Über einen Zeitraum von zwei Jahren wurden vier sächsische Standorte beprobt und auf Bioaerosole analysiert. An jedem Standort wurden mindestens 12 Messtage im Zeitraum Mai bis Oktober realisiert. Untersucht wurden die Summenparameter Gesamtbakterienzahl, Gesamtpilzzahl und Endotoxine sowie die für Tierhaltungsanlagen festgelegten Leitparameter Staphylokokken spp., Enterokokken spp. und Staphylococcus aureus. Für Sachsen liegen damit erstmals hinreichend belastbare Daten über die Hintergrundkonzentration von für landwirtschaftliche Anlagen relevanten Bioaerosolen (VDI 4250 Bl. 3) vor. Mit diesen kann die Verfahrensweise im LAI-Bioaerosol-Leitfaden bezüglich der Einführung von Leitparametern bestätigt werden. Damit ist es möglich, im Rahmen von Genehmigungsverfahren die Hintergrundbelastung zu benennen.

Die Studie wendet sich an Tierhalter, die Probleme mit der Reduzierung von Gerüchen und Bioaerosolen beim Betrieb ihrer Anlagen haben sowie an Genehmigungsbehörden und Hersteller von Abluftreinigungsanlagen. Am Beispiel der Geflügelhaltung wurde die Übertragbarkeit von Erkenntnissen der industriellen Abgasreinigung auf Anlagen der Landwirtschaft geprüft. Es wird aufgezeigt, ob und welche Möglichkeiten bestehen, um eine deutliche Minderung von Bioaerosol- und Geruchsemissionen zu erreichen.

Es wurden erstmals die Größenverteilungen von Bioaerosolen, sowie deren tageszeitlicher Konzentrationsverlauf in der Emission von Anlagen zur Geflügelhaltung mittels standardisierter Verfahren bestimmt. Die Ergebnisse richten sich im Rahmen von Genehmigungsverfahren an Anlagenbetreiber, Gutachter und Behörden. Sie legen nahe, dass zukünftig sowohl die Partikelgrößenverteilung, als auch die tageszeitlichen Emissionsschwankungen bei der Ausbreitungsrechnung von Bioaerosolen berücksichtigt werden sollten. Bezüglich der verwendeten Emissionsfaktoren wird eine Halbierung des Konventionswertes für Legehennen und Putenmast aufgezeigt, bezüglich des Größenklassenspektrums für Anlagen der Geflügelhaltung eine Aufteilung von 15 % PM 2,5; 25 % PM 10; und 60 % TSP. Redaktionsschluss: 31.01.2018

Die aerogene Übertragung von Infektionskrankheiten stellt ein sehr wichtiges Thema in der Medizin dar. Für genaue Untersuchungen dazu, sind geeignete Sammel- und Nachweismetho-den essentiell. Die Untersuchung verschiedener Sammelgeräte sowie unterschiedlicher Nach-weismethoden zur Virusquantifizierung aus der Luft war daher die zentrale Aufgabenstellung in dieser Arbeit. Als Sammelgeräte wurden der Impinger AGI 30 und der Gelatinefilter ausge-wählt. Alle grundlegenden Untersuchungen zur Ermittlung der Eignung und Effizienzen der Geräte bezüglich der Virusisolierung aus Luftproben wurden an experimentell erzeugten Virus-aerosolen durchgeführt. Dabei wurden zwei Geflügelviren verwendet, das Newcastle-Disease-Virus Stamm LaSota (NDV) und das Infektiöse-Bursitis-Virus Stamm Cu-1M (IBDV). Die quan-titative Bestimmung der Viren aus den Luftproben erfolgte durch Titration im Zellkultursystem bzw. in embryonierten Hühnereiern. Parallel dazu wurde eine Titerbestimmung mittels einer in dieser Arbeit etablierten quantitativen Real-Time-PCR durchgeführt. Zusätzlich wurden die Sammelgeräte unter praktischen Bedingungen getestet und verglichen. Dazu erfolgten lufthy-gienische Messungen nach Vakzinierung von Geflügel mit Lebendimpfstoffen (NDV LaSota und IBDV Cu-1M). Es wurden umfangreiche Untersuchungen unter experimentellen Beding¬ungen und später exemplarische Untersuchungen in konventionellen Geflügelhaltungen durch-geführt. Die Evaluierung der Sammelgeräte mit Hilfe der experimentell erzeugten Virusaerosole er-gab, dass mit beiden Geräten sowohl infektionsfähiges Virus als auch Virusgenom nachgewie-sen und quantifiziert werden kann. Die Effizienzen unterschieden sich jedoch z.T. deutlich. So stellte sich der Gelatinefilter zur Sammlung in Kombination mit dem quantitativen Virusnach-weis mittels Real-Time-PCR als die Methode mit der höchsten Virusnachweisrate (angegeben als geometrischer Mittelwert mit geometrischer Standardabweichung) von 22,3 % ×/ 3,1 für NDV und 36,1 % ×/ 3,4 für IBDV heraus. Der Nachweis von infektionsfähigen Viren jedoch, war für beide Testkeime aus den Proben des Impingers erfolgreicher (NDV 4,0 % ×/ 1,7 und IBDV 31,8 % ×/ 1,8). Die signifikant niedrigere Nachweisrate des Newcastle-Disease-Virus ist auf die höhere Empfindlichkeit dieses behüllten Virus beim Sammelprozess und daraus folgen-der Inaktivierung zurückzuführen. Die Quantifizierung mit Hilfe der Real-Time-PCR erfolgte mit Normalisierung aller Proben. Diese bisher zur Analyse von Luftproben noch nicht ange-wandte Methode erwies sich als sehr gut. Durch die Normalisierung werden nicht nur die ab-weichenden Effizienzen der Nukleinsäureisolierung sowie der reversen Transkription ausgegli-chen, sondern auch die unterschiedliche Inhibition der PCR der Proben verschiedener Luftkeimsammler. Damit sind die Proben untereinander besser vergleichbar und die Quantifi-zierung exakter. Erstmals wurden auch systematische Untersuchungen zu Geräteeffizienzen in Kombination mit verschiedenen Virusnachweismethoden durchgeführt. Bei den lufthygienischen Untersuchungen nach Vakzinierung von ca. 50 Hühnern gegen Newcastle Disease (ND) bzw. Infektiöse Bursitis (IBD) unter experimentellen Bedingungen, waren drei Luftproben nach der Impfung gegen ND viruspositiv, jedoch keine nach der gegen IBD. Diese positiven Nachweise gelangen mit dem Gelatinefilter und nachfolgender Analyse mittels quantitativer Real-Time-PCR. Schlussfolgernd ist zumindest bei dem NDV eine aeroge-ne Ausscheidung des Impfvirus anzunehmen. Wahrscheinlich liegt die Viruskonzentration in der Luft jedoch meist unter der Nachweisgrenze der eingesetzten Geräte. Auch die Auswertung von Luftproben nach Vakzinierung gegen oben genannte Krankheiten in konventionellen Tierhal-tungen mit mehreren Tausend Tieren Besatz pro Stall führte zu keinen viruspositiven Ergebnis-sen. Anscheinend wurden die Viren auch trotz der großen Tierzahl in der Luft so stark verdünnt oder in so geringem Maße ausgeschieden, dass sie mit den in dieser Arbeit entnommenen Luft-probenvolumina von 1000 l nicht detektiert werden konnten. Für weiterführende Untersuchun-gen müsste daher ein Sammelgerät verwandt werden, mit welchem schnell große Probenvolu-mina entnommen werden können und das Endvolumen der Probenflüssigkeit dennoch gering ist, um die luftgetragenen Viren optimal zu konzentrieren. Schlussfolgernd erwies sich die Filtration in Kombination mit der normalisierten quantitati-ven Real-Time-PCR dennoch insgesamt als eine sehr valide und praktikable Methode zum Nachweis luftgetragener Viren aus Tierhaltungen.

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Lakes and oceans are threatened by harmful algal blooms (HABs), caused mostly by toxic cyanobacteria. When people or animals drink the toxic water, it can be damaging to their health, potentially leading to hospitalization or even death. In some cases, these toxins are not just limited to the water, but can become airborne through wave breaking, bubble bursting, and spume droplet formation. New information is needed regarding the transport and fate of HAB-associated aerosols. The overall goal of this research was to monitor particle concentrations and measure meteorological conditions near HAB sites to determine the conditions that may lead to increased exposure to HAB cells and toxins in the atmosphere. By creating predictions of which conditions and locations will be experiencing higher aerosol levels at any given time, models could be used to inform the public and policy makers to ensure that appropriate responses and safety measures can be taken. The research also includes experiments to study plumes of colored smoke, as a proxy for the transport of biological particles such as HAB cells, pollen, and pathogens. The first objective of this research was to explore associations between measured weather conditions and particle concentrations measured above active HABs and HAB sites using drone-based sensor packages. The second objective was to monitor wind and particle concentrations near freshwater and marine HABs using ground-based sensor packages. The third objective was to model HAB aerosol behavior at a beach level to predict respiratory irritation. The fourth objective was to use aerial and ground-based sensors and images of colored smoke to predict particle concentrations at different distances and intensity levels downwind from the source(s). / Doctor of Philosophy / Certain environmental conditions in lakes and oceans can favor unhealthy amounts of algal growth. Overgrowth can lead to harmful algal blooms (HABs). This occurs when algae produce toxins that make the water unsafe for humans and animals to drink. Sometimes these toxins don't stay in the water and can become toxic airborne particles. We need more information to understand what happens to create and transport these airborne toxins produced by HABs. This research aims to monitor particle concentrations and weather to find what conditions lead to more aerosolized toxins. Accurate predictions of high levels of HAB toxins in the air could be used to alert the public. This work utilized colored smoke released outdoors as a visual indicator of particle movement in the air. The specific objectives of this research were to (1) find associations between weather and particle concentrations at lake HAB sites using drone-mounted samplers at a height above 30 feet from the ground, (2) find associations between weather and particle concentrations at lake and ocean HAB sites using samplers at a height of 5 feet from the ground, (3) predict human throat irritation levels from airborne toxins at the beach level, and (4) use a drone sensor, a ground sensor, and simultaneous video footage of a controlled smoke release to visually track airborne particles.

The Covid-19 pandemic heightened attention to airborne microorganisms and their widespread impacts. This dissertation examines two facets about airborne microorganisms: (1) dissemination of antimicrobial resistance in the environment and (2) ionization for disinfection of indoor air. Antimicrobial resistance (AMR) poses a significant threat to public health, exacerbated by the dissemination of antibiotic resistance genes (ARGs) in the atmosphere to an extent that is not yet well understood. Chapters 2 and 3 of this dissertation characterize ARGs in the atmosphere through a literature review and experimental observations at two agricultural sites, respectively. A critical review of 52 studies revealed that ARGs are present in aerosols in urban, rural, hospital, industrial, wastewater treatment plants, composting and landfill sites, and indoor environments. Commonly studied genes include sul1, intI1, beta-lactam ARGs, and tetracycline ARGs, with abundances varying by season and setting. Temporal trends varied based on the type of environment and human activity. Characterization methods included qPCR, ddPCR, and metagenomic analysis; standardized methodologies are needed to unify findings about the dissemination of ARGs in the atmosphere. To address knowledge gaps identified in the literature review, we designed an experimental study at a dairy farm and swine farm, where beta-lactam was the dominant antibiotic used. We quantified ARG concentrations, size distributions, and emission rates in the air and related these to ARGs found in nearby water and soil samples over four seasons. Concentrations of most ARGs were higher during warmer months but varied more by sampling location or exhaust fan usage than time of year. At both farms, blaCTX-M1 concentrations peaked at 104 gene copies per cubic meter (gc m-3), while the exhaust from a building at the swine farm contained genes like intI1, ermF, and qnrA at concentrations up to 105 gc m-3. ARGs were found in aerosol particles of all sizes, and the fraction in coarse particles (>5 m) was enhanced near emission sources. The presence of ARGs in fine (<1 m) and accumulation mode (1-5 m) particles indicates potential for long-range transport. Emission rates reached ~105 gc s-1 for some ARGs, including blaCTX-M1, and 106 gc s-1 for intI1. Inhalation exposure to blaCTX-M1 was comparable to ingestion exposure from soil at the dairy farm. In chapter 4, the effectiveness of an in-duct, bipolar ionization system for reducing airborne pathogens was evaluated in a real-world setting: an in-use lecture hall at a university. There were no significant differences in positive, in-room ion concentrations between periods with the ionizer turned on and turned off; however, negative, in-room ion concentrations were significantly lower when the ionizer was on with constant fan speed. To account for day-to-day variability in total bacteria concentrations, related to occupancy and other factors, we examined the ratio of bacterial colony forming units to 16S rRNA gene copies (CFU gc–1). There were no significant differences in this ratio whether the ionizer was on or off, suggesting limited real-world effectiveness of the treatment technology. Factors such as occupancy and the heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) system emerged as the primary drivers of bacterial load in the air. This study highlights the need for further research to validate the potential of ionization to reduce levels of airborne pathogens. / Doctor of Philosophy / The COVID-19 pandemic brought greater awareness of microorganisms in the air and their effects on our health. This dissertation explores two main topics: how antimicrobial resistance spreads in the environment and disinfection of indoor air. Antimicrobial resistance (AMR) is a major public health issue, worsened by the spread of antibiotic resistance genes (ARGs) in the environment. We lack complete understanding of how these genes spread through the air in different places. Chapters 2 and 3 of this dissertation examine ARGs in the air through a literature review and experimental observations at two different farm sites. A review of 52 studies revealed that ARGs are present in the air in urban, rural, hospital, industrial, wastewater treatment plants, composting and landfill sites, and indoor environments. Certain genes were studied more frequently, particularly those associated with antibiotics that have been used for many years, such as penicillin. The concentrations of ARGs in the air varied by season and setting. The genes were detected using three standard biological tests: qPCR, ddPCR, and metagenomic analysis. Standardized methods are needed to gain more information about these genes. To address knowledge gaps identified in the literature review, we designed an experimental study at a dairy farm and swine farm. We measured the levels of ARGs in the air and compared them to those found in nearby water and soil samples over four seasons at each farm. The levels of most ARGs were higher during warmer months. However, their levels were more affected by the sampling location or exhaust fan usage than time of year. At both farms, blaCTX-M1, the ARG associated with the antibiotic used most onsite, was detected at high levels, along with high levels of other genes associated with other types of antibiotics. ARGs were found in particles of all sizes, with larger particles near sources of emissions. Some ARGs could travel long distances in the air. In terms of the amount taken into the body, breathing in blaCTX-M1 at the dairy farm was similar to ingesting it from soil. In chapter 4, we tested an ionization system in a classroom to see if it could reduce airborne pathogens. There were no significant differences in positive ion levels whether the ionizer was on or off, but negative ion levels were lower when the ionizer was on. Normalized bacterial levels did not change significantly, suggesting that the ionizer had limited effectiveness in real-world conditions. Factors like room occupancy and settings of the air handling system had a bigger influence on bacterial levels in the air. More research is needed to confirm the effectiveness of ionization for reducing airborne pathogens in different settings.

<p>Evidence exists for the airborne transmission of contagious pathogens such as SARS-CoV-2, influenza A virus and <i>Mycobacterium</i> <i>tuberculosis</i> in indoor environments. These pathogens are carried in the respiratory droplets and transmitted through airborne route to infect individuals. An important element in risk assessment for pathogenic bioaerosol exposure is a determination of the inhaled deposited dose rate – the number of deposited pathogenic particles per minute – received by each respiratory region and the fractional reduction of dose rate by different material facemasks. This paper presents an aerosol physics-based modeling framework to estimate the fractional reduction of regional dose rate in diverse indoor healthcare environments. The fractional reduction of dose rate is a useful metric to evaluate the facemask effectiveness in reducing the inhaled dose rate. Data extraction of pathogenic bioaerosol size distributions and size-dependent facemask filtration efficiency curve combined with deposition fraction model become the baseline to calculate the fractional reduction of dose rate by 10 different facemasks. Facemask leakage is also considered for the realistic representation of its impact on reduction fraction as current studies focus on mask material filtration efficiency. This analysis considers how the fractional reduction of dose rate is influenced by the pathogenic bioaerosol size distribution, age-dependent respiratory parameters, age-specific deposition fraction, facemask filtration efficiency and mask leakage. Different factors drove variations in the reduction fraction of various sized-pathogenic bioaerosols received by each respiratory region for each age group. This framework can be a useful tool for decision-makers in evaluating the mask’s effectiveness in reducing deposition of pathogenic bioaerosols.</p>

Mit Vorliegen von Emissionsfaktoren in der VDI 4255 Blatt 3/4 wird es möglich, Ausbreitungsrechnungen für Geflügel- und Schweinehaltungsanlagen durchzuführen. In der Richtlinie VDI 4255 Blatt 3 sind Konventionswerte für Emissionsfaktoren für die Leitparameter Staphylokokken und Enterokokken für die Geflügelhaltung festgelegt; gleiches enthält die Richtlinie VDI 4255 Blatt 4 für Anlagen der Schweinehaltung. In der vorliegenden Untersuchung werden exemplarisch für im Rahmen von Genehmigungsverfahren typische Tierhaltungsanlagen in Sachsen (drei Schweinehaltungsanlagen, sechs Geflügelhaltungsanlagen) nummerische Ausbreitungsrechnungen für die anlagenspezifischen Leitparameter Staphylokokken und Enterokokken durchgeführt.

Los alojamientos ganaderos son una fuente importante de material particulado (“particulate matter”, PM) y bioaerosoles. Estas sustancias tienen un efecto perjudicial tanto para la salud humana y animal como para el medio ambiente. Para reducir los niveles de PM y bioaerosoles en alojamientos ganaderos es necesario conocer el origen de los mismos y los factores que afectan a su generación y suspensión en el aire. Esta Tesis Doctoral aborda aspectos relacionados con la concentración, origen y propiedades físicas, químicas y biológicas del PM en el aire de granjas de conejos y aves, su relación con los bioaerosoles patógenos y técnicas para reducirlos. Este trabajo pretende contribuir a paliar los efectos negativos de estas sustancias tanto en el interior de los alojamientos ganaderos como en el exterior. Los objetivos específicos planteados en la presente Tesis Doctoral fueron: i). caracterizar la morfología y la composición química del PM de distintos tamaños así como la concentración de bacterias en el aire de granjas de conejos, ii). cuantificar la concentración y emisión del PM de distintos tamaños en el aire e identificar las principales actividades que contribuyen a la generación del PM en granjas de conejos, iii). evaluar la distribución espacial de bacterias aerobias mesófilas en el aire durante un ciclo de producción de broilers y examinar su relación con la concentración y evolución del PM, iv). evaluar y comparar diferentes técnicas para muestrear y detectar el patógeno Salmonella spp. en el aire de granjas de broilers y v). evaluar la aplicación de desinfectantes en el aire como medida de reducción de los bioaerosoles en granjas de gallinas ponedoras con especial atención al patógeno Mycoplasma gallisepticum. Los resultados de esta Tesis indican que en los alojamientos avícolas y cunícolas se generan y emiten cantidades importantes de PM y bioaerosoles, por encima de los valores límite de exposición que marca la Directiva 2008/50/CE relativa a la calidad del aire ambiente y a una atmósfera más limpia en Europa, sobre todo en granjas de aves. Estas sustancias deben ser controladas y reducidas para proteger el medio ambiente, la salud y bienestar de las personas y animales. En alojamientos cunícolas, el PM mostró una morfología y composición química compleja, siendo las partículas irregulares y angulosas, ricas en S, Ca, Mg, Na y Cl, las más abundantes. La concentración de bacterias aerobias mesófilas en el aire por metro cúbico varió entre 3,1x103 y 1,6x106 unidades formadoras de colonia (UFC). Las principales fuentes generadoras de PM fueron la piel, el pienso y las heces provenientes de las actividades de limpieza de la nave, sobre todo de barrer y de los propios animales. La concentración media de PM10 (partículas de 10 μm de diámetro o inferior) fue 0,08±0,06 mg/m3 para conejos de cebo y 0,05±0,06 mg/m3 para conejas y la concentración media de PM2,5 (partículas de 2,5 μm de diámetro o inferior) fue 0,01±0,02 mg/m3 para conejos de cebo y 0,01±0,04 mg/m3 para conejas. Las emisiones variaron entre 6 y 15 mg/plaza/día para PM10 y entre 0,2 y 3,0 mg/plaza/día para PM2,5. En alojamientos de broilers, la concentración de bacterias varió entre 3,0 y 6,5 log UFC/m3. La mayoría de bacterias se asociaron con partículas entre 3,3 y más de 7,0 μm de diámetro obteniéndose una correlación positiva entre las concentraciones de PM10 y PM2,5 y las de bacterias. Respecto a la detección de patógenos en el aire, no se detectó Salmonella spp. cultivable en una explotación de broilers infectados experimentalmente mediante el uso de borboteadores de aire y técnicas de cultivo tradicional. No obstante, se detectó este patógeno en el aire mediante impactación y técnicas moleculares. Por lo tanto, no se recomienda el uso de borboteadores y técnicas de cultivo para la detección y/o cuantificación de Salmonella spp. cultivable en el aire. En alojamientos de gallinas, la concentración media de PM10 fue 0,55±0,38 mg/m3 y 0,02±0,03 mg/m3 para PM2,5. La concentración de bacterias varió entre 4,1 y 5,7 log UFC/m3. La aplicación de un desinfectante químico de amplio espectro en el aire no fue efectiva ni para reducir los niveles de bacterias aerobias mesófilas en el aire ni de Mycoplasma spp. Es necesario estudiar diferentes productos, dosis o técnicas de aplicación. En su conjunto, los resultados presentados en esta Tesis Doctoral proporcionan una información útil sobre el PM y los bioaerosoles en el aire de alojamientos ganaderos, que permitirá diseñar e implementar medidas de reducción prácticas y eficaces que mejoren la calidad del aire en los alojamientos ganaderos y reduzcan su emisión al exterior. / Adell Sales, E. (2014). Material particulado y bioaerosoles en el aire de granjas de aves y conejos: cuantificación, caracterización y medidas de reducción [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/44231