur vergleichenden Aufzeichnung der Ammoniakkonzentrationen (in ppm) in verschiedenen Einstreu- bzw. Belüftungssituationen wurde ein einfacher, nicht geprüfter Sensor installiert, der nur für eine vergleichende Bewertung der Messergebnisse diente.
Die Daten der Messsensoren für die Temperatur, die Luftfeuchte, die Luftbewegung, das Ammoniak und den Staub wurden von verteilten Messcomputern erfasst und dann in die Datenbank des zentralen Computers übertragen. Der Zentralcomputer war im Zwischendach des Stalles installiert. Die Daten waren sowohl über das lokale WiFi-Netzwerk als auch über das Internet mittels Computer oder Handy erreichbar.
Zur Untersuchung des Einflusses verschieden grosser Lüftungsöffnungen auf die Staubentwicklung bei drei verschiedenen Einstreuvarianten wurden die Belüftungssituationen A, B und C definiert. Zur Einstreu wurde in Kleinballen gepresstes Gersten- und Weizenstroh aus extensivem, konventionellem Anbau, Erntejahr 2018, verwendet. Das Gerstenstroh wirkte optisch glänzender und glatter als das Weizenstroh. Bei den Holzspänen handelte es sich um chemisch unbehandelte, grobe Holzspäne. Die Box wurde während des gesamten Versuchszeitraumes zweimal täglich gemistet, Stroh wurde einmal täglich, Holzspäne wurden nicht nachgestreut.
Die Staubbelastung wurde in drei verschiedenen Belüftungssituationen gemessen:
- Belüftungssituation A: Fenster geöffnet
Der Auslauf war geschlossen, das Fenster oberhalb der Eingangstüre geöffnet. Die Lüftungsfläche gegen Osten betrug 10 179 cm².
- Belüftungssituation B: Türe geöffnet
Das Fenster bei der Eingangstüre war geschlossen und die Auslauftüre geöffnet. Das Pony hatte ständig Zugang zum Auslauf. Die Lüftungsfläche gegen Westen betrug 23 415 cm².
- Belüftungssituation C: Fenster und Türe geöffnet
Das Fenster oberhalb der Eingangstüre und die gegenüberliegende Auslauftüre waren geöffnet. Das Pony hatte ständig Zugang zum Auslauf. Die Lüftungsfläche in der Ost-West-Achse betrug gesamt 33 594 cm².
Die Ergebnisse
Die Werte der Staubkonzentrationen der Partikelgrössen PM 2,5 und PM 10 (µg/m³) wurden für die Versuchsanordnungen A, B und C für die Sensoren auf 53 cm bzw. 130 cm Höhe als Mittwerte und Modellschätzwerte berechnet. Mit dem Modell wurden Einflussfaktoren wie Temperatur, Luftfeuchte, Aktivität des Ponys usw. berücksichtigt. War das Pony auf den Holzspänen beispielsweise aktiver als auf dem Stroh oder war es an einem Tag feuchter, trug das Modell diesen Umständen Rechnung.
Der Effekt unterschiedlicher Belüftungssituationen zeigte sich für die Partikelgrösse PM 2,5 gemessen auf 53 cm Höhe am deutlichsten.
Es bestanden bedeutende Unterschiede in den Modellschätzwerten der Staubkonzentration PM 2,5 bei geöffnetem Fenster (A) versus geöffneter Tür (B) für Weizenstroh (A = 3,6 µg/m³, B = 5,6 µg/m³) und für Gerstenstroh (A = 2,9 µg/m³, B = 5,5 µg/m³).
Bei geöffneter Türe und geöffnetem Fenster (C) betrug die Staubkonzentration PM 2,5 im Modellschätzwert für Weizenstroh 6,0 µg/m³, für Gerstenstroh 4,9 µg/m³ und für Holzspäne 9,6 µg/m³. Holzspäne verursachten bei geöffneter Türe und geöffnetem Fenster (C) auf 53 cm eine bedeutend höhere Staubkonzentration PM 2,5 gegenüber den beiden Strohsorten.
Die gemessene Staubkonzentration lag sowohl bei der Partikelgrösse PM 2,5 als auch bei PM 10 beim Sensor auf einer Messhöhe von 130 cm tiefer als beim Sensor auf 53 cm Höhe. Möglicherweise wurden zum einen besonders die kleinen Partikel bei der Öffnung der Türe bzw. der Türe und des Fensters (Belüftungssituationen B und C) durch den Luftstrom in Bodennähe stärker aufgewirbelt, und zum anderen setzten sich die grösseren Partikel eher Richtung Boden ab.
Bei den vergleichenden Messungen der Ammoniakwerte zeigte sich bei allen drei Einstreuvarianten der Effekt abnehmender Ammoniakkonzentrationen (ppm) mit zunehmender Lüftungsöffnung (Durchschnitt für alle Einstreuvarianten 5,2 ppm bei Belüftungssituation A, 3,8 ppm bei Belüftungssituation B, 3,6 ppm bei Belüftungssituation C).
Ungeachtet der gefundenen Unterschiede in den Staubkonzentrationen bei den Einstreuqualitäten und Belüftungssituationen lässt sich sagen, dass in der vorliegenden Studie die Werte für PM 2,5 und für PM 10 (in µg/m³) generell sehr tief lagen.
Von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) werden für den Menschen im Tagesdurchschnitt maximale Staubexpositionen mit der Grösse PM 2,5 von 25 µg/m³ und mit der PM 10 von 50 µg/m³ empfohlen. In der Schweiz existieren keine gesetzlichen Bestimmungen zu Maximalkonzentrationen von Staub in Pferdehaltungen.
In einer anderen Arbeit der HAFL wurde ein Ampelsystem für PM 2,5 und PM 10 vorgeschlagen, wobei die Werte für PM 2,5 idealerweise unter 10 µg/m³ und jene für PM 10 unter 30 µg/m³ liegen sollten (grün). Dieses System ist für Pferde strenger als die Empfehlungen der WHO. Auch diese Empfehlung wurde für alle im vorliegenden Versuch getesteten Einstreuarten und Belüftungssituationen erfüllt.
Fazit
Anhand von verschiedenen Belüftungs- und Einstreusituationen wurde ein digitales Staubmonitoringsystem getestet. Die kontinuierlich aufgezeichneten Daten waren sowohl auf dem Computer als auch auf dem Handy abrufbar, und sie erlauben eine lückenlose Beurteilung der Staubbelastung. In der vorliegenden Fallstudie sind die Unterschiede in den Belüftungssituationen vor allem für Feinstaubkonzentration der Partikelgrösse PM 2,5 in Bodennähe (53 cm) deutlich. Generell wurde eine sehr tiefe Staubbelastung im untersuchten Stall aufgezeichnet. Mit dem Messsystem dieser Studie können wertvolle Aussagen zur Höhe, allerdings nicht zur Art der Staubbelastung gemacht werden. Für die Gesundheit der Atemwege der Pferde muss neben der Staubmenge und der Partikelgrösse auch berücksichtigt werden, wie hoch das Allergiepotenzial (Gehalt an Bakterien, Schimmelpilzen, Viren usw.) ist. Die Beurteilung des Stallklimas ist komplex und wird von zahlreichen Faktoren beeinflusst. Digitale Monitoringsysteme können Klimawerte in Ställen sichtbar und bewertbar machen und zusammen mit geeigneter Einstreu, staubarmer Fütterung und richtigem Management wesentlich zum Tier- und zum Menschenwohl beitragen.
Conny Herholz, Jan Kocher, Peter Küng, Alexander Burren
Jan Kocher hat die Staubentwicklung in seinem Stall in Abhängigkeit von der Lüftungsöffnung und der Einstreu digital aufgezeichnet und ausgewertet:
«Ich bin mit Pferden aufgewachsen und reite seit dem sechsten Lebensjahr. Nach der gymnasialen Maturität und einem Vorstudienpraktikum begann ich an der BFH ein Agronomiestudium. Anfangs hatte ich vor, mich in einer anderen Vertiefung zu spezialisieren. Doch die vielseitige Modulzusammenstellung und die sehr kompetenten Dozierenden haben mich dazu bewogen, die Vertiefung Pferdewissenschaften zu wählen.»