Der zu den bedeutendsten Ektoparasiten des Schweines gehörende Erreger der Schweineräude, Sarcoptes scabiei var. suis, ist weltweit verbreitet und von wirtschaftlichen Interesse für Schweinezucht- und Mastbetriebe. Ziel dieser seroepidemiologischen Studie war die Gewinnung neuer Erkenntnisse über die Bestandsdynamik klinischer Räudeerscheinungen und dem Titerverlauf von IgG-Antikörpern gegen Sarcoptes scabiei var. suis im Serum von Sauen in Abhängigkeit vom Reproduktionszyklus (Trächtigkeit, Laktation, Besamung) und von Saugferkeln während der Säugeperiode sowie Aufzucht. Schlussfolgernd aufgrund der Ergebnisse dieser Studie eignen sich für die Kontrolle und Überwachung sowie Diagnostik der Sarcoptes-Räude von Beständen serologische Untersuchungen von Ferkeln bis zur zweiten Lebenswoche von räudeverdächtigen Sauen, „Jungsauen erster und zweiter Wurf“ sowie Sauen während der Trächtigkeit (vor allem letztes Drittel) und Deckeber. Eine Vorselektion auf räudeverdächtige Hautveränderungen sowie gesteigerte Kratzaktivitäten erhöht die Wahrscheinlichkeit serologisch positive Tiere zu identifizieren.

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Einige Krankheitserreger, die für hohe wirtschaftliche Verluste in der Schweineindustrie sorgen, können über mehrere Kilometer über die Luft übertragen werden. Staub und daran gebundene Mikroorganismen können sowohl bei Tieren, als auch bei Menschen, die in der Landwirtschaft arbeiten, zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen. Um den aerogenen Erregereintrag und die Belastung der Gesundheit durch Stallstaub zu reduzieren, können Filtertechniken, wie Umluftfiltration, zum Einsatz kommen. In mehreren Studien konnte beim Einsatz von Umluftfiltration im Schweinestall ein positiver Einfluss auf die Lungengesundheit der Tiere verzeichnet werden. Auf diesen Erkenntnissen aufbauend, war es Gegenstand dieser Arbeit die positiven Effekte der Umluftfiltration mit der keimtötenden Wirkung von UVC-Strahlen zu kombinieren und somit den Keimgehalt der Stallluft zu reduzieren. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Effizienz von UVC-kombinierter Umluftfiltration hinsichtlich der Reduktionsrate luftgetragener Mikroorganismen im Labormaßstab zu untersuchen. Im zweiten Teil der Studie wurde ein UVC-Umluftfiltermodul in einen kleinen Stall integriert, um dessen Einfluss auf die Qualität der Stallluft bzw. auf die Staub- und Bakterienmenge im Vergleich zu einem Referenzstall zu überprüfen. Für Testdurchläufe im Labormaßstab wurden Aerosole mit Staphylococcus aureus, Ac-tinobacillus pleuropneumoniae, dem Virus des seuchenhaften Spätaborts (PRRSV) und dem Porcinen Parvovirus (PPV) erzeugt. In einem Luftfilterprüfstand wurden mit jedem Erreger je fünf unabhängige Testläufe mit und ohne UVC-Bestrahlung durchgeführt. Bei einigen Test-durchläufen wurde die relative Luftfeuchtigkeit (rLF) verändert, um den Einfluss einer erhöh-ten rLF auf die UVC-Wirksamkeit zu bewerten. Die Reduktionsrate entsprach der Differenz der infektiösen Partikel gemessen vor dem Luftfilter und hinter dem Luftfilter. Um das Überleben von Krankheitserregern im Filtermaterial zu untersuchen, wurden die Filter in ge-trennten Plastiktüten aufbewahrt. Nach bestimmten Zeitintervallen wurden Filterproben ent-nommen, gepoolt und inkubiert. Es folgte eine Virustitration bzw. eine Zählung der Bakterien. Die Feldstudie fand in einem kleinen Instituts-eigenen Stall statt, der aus zwei getrennten Stallabteilen bestand. Es wurden wöchentlich Luftmessungen über einen Zeitraum von 13 Wochen bzw. 16 Wochen in jedem Stallabteil durchgeführt. Die Staub- und Bakterienmenge der Stallluft wurde an drei verschiedenen Probennahmestellen gemessen. Zusätzlich wurden Luft-Proben direkt vor und hinter dem UVC-Modul entnommen. Weiterhin wurde die Ammoniak- und CO2-Konzentration, sowie Temperatur und rLF aufgezeichnet. Die Reduktionsraten der Staub- und Bakterienmenge der Stallluft wurde durch Berechnung der Werteverhältnisse (Ratios) der Messwerte aus Stall 1 (UVC-Modul) verglichen zu Stall 2 (Referenzstall) bestimmt. Ratios kleiner als eins entsprachen einer relativen Verringerung der Bakterienzahl bzw. Staubmenge. Durch logarithmische Transformierung der Ratios wurden annähernd normalverteilte Werte gewährleistet. Unter Verwendung eines t-Tests mit einer Probe auf einem Signifikanzniveau von 5 % wurden Nullhypothesen von unveränderten mittleren Bakterien- bzw. Staubwerten geprüft. Zusätzlich wurden 95 %ige Konfidenzintervalle für die geschätzten Stichprobenmittelwerte berechnet. Bei Tests im Labormaßstab führte das UVC-kombinierte Filtersystem zu einer Reduzierung der viralen und bakteriellen Partikel um mehr als 99 %. Die rLF hatte keinen Einfluss auf die UVC-Effizienz. Die Lebensfähigkeit der Pathogene im Filtermaterial variierte in Abhängigkeit vom verwendeten Pathogen und der rLF, wobei sich S. aureus und PPV am resistentesten darstellten. In der Feldstudie erreichten wir in der Stallluft von Stall 1 (mit dem UVC-Modul) eine signifikant niedrigere Bakterienmenge im Vergleich zum Referenzstall (Stall 2). Die Bakterienkonzentration der Stallluft konnte durchschnittlich auf 37 % reduziert werden, während die Staubmenge in viel geringerem Maße (auf 78 %) verringert werden konnte. Messungen unmittelbar vor und hinter dem UVC-Modul ergaben in der Stallluft eine Reduktion von 99,4 % für Bakterien und von 95,0 % für Staub. Wir konnten die Wirksamkeit von UVC-Strahlung zur Luftdesinfektion im Labormaßstab mit einer Reduktionseffizienz von >99 % für ausgewählte Viren und Bakterien erfolgreich demonstrieren. Darüber hinaus erwies sich die Kombination von UVC-Strahlung und Umluftfiltration als erfolgreich bei der Reduzierung der Bakterien- und Staubmenge der Stallluft in einem kleinen Schweinbestand. Der Einsatz dieser Technologie könnte die allgemeine Stallluftqualität in Nutztierställen verbessern.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Ausgewählte Pathogene in der Schweinehaltung 2.1.1 Viren 2.1.1.1 Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) 2.1.1.2 Ungulate protoparvovirus 1 (Porcines Parvovirus, PPV) 2.1.2 Bakterien 2.1.2.1 Actinobacillus pleuropneumoniae (APP) 2.1.2.2 Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) 2.2 UVC-Strahlung 2.2.1 Allgemeines 2.2.2 Luftdesinfektion mit UVC-Strahlung 2.3 Luftfiltration 2.3.1 Grundlagen der Filtration 2.3.2 Filterklassen 2.3.3 Luftfiltration in der Tierhaltung 2.4 Stallklima 2.4.1 Zusammensetzung der Stallluft 2.4.1.1 Organische Komponenten 2.4.1.1.1 Staub 2.4.1.1.2 Mikrobielle Zusammensetzung der Stallluft 2.4.1.2 Chemische und physikalische Komponenten 2.4.1.2.1 Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit (rLF), Luftgeschwindigkeit 2.4.1.2.2 Ammoniak (NH3) 2.4.1.2.3 Kohlendioxid (CO2) 3 Veröffentlichung 3.1 Eigenanteil 3.2 Fremdanteil 4 Diskussion 5 Zusammenfassung 6 Summary Literaturverzeichnis Danksagung / Some pathogens, which cause high economic losses in the swine industry, can be transmitted over several kilometres via the airborne route. Dust and microorganisms bound to dust can lead to serious health problems for animals, as well as for human beings working in the agricultural environment. In order to reduce airborne pathogen burden and to lower the negative health impact of stable dust, air filtration technologies such as recirculating air filtration can be used. In several studies, a positive impact on swine lung health was seen, when recirculating air filtration was implemented in the pig barn. Filtration of supply air can minimize the risk of introducing airborne pathogens to indoor air. Based on this knowledge, the aim of this study was to combine the positive effects of recirculating air filtration with the germicidal effect of UVC-irradiation, and thus to reduce germ content of stable air. The aim of the current study was, to assess the efficiency of UVC irradiation combined to air filtration in reducing airborne microorganisms at laboratory scale. In a second part, a UVC-combined recirculating air filtration module (UVC module) was implemented in a small animal facility in order to assess its improvement of air quality with regard to airborne bacteria and dust. Tests at laboratory scale were performed using aerosols of Staphylococcus aureus, Actinobacillus pleuropneumoniae, porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) and porcine parvovirus (PPV). Five independent test runs were performed in a test chamber with each pathogen, with and without UVC irradiation, respectively. Relative humidity (RH) was manipulated in some test runs to evaluate the influence of increased RH to UVC-efficacy. Reduction efficiencies were calculated by numbers of pathogens entering and leaving the test chamber. To investigate the survival of pathogens in the filter material, the filters were stored in separated plastic bags. Filter samples were taken after certain time intervals, pooled and incubated, followed by virus titration or counting of bacteria. Our field study occurred in a small pig facility consisting of two separated barns. Weekly air measurements were conducted over a period of 13 weeks (10 piglets) and 16 weeks (11 piglets) in each barn, respectively. Airborne dust and bacteria amount was sampled and calculated at three different sampling points. Furthermore, samples were taken right in front and behind the UVC-module. In addition, ammonia, CO2, temperature and RH were recorded. Relative reduction of airborne dust and bacteria amount was determined by calculating ratios of values in barn 1 (UVC-module) compared to barn 2 (reference). Ratios smaller than one correspond to a relative reduction of bacterial counts/dust amount. Ratios were log-transformed to guarantee approximately normally distributed values. Null hypotheses of unchanged mean bacterial or dust counts (i.e., mean ratios equal one) were tested using one sample t-tests on a significance level of 5 %. In addition, 95 % confidence intervals (CI) were calculated for the estimated sample means. UVC-combined air filtration in tests at laboratory scale resulted in a more than 99 % reduction of viral and bacterial particles. RH had no influence on UVC efficiency. Viability in the filter matter varied depending on the pathogen used and RH with S. aureus and PPV being most resistant. In the field study, airborne bacterial numbers were significantly lower in the barn equipped with the UVC module compared to the reference barn. On average, a reduction to 37 % of reference values could be achieved for bacteria, whereas the amount of total dust was reduced to a much lesser extent (i.e. to 78 % of reference values). Measures taken in front of and behind the UVC module revealed a reduction of 99.4 % for airborne bacteria and 95.0 % for total dust. We successfully demonstrated the effectiveness of air disinfection using UVC irradiation at laboratory scale with reduction efficiencies of >99 % for certain viruses and bacteria. Moreo-ver, combining UVC irradiation to recirculating air filtration proved to be successful in reduc-ing airborne bacteria and dust in a small animal facility. The implementation of such devices might improve the overall environmental quality in animal facilities.:1 Einleitung 2 Literaturübersicht 2.1 Ausgewählte Pathogene in der Schweinehaltung 2.1.1 Viren 2.1.1.1 Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) 2.1.1.2 Ungulate protoparvovirus 1 (Porcines Parvovirus, PPV) 2.1.2 Bakterien 2.1.2.1 Actinobacillus pleuropneumoniae (APP) 2.1.2.2 Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (MRSA) 2.2 UVC-Strahlung 2.2.1 Allgemeines 2.2.2 Luftdesinfektion mit UVC-Strahlung 2.3 Luftfiltration 2.3.1 Grundlagen der Filtration 2.3.2 Filterklassen 2.3.3 Luftfiltration in der Tierhaltung 2.4 Stallklima 2.4.1 Zusammensetzung der Stallluft 2.4.1.1 Organische Komponenten 2.4.1.1.1 Staub 2.4.1.1.2 Mikrobielle Zusammensetzung der Stallluft 2.4.1.2 Chemische und physikalische Komponenten 2.4.1.2.1 Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit (rLF), Luftgeschwindigkeit 2.4.1.2.2 Ammoniak (NH3) 2.4.1.2.3 Kohlendioxid (CO2) 3 Veröffentlichung 3.1 Eigenanteil 3.2 Fremdanteil 4 Diskussion 5 Zusammenfassung 6 Summary Literaturverzeichnis Danksagung

Nutztiere sind aufgrund ihrer Haltungsbedingungen diversen Stressoren ausgesetzt, welche ihre physische und psychische Gesundheit beeinträchtigen können. Im Rahmen von Animal Welfare Monitoring besteht daher ein großes Interesse an der Entwicklung und dem Einsatz minimal-invasiver Methoden und tierbezogener Belastungsindikatoren. Haarcortisol-konzentrationen (HCCs) könnten hierfür ein vielversprechender, retrospektiver Stressindikator sein, da sie die durchschnittlichen systemischen Cortisolkonzentrationen der letzten Wochen bis Monate in nur einer Probe widerspiegeln. Bevor HCCs jedoch als zuverlässiger Indikator eingesetzt werden können, müssen potenzielle Einflussfaktoren darauf ermittelt werden. Das generelle Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Einflussfaktoren auf Haarcortisol und seine Eignung für die Beurteilung von Langzeitstress bei Rindern und Schweinen. Daher zielten die vorliegenden Studien darauf ab, (1) Wissenslücken in der Forschung zu identifizieren, (2) die Wirkung potenzieller Einfluss- und Störfaktoren zu evaluieren und (3) zu untersuchen, ob und wann erhöhte systemische Cortisollevel durch HCCs nachweisbar sind. Alle Haarproben wurde von Holstein-Rindern, Landrasse- und Sattelschweinen bzw. Kreuzungstieren entnommen. Aufgrund der Literaturrecherche (Studie 1) wurden potenzielle Einflussfaktoren identifiziert und in den nachfolgenden Studien untersucht. Für die Evaluierung nicht-stressbedingter Faktoren (Studie 2), wurden insgesamt 614 Tiere verwendet. Hierfür wurden Haarproben in verschiedenen Altersstufen (Neugeborene bis Erwachsene), von beiden Geschlechtern und während der Sommer- und Wintersaison entnommen. Außerdem wurden schwarze und weiße Haarproben, unterschiedliche Körperregionen (Nacken/Schulter, Rücken, Schwanzspitze) und verschiedene Haarsegmente untersucht. Der Einfluss von Kontaminationen auf HCCs wurde in einer in-vitro-Studie (Studie 4) mit Haarproben von 12 Kühen und 12 Sauen evaluiert. Diese Proben wurden für vier Wochen täglich mit Urin, Speichel, Kot oder Wasser behandelt oder blieben unbehandelt. Um die Wirkung von Langzeitstress auf HCCs zu untersuchen (Studie 3), wurde bei 34 Rindern und 38 Jungsauen über vier Wochen jeden zweiten Tag ACTH- oder Kochsalzlösung appliziert. Vor, sowie zu drei Zeitpunkten nach Ende der Behandlung, wurden native und neu gewachsene Haare sowie zusätzlich Haarsegmente entnommen. Alle Haarproben wurden zweimal mit Isopropanol gewaschen, mit einer Kugelmühle gemahlen und Cortisol nach Extraktion mit Methanol mittels ELISA nachgewiesen. Die statistische Auswertung erfolgte mittels SAS/STAT-Software unter Anwendung von ANOVA und paarweisen Vergleichen durch Tukey-Kramer Tests. Die Ergebnisse der Studie 2 zeigen signifikant höhere HCCs bei neugeborenen Kälbern im Vergleich zu Jungrindern, Färsen und Kühen (p < 0,001). Ebenso wiesen 2 Wochen alte Ferkel höhere HCCs auf als Schweine im Alter von 10 oder 27 Wochen oder Sauen (p < 0,001). Das Geschlecht hatte keinen Einfluss auf die HCCs beider Tierarten. Jedoch waren bei beiden Spezies die HCCs in Schwanzhaaren, im Vergleich zu den Schulter-, Nacken- und Rückenhaaren signifikant erhöht (p < 0,001), ebenso in schwarzen Haaren im Vergleich zu weißen Haaren (p < 0,05) und in distalen im Vergleich zu proximalen Haarsegmenten (p < 0,001). Außerdem wiesen Rinder im Winter höhere HCCs als im Sommer auf (p < 0,001). Die Ergebnisse der Studie 4 zeigen, dass die Kontamination mit Urin bei beiden Spezies eine konzentrationsabhängige Zunahme der HCCs bewirkt. Auch die Kontamination mit Speichel und Kot erhöhte die HCCs, jedoch nur bei Rindern (alle p < 0,05). Die Behandlung mit Wasser führte zu einer Auswaschung von Cortisol aus Haaren vom Schwein, jedoch nicht vom Rind. Die Ergebnisse der ACTH-Studie (Studie 3) zeigen signifikant erhöhte HCCs bei ACTH-Tieren zum Ende der Behandlung in nativen Haaren (p < 0,001), nachgewachsenen Haaren (p < 0,01) und in Haarsegmenten (p < 0,05). Die höchsten HCCs wurden innerhalb von vier Wochen nach Behandlungsende gefunden. Bei Schweinen wurde ein Anstieg der HCCs sowohl in ACTH- als auch in Kontrolltieren beobachtet ohne dass Unterschiede zwischen den Behandlungen auftraten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Cortisolkonzentrationen im Haar bei Schweinen und Rindern durch Alter, Körperregion, Haarfarbe, Haarsegment und Jahreszeit beeinflusst werden. Es gibt erste Belege, dass die Kontamination von Schweine- und Rinderhaaren mit cortisolhaltigen Körperflüssigkeiten, wie Urin und Speichel, die Aufnahme von externem Cortisol in den Haarschaft verursacht. Bei der Verwendung von HCC als Stressindikator sollten daher diese Einflussfaktoren standardisiert und Kontaminationseffekte vermieden werden, z.B. durch die Verwendung von Aufwuchsproben oder nur proximaler Haarsegmente. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass Langzeitstress durch wiederholte Aktivierung der HPA-Achse zu erhöhten Cortisolkonzentrationen im Haar führt. Bei Rindern zeigt sich dies in den HCCs verschiedener Haarprobentypen. Insgesamt erweist sich die Analyse von Cortisol im Haar als eine geeignete Methode zum Nachweis von Langzeitstress bei Rindern und Schweinen und könnte daher eine wichtige Komponente bei der Beurteilung von Animal Welfare sein.:1 General introduction 2 Review of the literature 2.1 The relevance of stress assessment in animal welfare 2.2 Stress response in mammals 2.2.1 Structure and function of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis 2.2.2 Characteristics and effects of cortisol 2.2.3 Conventional biological matrices for cortisol analysis 2.3 Hair as a matrix for cortisol analysis 2.3.1 Hair structure and hair types 2.3.2 Hair growth cycle 2.3.3 Incorporation of cortisol into the hair 2.3.3.1 Passive diffusion 2.3.3.2 Multi-compartment model 2.3.4 Elimination of cortisol from the hair 2.3.5 Specific characteristics and applications of hair cortisol 3 Research focuses and aims 4 Results 4.1 Study 1: Hair cortisol for the assessment of stress (review) 4.2 Study 2: Effects of animal-based, seasonal and hair-specific factors on hair cortisol concentrations 4.3 Study 3: Effects of long-term stress on hair cortisol concentrations 4.4 Study 4: Effects of contamination and elimination on hair cortisol concentrations 5 General discussion 5.1 Influencing factors on hair cortisol concentrations in cattle and pigs 5.1.1 Impact of animal-based, seasonal and hair-specific factors 5.1.2 Impact of contamination and elimination by washout 5.1.3 Implications 5.2 Hair cortisol concentration as an indicator of long-term stress in cattle and pigs 5.2.1 Model for the increased release of systemic cortisol 5.2.2 Models for the time course of cortisol incorporation into the hair shaft 5.2.3 Impact of hair sample type and sampling time 5.2.4 Implications Table of contents 5.3 Future perspectives 5.4 Conclusions 6 Summary 7 Zusammenfassung 8 References 9 Danksagung / Farm animals can be exposed to various stressors due to their husbandry conditions, which can impair their health and welfare. Thus, there is interest in the use of minimally invasive methods and animal-based stress indicators as part of welfare assessment. Cortisol in hair is a promising retrospective stress indicator, as a sample reflects systemic cortisol levels of the past weeks or months. Previous studies have shown that long-term stress with elevated cortisol release can be related to increased cortisol incorporation into the hair shaft. However, potential influencing factors that may affect hair cortisol concentrations (HCCs) must be determined before HCC can be applied as a reliable indicator of stress. The general objectives of this thesis are to investigate influencing factors on HCC, and to examine the potential of hair cortisol concentration as an indicator of long-term stress in cattle and pigs. Thus, the present studies aimed to (1) identify knowledge gaps in hair cortisol research, (2) evaluate the impact of animal-based, seasonal and hair-specific factors as well as contamination and elimination on HCC, and (3) investigate whether and when long-term increased systemic cortisol levels are reflected in elevated HCCs. Hairs were sampled from Holstein Friesian cattle, Landrace or Saddleback pigs and crossbreeds. The findings of the literature review (Study 1) identified potential animal-based, seasonal, hair-specific and stress-related factors on HCCs, which our experimental studies considered. To examine the impact of influencing factors (Study 2), a total of 614 animals were used. Hair samples were taken at different ages (newborn to adult), from different sexes and during both summer and winter. Variations by hair-specific factors were determined by studying black and white hair samples, varying body regions (neck/shoulder, back and tail tip) and different hair segments. In general, female animals were used. The effect of contamination on HCCs was examined in an in vitro study (Study 4) using hair samples from 12 cows and 12 sows. Samples were treated daily with urine, saliva, faeces or water for four weeks or remained untreated. To investigate long-term stress (Study 3), 34 cattle and 38 gilts were injected intramuscularly either with ACTH solution or saline every second day for four weeks. Natural and regrown hair samples were taken before and three times after the end of treatment, and hair segments were collected. All the hair samples were shaved with electric clippers, washed twice with isopropanol and ground with a ball mill. Cortisol was detected by ELISA after extraction with methanol. Statistical analyses were performed using ANOVA and pairwise comparisons of the least square means by Tukey-Kramer tests with the MIXED procedure in SAS/STAT software. The results of Study 2 showed significantly higher HCCs in newborn calves than in young cattle, heifers and cows (p < 0.001). Likewise, 2-week-old piglets had higher HCCs than pigs aged 10 or 27 weeks and sows (p < 0.001). Sex had no effect on HCCs in pigs or cattle. In both species, HCCs were also significantly higher in samples obtained from the tail tip than from the shoulder, neck and back regions (p < 0.001), in black hair than in white hair (p < 0.05) and in distal hair than in proximal hair segments (p < 0.001). Season had an impact on HCC only in cattle, which exhibited higher levels in winter than in summer (p < 0.001). The results of Study 4 showed that contamination with urine caused a considerable concentration-dependent increase in HCCs in both species. Contamination with saliva and faeces also raised HCCs, but only in cattle (all p < 0.05). Treatment with water washed cortisol out from porcine hair but not from bovine hair. In cattle, repeated ACTH application (Study 3) revealed significantly higher HCCs after the end of treatment in natural hair (up to eight weeks, p < 0.001), regrown hair (up to four weeks, p < 0.01) and segmental hair (eight weeks, p < 0.05) than in the control animals. The highest HCCs were found four weeks after the end of treatment. In pigs, elevated HCCs were observed in both ACTH and control animals in all hair sample types after the application period, with no differences between treatments. These results show that hair cortisol concentrations in pigs and cattle are affected by age, body region, hair colour, hair segment and season. There is first evidence that contamination of porcine and bovine hair with cortisol-containing body fluids, such as urine and saliva, may cause the incorporation of external cortisol into the hair shaft. Thus, when using HCC as a potential stress indicator, these influencing factors should be standardised and contamination effects should be avoided, such as by using the shave-reshave procedure, clean sampling regions and only the most proximal hair segments. The results also demonstrated that long-term stress by repeated activation of the HPA axis increases hair cortisol concentrations. In cattle, HCCs in different hair sample types reliably reflected the preceding period with increased systemic cortisol levels. In conclusion, the analysis of HCC appears to be a suitable method to evaluate long-term stress in cattle and pigs and can therefore be an important component in the assessment of animal welfare.:1 General introduction 2 Review of the literature 2.1 The relevance of stress assessment in animal welfare 2.2 Stress response in mammals 2.2.1 Structure and function of the hypothalamic-pituitary-adrenal axis 2.2.2 Characteristics and effects of cortisol 2.2.3 Conventional biological matrices for cortisol analysis 2.3 Hair as a matrix for cortisol analysis 2.3.1 Hair structure and hair types 2.3.2 Hair growth cycle 2.3.3 Incorporation of cortisol into the hair 2.3.3.1 Passive diffusion 2.3.3.2 Multi-compartment model 2.3.4 Elimination of cortisol from the hair 2.3.5 Specific characteristics and applications of hair cortisol 3 Research focuses and aims 4 Results 4.1 Study 1: Hair cortisol for the assessment of stress (review) 4.2 Study 2: Effects of animal-based, seasonal and hair-specific factors on hair cortisol concentrations 4.3 Study 3: Effects of long-term stress on hair cortisol concentrations 4.4 Study 4: Effects of contamination and elimination on hair cortisol concentrations 5 General discussion 5.1 Influencing factors on hair cortisol concentrations in cattle and pigs 5.1.1 Impact of animal-based, seasonal and hair-specific factors 5.1.2 Impact of contamination and elimination by washout 5.1.3 Implications 5.2 Hair cortisol concentration as an indicator of long-term stress in cattle and pigs 5.2.1 Model for the increased release of systemic cortisol 5.2.2 Models for the time course of cortisol incorporation into the hair shaft 5.2.3 Impact of hair sample type and sampling time 5.2.4 Implications Table of contents 5.3 Future perspectives 5.4 Conclusions 6 Summary 7 Zusammenfassung 8 References 9 Danksagung

Die Serie »Nutztiere in Sachsen« umfasst neun Ausgaben: Milchrind, Fleischrind, Schaf, Ziege und Schwein; weiterhin Pferd, Legehenne, Mastgeflügel und Karpfen. Die Faltblätter informieren in kompakter Form über Bedeutung und Bestände der Nutztiere in Sachsen und geben einen Überblick über Rassen, Zuchtziele, Leistungen sowie über Haltungsformen, Fütterung und Produktqualität. Sie richten sich in erster Linie an Personen, welche ohne spezielle Vorkenntnisse an der Nutztierhaltung interessiert sind. Redaktionsschluss: 30.09.2017

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die brunststimulierende Wirkung des synthetisch hergestellten Gonadorelin[5-His, 6-Asp, 7-Trp, 8-Lys] (International Nonproprietary Name: Peforelin), das in dem Präparat Maprelin® XP10 enthalten ist, bei abgesetzten pluriparen Sauen zu prüfen. Im ersten Versuchsabschnitt wurde die zweckmäßige Dosierung ermittelt. Im zweiten Versuchsabschnitt wurde die Wirkung von Maprelin® XP10 mit der einer eCG- und einer Placebobehandlung verglichen. Die Bedingungen waren für die Versuchstiere in beiden Versuchsabschnitten homogen (etwa vierter Wurf, Säugezeit vier Wochen, Brunstkontrolle zweimal täglich in Anwesenheit eines geschlechtsaktiven Ebers, zweimal täglich sonographische Ovaruntersuchung, duldungsorientierte Besamung einmal täglich). In der Dosisfindungsstudie, in die 88 Tiere einbezogen wurden, erwies sich die Dosierung von 150 µg Peforelin, 24 Stunden nach dem Absetzen appliziert, als zweckmäßig zur Brunststimulation. Andere getestete Varianten (100 µg 24 Stunden, 150 µg 0 Stunden, 150 µg 48 Stunden, 187,5 µg 24 Stunden, 255 µg 24 Stunden nach dem Absetzen) waren hierzu weniger geeignet. In der Untersuchung zur klinischen Wirksamkeit wurden die 313 einbezogenen Tiere in drei Gruppen aufgeteilt und erhielten 24 Stunden nach dem Absetzen pro Tier 150 µg Peforelin (Gruppe I), 800 IE eCG (Gruppe II) oder 2 ml physiologische NaCl-Lösung als Placebo (Gruppe III). Zur Befunderhebung an den Ovarien wurden die Tiere zweimal täglich sonographisch untersucht. Die Östrusrate nach der Peforelin-Behandlung war derjenigen nach eCG-Injektion gleichwertig (95,1 bzw. 96,3 %), beide waren der Placebobehandlung signifikant überlegen (80,6 %). In die weiteren Auswertungen wurden nur Tiere mit Brunstbeginn bis zum siebten Tag nach dem Absetzen einbezogen. Das Absetz-Östrus-Intervall betrug 100,5, 94,2 bzw. 104,1 Stunden in den Gruppen I, II bzw. III. In der Brunstdauer und dem Intervall vom Östrusbeginn bis zur Ovulation unterschieden sich die drei Gruppen nicht. Die durchschnittliche Follikelgröße war in allen drei Gruppen zum Zeitpunkt des Absetzens 4 mm und zum Zeitpunkt der ersten Duldung 6 mm. Die Ovulationen fanden sowohl nach eCG als auch nach Maprelin® XP10 zwischen dem Mittag des sechsten (13.00 h) und der Nacht des siebten Tages (1.00 h) nach dem Absetzen statt. Bei der sonographischen Trächtigkeitsuntersuchung in der vierten Woche post inseminationem waren 100,0, 99,0 bzw. 97,6 % in den Gruppen I, II bzw. III positiv. Die Trächtigkeitsrate betrug 96,9, 97,1 bzw. 91,6 % in den Gruppen I, II bzw. III. Die Abferkelrate ergab 92,2, 93,4 und 73,8 % in den Gruppen I, II und III. Das Abferkelergebnis war in allen drei Gruppen gleich (11,7, 12,0 bzw. 11,6 insgesamt geborene Ferkel in den Gruppen I, II bzw. III). Es wurde eine negative Korrelation zwischen der Dauer des Absetz-Östrus-Intervalls und der Brunstdauer bzw. dem Intervall vom Östrusbeginn bis zur Ovulation nachgewiesen. Darüber hinaus korrelierten die Brunstdauer und das Intervall Östrusbeginn bis Ovulation positiv miteinander. In allen drei Gruppen stand die Follikelgröße bei der ersten Duldung in positiver Korrelation mit der Länge des Absetz-Östrus-Intervalls. Nach längerer Säugezeit kamen die Sauen tendenziell und in der Gruppe I signifikant früher in die Brunst als nach kürzerer Laktation. Weitere überprüfte potentielle Einflussfaktoren hatten weder auf den Brunsteintritt noch auf die erzielten Wurfgrößen oder andere Parameter Auswirkungen. Mit der vorliegenden Untersuchung wurde erstmals die Wirksamkeit des synthetisch hergestellten Peforelin zur Brunststimulation bei abgesetzten pluriparen Sauen nachgewiesen. Inwieweit das Präparat für diese Indikation auch bei primiparen Sauen oder Jungsauen wirksam eingesetzt werden kann, bleibt weiteren klinischen Prüfungen vorbehalten.

Bei Schweinen lassen sich im Anfangsteil des Dickdarms hohe Konzentrationen an Histamin nachweisen. Zum einen wird viel exogenes Histamin in der Ingesta durch Bakterien gebildet. Zum anderen befindet sich im proximalen Kolon viel endogenes Histamin, welches in verschiedenen Populationen von Mastzellen gespeichert ist. Beide Histaminquellen stellen eine potenzielle Gefahr für die Gesundheit des Tieres dar. Sollte Histamin in den vorhandenen Mengen in die Blutzirkulation übertreten, müsste mit dem Tod des Tieres gerechnet werden. Da unter normalen Bedingungen bei Schweinen keine pathophysiologischen Reaktionen auf die hohen Histaminkonzentrationen im Darm beobachtet werden können, muss auf eine effektive Darmbarriere geschlossen werden. Weil weder diese Barriere bisher untersucht wurde, noch bekannt war, welche Wirkung Histamin in diesem Darmteil des Schweins besitzt, sollte in dieser Arbeit Wirkung, Permeation und Katabolismus von Histamin an isolierten Epithelien des proximalen Kolons mit Hilfe der Ussing-Kammer-Technik untersucht werden. Die Zugabe von Histamin zur serosalen Seite der Epithelien führte zu einem schnellen Anstieg des Kurzschlussstroms. Im Gegensatz zu zahlreichen anderen Untersuchungen an Darmepithelien, in denen eine H1-vermittelte Wirkung von Histamin gefunden wurde, wurde die Wirkung am proximalen Kolon des Schweins über H2-Rezeptoren vermittelt. Die Änderung des Kurzschlussstroms nach Histaminzugabe resultierte aus einer Chloridsekretion. Eine Chloridsekretion scheint somit eine generelle Wirkung von Histamin auf Darmepithelien zu sein, unabhängig von der Art des Wirkungs-vermittelnden Rezeptortyps. Histamin wurde aus den Epithelpräparationen spontan und nach Stimulation von Mastzellen freigesetzt. Obwohl nach Mastzellstimulation eine hohe Histaminfreisetzung beobachtet werden konnte, war dieses Histamin nicht an der sich aus der Stimulation ergebenen elektrophysiologischen Reaktion des Epithels beteiligt. In Fluxstudien mit radiaktiv markiertem Histamin wurde eine konzentrationsabhängige Histaminpermeation über das Epithel festgestellt. Diese Permeation ist von mukosal nach serosal scheinbar parazellulär lokalisiert. Dagegen scheint bei der Permeation von serosal nach mukosal ein transzellulärer Anteil vorhanden zu sein, da eine aktive Sekretion von Histamin in das Darmlumen festgestellt werden konnte. Während der Permeation von Histamin über das Epithel wurde in Abhängigkeit von der vorgegebenen Konzentration zwischen 80% und 100% des permeirenden Histamins verstoffwechselt. Somit besteht eine effektive Darmbarriere gegenüber exogenem Histamin, die sich aus einer geringen Permeation und einer hohen intraepithelialen Verstoffwechselung von Histamin zusammensetzt. Beide für den Abbau von Histamin in Frage kommenden Enzyme, Diaminoxidase (DAO) und Histamin-N-Methyltransferase (HNMT), sind am Katabolismus von Histamin beteiligt. Während in der Literatur die DAO als das „bedeutendste Enzym des Histaminkatabolismus am Darm“ angegeben wird, ist am proximalen Kolon des Schweins die HNMT wichtiger für den Histaminabbau. Beide Enzyme bewerkstelligen sowohl den Abbau von endogen freigesetztem Histamin als auch von transepithelial permeierendem Histamin. Somit hätte eine Hemmung dieser Enzyme, die durch eine Vielzahl von Stoffen, darunter gebräuchliche Arzneimittel, hervorgerufen werden kann, dramatische Konsequenzen. In diesem Fall würde der Körper in hohen Maßen sowohl von endogenem als auch von exogenem Histamin aus dem Darm belastet werden. / In the oral part of pig large intestine, high amounts of luminal histamine can be found due to bacterial production. Further more, histamine is abundantly present in the intestinal wall, where it is stored in different populations of mast cells. Both sources of histamine, exogenous and endogenous, are very dangerous for the body, because histamine is able to elicit systemic effects when it is spilt over in the systemic circulation. Under normal conditions no pathophysiological reactions can be observed in pigs due to the high amounts of histamine in the gut. Therefore, it must be concluded that there is a very effective barrier against luminal histamine. However, neither the barrier function has been characterized yet, nor is there any data available on the action of histamine in this part of the porcine gut. Therefore, the aim of this study was to investigate the effect, permeation and catabolism of histamine in isolated epithelia of the proximal colon by using the Ussing chamber technique. Addition of histamine to the serosal side induced a rapid rise in short-circuit current. In contrast to many studies investigating the action of histamine in other gut epithelia, in the pig proximal colon histamine acts via H2 receptors. Histamine induced a chloride secretion, which seems to be a common mechanism of gut epithelia, independent from histamine receptor type involved. Endogenous histamine was liberated spontaneously from the epithelia in small amounts. High amounts of histamine were found after a mast cell stimulation. However, this histamine did not participate in a concurrent electrophysiological reaction of the epithelia. In flux studies with radioactively labeled histamine, a transepithelial permeation of histamine was observed in a dose dependent manner. This permeation was located on the paracellular pathway in the mucosal-to-serosal direction. In the serosal-to-mucosal direction a, at least in part, transcellular pathway must be concluded from the observed histamine secretion into the gut lumen. Among 80% and 100% of histamine was catabolised dose-dependently during permeation. Therefore, the very effective gut barrier against histamine is based on a low paracellular permeation and a high intraepithelial catabolism of histamine. The histamine-degrading enzymes, diamine oxidase (DAO) and histamine N-methyltransferase (HNMT), took both part in the catabolism of histamine. While in literature DAO is called “the bottleneck of histamine degradation in the gut”, HNMT seems to be more significant in pig proximal colon. DAO and HNMT are important for the catabolism of exogenous and endogenous histamine. Therefore, inhibition of these enzymes, which is possible by numerous drugs, would have dramatic consequences. In that case, high amounts of histamine would be able to reach the systemic circulation.

Die zunehmend kritische Betrachtung von Tierhaltungssystemen durch den Verbraucher erfordert eine wissenschaftliche Bewertung der Tiergerechtheit und der arteigenen Bedürfnisse von Nutztieren. Konventionelle ballaststoffarme Schweinemastfutter entsprechen nicht den ethologischen und ernährungsphysiologischen Ansprüchen der Tiere. Verhaltensstörungen sind daher bei Schweinen verbreitet. Der gewählte Forschungsansatz geht davon aus, dass eine erhöhte Befriedigung der Fressmotivation durch rohfaserreiche Futtermittel hier Abhilfe schaffen kann. Daher wurden je 14 Börge über eine Mastperiode mit einer lignocellulosehaltigen Ration gefüttert und mit einer konventionell gemästeten Tiergruppe verglichen. Die Futteraufnahme der Tiere wurde am Fressplatz mit RFID-Respondern registriert. Dabei zeigte sich, dass rohfaserreich gefütterte Schweine langsamer, länger und seltener fraßen und insgesamt weniger Futter aufnahmen. Das lässt auf ein erhöhtes Sättigungsgefühl der Tiere schließen. Das Aktivitäts- und Erkundungsverhalten wurde durch eine Kombination verschiedener Methoden gemessen. Videoanalysen belegten, dass die Tiere beider Gruppen etwa gleich lang ruhten. Die Rohfasertiere zeigten sich dabei weniger empfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur. Die Erkundungsintensität, die mittels Respondern gemessen wurde, war ebenfalls nicht durch das Futter beeinflusst. Rohfaserreich gefütterte Schweine zeigten allerdings weniger Interesse an einem Spielzeug und weniger agonistische Auseinandersetzungen. Die Konkurrenz am Futterautomaten war wegen der längeren Fresszeit jedoch erhöht. Vermutlich war die Haltungsumwelt nicht geeignet, bestimmte Unterschiede im Verhalten der Schweine festzustellen. Die Rohfasertiere wuchsen langsamer als die Kontrolltiere, hatten jedoch Schlachtkörper mit erhöhtem Muskelfleischanteil. Die Futterverwertung unterschied sich nicht. Rohfaserreiches Futter verbessert offensichtlich beim Mastschwein die Sättigung und erhöht das Tierwohl. / Animal welfare is of growing importance to consumers of animal products. The development of animal-friendly housing systems and the research on the animal’s requirements are thus aspects of interest. Conventional feeds for fattening pigs are poor in dietary fibre and do not meet the ethologic and nutritional physiologic needs of pigs. This presumably this leads to misdirected behaviour and behavioural disorders, which are widespread in growing pigs. Numerous studies indicate that fibrous feed causes a higher satiation. The thesis on hand is based on the approach that a high level of crude fibre for fattening pigs leads to a reduced motivation to feed and to explore and thus provides relief to the animals. To investigate this, groups of 14 castrated male pigs were fed with a ration containing lignocelluloses during an entire fattening period and were compared to conventionally fed pigs. The feeding pattern of the animals was recorded using RFID responders. Pigs receiving high-fibre feed ate slower, longer and less often and consumed less feed than control pigs. This indicated an improved satiation. Activity and explorative behaviour was measured using various methods. Video analysis showed that both groups performed the same amount of resting behaviour. When choosing a place to rest, high-fibre pigs were less sensitive to their ambient temperature. The intensity of exploration, which was RFID-recorded, was not influenced by the feed. However, high-fibre pigs showed less interest in a toy and less agonistic behaviour. The competition at the feeders was higher, probably because of the prolonged feeding time. Presumably the housing conditions were not suitable for the detection of differences in explorative behaviour between high-fibre and control groups. High-fibre pigs fattened less than control pigs, but delivered better carcasses. The feed conversion was the same for both groups. Fibrous feed apparently enhances satiety in growing pigs and improves animal welfare.

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