Zusammenfassung Ziel der Studie: Viehhaltung ist häufig mit Endotoxin-Exposition assoziiert. Die vorliegende Studie untersucht, ob der Endotoxingehalt der Luft in Ställen mit unterschiedlichen Haltungsformen einen Einfluss auf die Lungenfunktionsparameter FEV1 und FVC der Landwirte hat. Methoden: N = 5 Ställe (5 Höfe) wurden standardisiert auf Endotoxine in der Luft untersucht. Bei n = 17 Landwirten (davon 16 Nichtraucher) erfolgte nach Arbeitsende die Lungenfunktionsprüfung mittels Handspirometer. Ergebnisse: Die Endotoxingehalte (Milchkuhställe und ein Abferkelstall) liegen im Durchschnitt bei 607.0 EU/m3 (s 659.0, Med 315.0 EU/m3, Min 25.0 EU/m3). Hofbezogen werden Maxima von 3926.0 EU/m3 nach maschinellem Einstreuen von Stroh beobachtet. Die Außenluft-Werte sind sehr niedrig (MW 3.0 EU/m3, s 1.2, Med 3.5 EU/m3, Min 1.3 EU/m3, Max 4.4 EU/m3). Das Alter der zu 76.5% männlichen Landwirte variiert zwischen 18 und 73 Jahren (MW 41.3 Jahre, s 17.5, Med 35.7 Jahre). Bei fast einem Drittel der im Mittel schon 20.7 Jahre in ihrem Beruf Tätigen (s 18.0, Med 19.4 Jahre, Min 0.3 Jahre, Max 58.5 Jahre) liegt das relative FEV1 unter 80%. Der Quotient aus Ist- und Soll-FEV1-Wert beträgt im Mittel 0.96 (s 0.14, Med 0.98, Min 0.74, Max 1.22), bei 23.5% der Teilnehmer ist das FEV1 und bei 17.6 % die FVC unterhalb des 80%-Sollwertes. Mit steigender Endotoxinkonzentration nimmt der Quotient aus Ist- und Sollwert ab. Dies gilt für beide Lungenfunktionsparameter (FEV1: r = 0.76, p < 0.01, FVC: r = 0.82, p < 0.01) und ist unabhängig von der Beschäftigungsdauer. Schlussfolgerungen: Die Empfehlungswerte von 50 EU/m3 bzw. 200 EU/m3 werden deutlich überschritten, im Vergleich zu anderen Untersuchungen aus der Landwirtschaft sind die Endotoxingehalte aber eher gering. Ihr Einfluss auf die Lungenfunktion ist nachweisbar und steht insbesondere im Zusammenhang mit bestimmten Tätigkeiten wie dem Einstreuen von Stroh. Neben Veränderungen der Arbeitsabläufe und Einsatz von PSA sind bei Landwirten regelmäßige Lungenfunktionsprüfungen im Rahmen einer arbeitsmedizinischen Betreuung dringend zu empfehlen. Schlüsselwörter: Endotoxine Lungenfunktion Landwirte Study on stress and strain in farmers: Influence of exposition to endotoxins on lung function Abstract Aims of the Study: Cattle breeding is often associated with exposition to endotoxins. The present study examines whether the endotoxin concentration in the air of different types of stables has an influence on the lung function parameters FEV1 and FVC in farmers. Methods: N = 5 stables (5 farms) were tested for endotoxins in the air using standardized measurements. In n = 17 farmers (16 of whom nonsmokers) the lung parameters were measured by means of a hand spirometer after end of work. Results: The endotoxin concentration (in stables of cows and piglets) averaged 607.0 EU/m3 (s 659.0, med 315.0 EU/m3, min 25.0 EU/m3). Depending on the farm, maxima of 3926.0 EU/m3 were measured after straw had been interspersed mechanically. The external air values are very low (mean 3.0 EU/m3, s 1.2, med 3.5 EU/m3, min 1.3 EU/m3, max 4.4 EU/m3). The age of the farmers, 76.5% of whom are male, varies between 18 and 73 years (mean 41.3 years, s 17.5, med 35.7 years). On average, the farmers had been in their jobs for 20.7 years (s 18.0, med 19.4 years, min 0.3 years, max 58.5 years). In one third of them the relative FEV1 is under 80%. The quotient of actual value and reference value of FEV1 averages 0.96 (s 0.14, med 0.98, min 0.74, max 1.22). In 23.5% of the participants the FEV1 is below the reference value of 80%, while the FEV is below this value in 17.6%. The quotient of actual value and reference value decreases with rising concentration of endotoxin. This applies to both parameters (FEV1: r = 0.76, p < 0.01, FVC: r = 0.82, p < 0.01) and is independent of the length of employment. Conclusions: The recommendation values of 50 EU/m³ and 200 EU/m³ are clearly exceeded. In contrast to other studies from agriculture, however, the concentrations of endotoxin are rather low. Their influence on the lung function can be detected and is especially linked to specific activities, such as interspersing straw. In addition to changes of the operational sequences and the use of personal protective equipment, regular tests of the lung function in the context of occupational medical care are highly recommended for farmers. Key words: Endotoxins lung function farmer
1 Einleitung
Endotoxine sind toxische Zellwandprodukte von gramnegativen Bakterien und haben für infizierte Wirtsorganismen als Oberflächenantigene Bedeutung. Die Größe der Endotoxine liegt im Bereich von 1520 nm. Sie stellen auf Grund des Umgangs mit biologischen Arbeitsstoffen eine typische aerogene Exposition bei Landwirten mit Viehhaltung dar.
Die akute Endotoxin-Exposition führt zu einer Aktivierung von Alveolarmakrophagen, wodurch eine Ausschüttung von inflammatorischen Mediatoren ausgelöst wird. Beim Menschen wird das Krankheitsbild der sogenannten toxischen Alveolitis (als Synonyme Inhalationsfieber oder ODTS Organic Dust Toxic Syndrome) charakterisiert durch etwa 6 Stunden nach Exposition auftretende grippeähnliche Beschwerden mit trockenem Husten, Abgeschlagenheit und Fieber, die innerhalb von 24 Stunden wieder abklingen.
Bei fortgesetzter Exposition sind sowohl verstärkte immunologische Reaktionen einschließlich einer verminderten Lungenfunktion (FEV1-Abfall)1 als auch abgeschwächte IgE-mediierte Entzündungsreaktionen auf andere Allergene beschrieben2. Hierzu passen auch Befunde aus großen epidemiologischen Untersuchungen, die für Kinder, die auf Bauernhöfen aufwuchsen, ein im Vergleich zu Stadtkindern deutlich vermindertes Risiko für die Entwicklung einer Atopie zeigten. Personengruppen mit chronischen Lungenkrankheiten wie Asthma oder Bronchitis zeigen schon bei geringeren Endotoxinkonzentrationen pulmonale Reaktionen als Gesunde. Raucher scheinen empfindlicher als Nichtraucher auf eine Endotoxininhalation zu reagieren.
2 Ziel der Studie
Die vorliegende Studie untersucht an einem kleinen Kollektiv von Landwirten, ob der Endotoxingehalt der Luft in den Ställen mit unterschiedlicher Viehhaltung einen Einfluss auf die leicht vor Ort zu ermittelnden Lungenfunktionsparameter FEV1 und FVC der Landwirte hat.
3 Methoden
In 5 Ställen (5 Höfe mit Milchvieh- und/oder Schweinehaltung) erfolgte die Probennahme gemäß BIA 9450 (Air-Sampler: 3 x 50 min, 3.5 l/min). Die Air-Sampler wurden in den Fütterungsgängen aufgestellt. Zur Quantifizierung der Endotoxingehalte in der Luft wurde der LAL-Test (Limulus-Amoebozyten-Lysat) eingesetzt.
Eine Übersicht über die Basisdaten und die Tierhaltung auf den Höfen gibt Tabelle 1. Das o.g. Ambientmonitoring wurde in vier Milchkuhställen und in einem Schweinestall durchgeführt. Bei den Milchkuhställen handelt es sich jeweils einmal um Spaltbodenhaltung mit und ohne Häckseleinstreu (Abbildung 1a) sowie um Strohhaltung mit manueller und mit maschineller Einstreuung. In zwei Milchkuhställen konnten die Endotoxine in der Luft auch während des Einstreuens von Stroh gemessen werden. Der Schweinestall war nicht mit Stroh, sondern mit Spaltboden ausgestattet und für die Ferkel wurden Warmwasserbetten verwendet (Abbildung 1bc).
Veranschaulicht werden die unterschiedlichen Haltungs- und Untersuchungsbedingungen auch durch die folgenden Fotos der untersuchten Ställe (Abbildung 1a1c).
Die freiwilligen Teilnehmer (n = 17 bisher gesundheitlich unauffällige Landwirte, davon 16 Nichtraucher) wurden im Rahmen einer Informationsveranstaltung bei einem Landarzt (Thema: Belastung und Beanspruchung in der Landwirtschaft) rekrutiert. Nach Beendigung der Stallarbeit wurde bei den Landwirten die Lungenfunktionsprüfung mittels Handspirometer 2120 (Vitalograph) durchgeführt. Für die Sollwertberechnung wurden die Formeln nach Quanjer et al. von 1993 verwendet. Einverständniserklärungen der Teilnehmer und positives Votum der Ethikkommission liegen vor.
Die erhobenen und gemessenen Daten (Anamnesebögen, Bögen zur Erfassung der Basisdaten zur Hofgröße, Tierhaltung etc., Messergebnisse aus Ambient- und Biomonitoring) wurden anonymisiert über probandenspezifische Codenummern erfasst und für die elektronische Datenverarbeitung aufbereitet. Die Auswertungen wurden mit Hilfe des Statistikprogrammpakets SPSS (Version 15.0) durchgeführt. Zum Vergleich von Verteilungs- und Stichprobenkennwerten wurden die dem jeweiligen Datenniveau entsprechenden Verfahren verwendet. Korrelationsprüfungen erfolgten mit Hilfe des Pearson´schen Produkt-Moment-Koeffizienten nach Prüfung auf Normalverteilung (Kolmogorov-Smirnov-Test). Berechnungen der linearen Regression zur Abschätzung der Güte des verwendeten Modells wurden ebenfalls durchgeführt. Als mehrdimensionale Verfahren wurde die Prozedur ANOVA aus dem SPSS-Paket zu Grunde gelegt.
4 Ergebnisse
Zunächst wird das Ambientmonitoring vorgestellt. Die Endotoxingehalte sind normalverteilt in der vorliegenden Untersuchung und liegen insgesamt betrachtet mit einem Mittelwert von 607 EU/m3 in einem vergleichsweise niedrigen Bereich. Es zeigt sich allerdings in unseren untersuchten Milchkuhställen (n = 4) und in dem Abferkelstall, dass die Exposition je nach Haltungsform sehr stark differiert. So reichen die Endotoxinkonzentrationen der Luft von 25 EU/m3 im Kuhstall mit Spaltboden bis maximal 3926 EU/m3 im Kuhstall nach maschinellem Einstreuen von Stroh (MW 607.0; s 659.0; Med 315.0). Tabelle 2 demonstriert die weiteren Kennzahlen und verdeutlicht die äußerst geringe Endotoxinkonzentration in der Außenluft, die als typisch für unbelastete Luft angesehen werden kann (MW 3.0; s 1.2; Med 3.5; Min 1.3; Max 4.4).
Abbildung 2 zeigt im Verlauf der Einzelmessungen sehr anschaulich, dass die hohen Endotoxingehalte direkt nach dem Einstreuen des Strohs auftreten, wobei durch das maschinelle Einstreuen höhere Werte erzeugt werden als durch das manuelle.
Es folgt jetzt die Darstellung der biometrischen Daten, der Beschäftigungsdauer und der Lungenfunktion der 17 in der Landwirtschaft tätigen Untersuchungsteilnehmer (Tabelle 3). Diese Parameterwerte sind alle normalverteilt. Das Alter der Landwirte (76.5 % sind männlich) liegt zwischen 18 und 73 Jahren (MW 41.3; s 17.5; Med 35.7). Bei fast einem Drittel der im Mittel schon 20.7 Jahre in ihrem Beruf Tätigen (s 18.0; Med 19.4; Min 0.3; Max 58.5) liegt das relative FEV1 unter 80%. Der Quotient aus Ist- und Soll-FEV1-Wert beträgt im Mittel 0.96 (s 0.14; Med 0.98; Min 0.74; Max 1.22). Bei 23.5% der Teilnehmer liegt das FEV1 und bei 17.6 % die FVC unterhalb des 80%-Sollwertes.
Zwischen der Lungenfunktion und der Beschäftigungsdauer besteht eine negative Korrelation. So verringern sich die Werte der Lungenfunktionsparameter FEV1 und FVC mit zunehmender Beschäftigungsdauer (FEV1: r = 0.66; p < 0.01 und FVC: r = 0.64; p < 0.01) der Teilnehmer, während das relative FEV1 von der Beschäftigungsdauer unbeeinflusst ist. Um den altersbedingten Effekt auch im Sinne eines möglichen Healthy-Worker-Effects beurteilen zu können, werden die Quotienten aus Ist- zu Sollwerten verwendet. Die Lungenfunktions-Quotienten FEV1-Ist/Soll und FVC-Ist/Soll korrelieren nicht mit der Beschäftigungsdauer, es zeigt sich allerdings ein positiver Zusammenhang zwischen dem Quotienten der relativen FEV1-Ist/Soll und der Beschäftigungsdauer (r = 0.56; p < 0.05). Dies ist zusammen mit dem geringen Anteil an Untersuchungsteilnehmern mit allergischem Asthma (nur) bei einem der 17 Landwirte wurde aufgrund der Klinik, der serologischen Allergiediagnostik und der Lungenfunktion im Rahmen dieser Untersuchung eine Berufskrankheiten-Anzeige (Ziffer 4301) erstattet ein dezenter Hinweis auf einen möglichen Selektionsbias im Sinne eines Healthy-Worker-Effects. Betrachtet man nun den Zusammenhang zwischen Ambient- und Biomonitoring, so fällt auf, dass mit steigender Endotoxinkonzentration der Quotient aus Ist- und Sollwert abnimmt. Das gilt für die Lungenfunktionsparameter FEV1 und FVC (FEV1: r = 0.76; p < 0.01; FVC: r = 0.82; p < 0.01) und ist unabhängig von der Beschäftigungsdauer. Dies wird veranschaulicht in Abbildung 3. Der Quotient des relativen FEV1-Ist/Soll wird allerdings von der Endotoxinkonzentration nicht beeinflusst. 5 Diskussion und Schlussfolgerungen
Einen verbindlichen arbeitsmedizinischen Grenzwert für Endotoxine gibt es zur Zeit nicht. Der niedrigste Empfehlungswert von 50 EU/m3 stammt vom Niederländischen Rat für Gesundheit aus den 1990er Jahren4. Er geht auf eine Untersuchung von Castellan et al.5 aus dem Jahr 1987 zurück und berücksichtigt den NOEL (No Observed Effect Level) für akute Lungenfunktionsveränderungen. Wegen fehlender Umsetzbarkeit und z.T. auch Bedenken bezüglich präziser und zuverlässiger Endotoxinbestimmungen wurde in den Niederlanden auch die zunächst 2003 auf 200 EU/m3 angehobene Grenze im Jahr 2005 wieder aufgehoben. Diese o.g. Empfehlungswerte werden bei den meisten Messungen der vorliegenden Untersuchung deutlich überschritten. Im Vergleich zu anderen Untersuchungen aus der Landwirtschaft sind bei unserer die Endotoxinkonzentrationen allerdings eher gering. Mackiewicz6 hat 1998 in polnischen Schweinefarmen hohe Endotoxinkonzentrationen zwischen 18 800 bis 312 500 EU/m3 bei einem Durchschnittswert von 228 000 EU/m3 ermittelt, Hartung et al.7 fanden 2004 in der Schweinemast im konventionellen Betrieb im Median Endotoxingehalte von 5 544 EU/m3 und bei Tiefstreuhaltung 14 495 EU/m3. Auch 2007 wurde auf dem Internationalen Symposium in Dresden Endotoxine an Arbeitsplätzen von relativ hohen Endotoxinkonzentrationen bis maximal 750 000 EU/m3 in der polnischen Viehzucht (Median 397.2 EU/m3) berichtet8, während der höchste Endotoxingehalt in den von uns untersuchten Ställen knapp 4 000 EU/m3 beträgt (bei einem Median von 315 EU/m3). Der Maximalwert steht dabei im Zusammenhang mit bestimmten Tätigkeiten wie dem Einstreuen von Stroh.
Unabhängig von der Beschäftigungsdauer hat in der vorliegenden Untersuchung mit einem relativ kleinen Kollektiv (n = 17 bisher gesundheitlich unauffällige Landwirte, bei denen sich dezente Hinweise auf einen möglichen Healthy-Worker-Effect zeigten: geringer Anteil an Asthmatikern und positive Korrelation zwischen sollwertbezogenem relativen FEV1 und Beschäftigungsdauer) die Endotoxinkonzentration in der Luft der Kuh- und Schweineställe einen negativen Einfluss auf die Lungenfunktion der Bauern. Dies gilt sollwertbezogen für das FEV1 und die FVC, allerdings nicht für das relative FEV1. In Längsschnittstudien konnten auch an größeren Kollektiven Einflüsse der Endotoxinexposition auf die Lungenfunktion nachgewiesen werden. Es sei hier beispielhaft die Untersuchung von Vogelzang et al. aus dem Jahr 19981 genannt, bei der über drei Jahre an holländischen Schweinefarmern eine deutliche Korrelation zwischen der Endoxinkonzentration und der mittleren jährlichen Verringerung des FEV1 (73 ml/Jahr) und der VC (55 ml/Jahr) festgestellt werden konnte, die unabhängig vom Alter, den Rauchgewohnheiten und den FEV1- und VC-Basiswerten war.
Neben diesen gesundheitsschädlichen Wirkungen scheint ein möglichst früher Kontakt mit Endotoxinen bei Bauernhofkindern im Sinne der Hygienehypothese auch einen protektiven Effekt bezüglich der Entwicklung einer Allergie bzw. allergischer Asthmaerkrankungen zu haben. Dies zeigen entsprechende epidemiologische Untersuchungen. Beispielhaft seien hier von Mutius et al. aus dem Jahr 20009 und Eduard et al. aus dem Jahr 200410 genannt. Der protektive Effekt kommt dabei nicht alleine durch Endotoxin, sondern überhaupt durch eine bäuerliche Lebensweise zustande. Hierzu passen auch die Auswertungen der PARSIFAL-Studie von Waser et al. aus 200711, die bei einem Kollektiv von über 14 000 Kindern zwischen 5 und 13 Jahren aus fünf europäischen Staaten zeigen konnten, dass Schulkinder 30% seltener an Asthma und über 40% seltener an Heuschnupfen erkranken, wenn sie in ihrem ersten Lebensjahr Milch direkt vom Bauernhof tranken.
Bei erwachsenen Landwirten allerdings, die ja neben den Endotoxinen noch einer ganzen Reihe von luftgetragenen bzw. staubgebundenen Schadstoffen über ein langes Berufsleben ausgesetzt sind, ist eine Expositionsverminderung insbesondere durch einfach zu realisierende Veränderungen der Arbeitsabläufe und Einsatz von PSA anzustreben. Zur Prävention von Lungen- und Atemwegserkrankungen sind auch regelmäßige direkt vor Ort unkompliziert durchzuführende Lungenfunktionsprüfungen im Rahmen einer arbeitsmedizinischen Betreuung dringend zu empfehlen.
· Literatur
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DECOS Dutch Expert Committee on Occupational Standards, a Committee of the Health Council of the Netherlands: Health based recommended occupational exposure limit: Endotoxins. Publication no 1998/ 03WGD Rijswijk The Netherlands 1998
Castellan RM, Olenchock SA, Kinsley KB, Hankinson JL: Inhaled endotoxin and decreased spirometric values. An exposure-response relation for cotton dust. N Engl J Med 1987; 317: 605610
Mackiewicz B: Study on exposure of pig farm workers to bioaerosols, immunologic reactivity and health effects. Ann Agric Environ Med 1998; 5: 169175
Hartung E, Ollesch K, Häußermann A, Rieger MA, Diefenbach H, Sundrum A, Ebke M, Lohmeyer M: Stallluftqualität und Arbeitsplatzbelastungen in unterschiedlichen Mastschweinehaltungsverfahren. Agrartechnische Forschung 2004; 10: 47 53
Góra A: Exposure to organic dust and endotoxin in Polish agriculture and other industries. Gefahrstoffe Reinhaltung der Luft 2007; 9: 391392
von Mutius E, Braun-Fahrlander C, Schierl R, Riedler J, Ehlermann S, Maisch S, Waser M, Nowak D: Exposure to endotoxin or other bacterial components might protect against the development of atopy. Clin Exp Allergy 2000; 9: 12301234
Eduard W, Omenaas E, Bakke PS, Douwes J, Heederik D: Atopic and non-atopic asthma in a farming and a general population. Am J Ind Med 2004; 4: 396399
Waser M, Michels KB, Bieli C, Floistrup H, Pershagen G, von Mutius E, Ege M, Riedler J, Schram-Bijkerk D, Brunekreef B, Van Hage M, Lauener R, Braun-Fahrländer C: Inverse association of farm milk consumption with asthma and allergy in rural and suburban population across Europe. Clin Exp Allergy 2007; 5: 661670
Das Projekt wurde gefördert aus Mitteln des MWF NRW.
