Helsingin yliopisto Maataloustieteiden laitos/agroteknologian yksikkö TUOTANTOELÄINRAKENNUSTEN ILMANVAIHTO Perusteet Berit Mannfors 10
ESIPUHE Kyseinen oppikirja on Maa- ja metsätalousministeriön vuonna 2010 rahoittaman ja Helsingin yliopiston Maataloustieteiden laitoksella suoritetun projektin Karjasuojien vaikutus eläinten hyvinvointiin: Ilmanvaihtoon ja lämpötilaan liittyvät suositukset lopputuote. Projektissa tutkittiin kokeellisesti tuotantoeläinrakennusten sisäilman laatua valituilla tiloilla sekä laskennallisesti tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihdon määritystä. Tuotantoeläimen hyvinvoinnin määrittäminen ja mittaaminen ovat murrosvaiheessa, ja odotettavissa on tuotantoeläinten pitoon liittyviä muutoksia. Tuotantoeläimen hyvinvointi ei enää tarkoita lakisääteisten minimivaatimusten täyttämistä eläimen hoidossa vaan huomiota kiinnitetään enenevässä määrin myös eläimen psyykkiseen hyvinvointiin elinkaudellaan syntymästä lopetukseen. Ilmanvaihto on yksi osatekijä eläimen hyvinvoinnissa. Käytännössä eläinten lisääntyvä hyvinvointi on toistaiseksi tarkoittanut eläimelle luonnonmukaisen toiminnan lisäämistä, mikä tuo haasteita myös eläinsuojien ilmanvaihdolle. Aiemmat suositukset tuotantoeläinrakennusten ilmanvaihdolle ovat perustuneet tuotantovaihekohtaisiin sisäilman lämpötiloihin ja hengitysilmassa sallittuihin haitallisten kaasujen enimmäispitoisuuksiin. Näistä kaasujen enimmäispitoisuudet ovat jatkossakin merkityksellisiä eläimen terveyden kannalta. Tosin todellisia kaasujen enimmäispitoisuusrajoja eläimen hyvinvoinnin kannalta ei tunneta käytännössä, vaan rajat perustuvat lähinnä ihmisten työterveystutkimuksista saatuihin tuloksiin. Sisäilman lämpötilaan liittyvä eläimen hyvinvointi on sen sijaan paljon monimutkaisempi johtuen eläimen fysiologisesta ja käyttäytymiseen perustuvasta yksilöllisestä sopeutumiskyvystä. Selkeiden sisäilman lämpötilojen antaminen ei siten liene jatkossa mielekästä muutoin kuin eläimelle tyypillisen tuotannon (maito, munat, liha, jälkeläiset) optimoinnin kannalta. Tähän oppikirjaan on kerätty ilmanvaihtoon liittyvä teoria ja projektin merkittävimmät tulokset. Projektissa kehitettiin myös nauta-, sika- ja siipikarjan eläinrakennuksille soveltuvat ilmanvaihto- ja lämmitysenergialaskurit. Laskurit perustuvat eläinrakennusten lämpö- ja kaasupitoisuustaseisiin. Laskurit toimivat Windowskäyttöympäristössä ja ohjelmat on kirjoitettu Microsoft Excel Visual Basic funktioiden avulla. Laskurit ovat kirjan liitteinä. Viikissä 31.12.2010 Berit Mannfors 2
SISÄLLYSLUETTELO 1. Eläinten hyvinvointivaatimukset a. Lämpöviihtyvyys b. Suhteellinen kosteus c. Hiilidioksidipitoisuus d. Veto e. Kaasupitoisuudet f. Pöly 2. Eläinten tuottama lämpö ja kaasut a. Lämmöntuotto b. Hiilidioksidin tuotto c. Veden tuotto d. Ammoniakin tuotto 3. Ilmanvaihdon merkitys hyvinvointiin a. Ilman fysikaaliset ominaisuudet b. Lämmön poisto c. Kosteuden poisto d. Hiilidioksidin poisto e. Ilmanvaihdon mitoittaminen f. Ilmanvaihdon määrittäminen eri poistostrategioiden avulla 4. Rakennusten ominaisuudet a. Lämmöntarve b. Rakenteiden kostuminen 5. Olosuhteiden mittaaminen a. Lämpöviihtyvyys b. Kosteus c. Kaasupitoisuudet d. Ilmanvaihtomäärät 6. Karjasuojien päästöt 3
1. ELÄINTEN HYVINVOINTIVAATIMUKSET Perinteinen tuotantoeläinten hyvinvointi on tarkoittanut riittävää ruokaa, puhdasta vettä, sairauksien hoitoa ja riittäviä elinolosuhteita. Erityisesti viimeisten vuosikymmenten aikana tuotantoeläinten pito on perustunut tuotannon optimointiin. Haittapuolena optimointiin tähdänneestä tuotantoeläinten geneettisestä kehittämisestä on seurannut eläinrotuja, jotka tuottavat hyvin mutta kärsivät erilaisista sairauksista. Erilaiset kliiniset ongelmat kuten jalkavaivat ja hengitystiesairaudet ovat yleisiä monilla tuotantosuunnilla. Tuotannon optimointi on myös kasvattanut tilojen kokoja ja nostanut eläintiheyttä tiloilla, mikä kliinisten ongelmien aiheuttaman stressin lisäksi on lisännyt eläinten häiriökäyttäytymistä. Esimerkkinä voidaan mainita sikojen hännän puremiset. Eläinsuojelulaki ja asetus antavat kotieläintuotantoa koskevat minimivaatimukset [viite]. Tämän lisäksi on olemassa määräyksiä ja suosituksia eri tahoilta. Maa- ja metsätalousministeriö (MMM) on julkaissut maatalouden tuotantorakennuksia koskevat suositukset rakentamismääräys- ja ohjekokoelman osassa C2.2 (MMM-RMO C2.2) [MMM-RMO]. Liitteessään ministeriö on antanut muun muassa eläinrakennuksen ilmanvaihtoa koskevia suosituksia sisäilman lämpötilan ja kaasujen pitoisuuksien osalta. Ilmanvaihto-ohjeet perustuvat Valtion Maatalouskoneiden Tutkimuslaitoksen (Vakola) selvitykseen vuodelta 1984 [Vakola84], minkä taustalla on useita Suomessa ja ulkomailla suoritettuja tutkimuksia. Tämän lisäksi eläinaineksen tuottajat ja rehuvalmistajat antavat eläimen kasvun ja tuotannon optimointiin liittyviä suosituksiaan. Suomi Euroopan Unionin maana on myös velvollinen noudattamaan EU:ssa annettuja määräyksiä ja suosituksia. EU onkin julkaissut tuotantoeläinten pitoa, eläinrakennuksia, eläinkuljetuksia ja eläinten teurastusta koskevia direktiivejä [98/58/EC (standardit maatilaeläinten pitoon), 91/629/EEC (minimistandardit vasikoiden pitoon) 91/630/EEC (minimistandardit sikojen pitoon), 1997/74/EC (minimistandardit munintakanojen pitoon), 93/119/EC (standardit eläinten teurastukseen ja tappoon) sekä 91/628/EEC (standardit eläinkuljetuksiin)]. 2000-luvulla tuotantoeläinten hyvinvointi on noussut merkittävälle sijalle tuotantoeläinten pitoa koskevissa keskusteluissa ja tutkimuksissa. Useita Euroopan maita sisältänyt ja EU:n vuosina 2004 2009 rahoittama nauta-, sika- ja siipikarjaa koskenut Welfare Quality projekti tähtäsi koko Eurooppaa koskeviin tuotantoeläimen hyvinvoinnin määrityskriteereihin [WQ1, WQ2, WQ3]. Projektin tulos lyhyesti kiteytettynä tarkoittaisi tulevaisuudessa eläimen elämisen arvoista elämää, elinoloja, joissa yhdistyy eläimen fyysinen ja psyykkinen hyvinvointi ja joissa eläin kokee olonsa vähintäänkin tyytyväiseksi. Hyvinvointiluokitus tulee sisältämään olot eläimen syntymästä sen lpoistamiseen, mikä tarkoittaa esimerkiksi eläimen pelon vähentämistä kuljetus- ja teurastustilanteissa. Hyvinvointi tullee jatkossa tarkoittamaan eläintuotteiden hyvinvointiin perustuvaa luokittamista. Näin ollen kuluttajilla tulee olemaan suuri mahdollisuus vaikuttaa tuotantoeläinten hyvinvointiin valitsemalla vain hyvinvoivien eläinten tuotteita. Edellytys, joka todettiin myös Welfare Quality projektissa, on kuitenkin hyvän tuotteen edullisuus huonompaan nähden. Lähitulevaisuuden suurin haaste onkin, miten mitata ja havainnoida luotettavasti eläinten hyvinvoinnin tasoa. Yksi osa-alue tuotantoeläinten hyvinvoinnissa on eläinrakennuksen sisäilman laatu ja riittävä ilmanvaihto. Ilmastoa, joka ympäröi eläintä, kutsutaan mikroilmastoksi, ja sen hyvä laatu on oleellista eläimille, ei niinkään koko rakennuksen ilman laatu. Ilman laatuun vaikuttavia kriteerejä ovat lämpötila, ilman koostumus (mukaan lukien haitalliset ilman komponentit), ilmavirtausten nopeus, ilman liike ja valaistus. Tämä oppimateriaali keskittyy ilman laadun tekijöihin ja ilmanvaihdon määrittämiseen. 4
A. Lämpöviihtyvyys Eläin tuottaa lämpöä metaboliallaan. Eläin käyttää rehun sisältämää, elimistölle käyttökelpoista energiaa fysiologisiin elintoimintoihinsa ja aktiviteettiinsa. Osan energiasta tasalämpöinen tuotantoeläin käyttää ruumiinlämpönsä ylläpitämiseen ympäristöoloissa, joissa eläin elää. Osa rehun sisältämästä energiasta kuluu tahdosta riippumattomaan kehon toimintaan sekä osa kasvuun ja eläimelle tyypilliseen tuotantoon (maito, liha, munat, jälkeläiset). Osa energiasta siirtyy lämpönä eläimen noin +40 C:isesta kehosta viileämpään ympäristöön ja osa energiasta kuluu hengitysteiden pinnoilla olevan nestemäisen veden muuttamiseen uloshengitysilman vesihöyryksi. Yllä mainitut tekijät kuvaavat eläimen lämmöntuottoa ja lämmönluovutusta. Eläimen lämmöntuottoa on energia, jonka eläin tarvitsee elämälle välttämättömiin elintoimintoihinsa, kasvuunsa, tuotantoonsa ja aktiviteettiinsa. Eläimen lämmönluovutusta on hukkalämpö, energia, joka siirtyy eläimestä ympäristöön. Lämmönluovutukseen kuuluvat siten lämpö, joka siirtyy eläimen kehon sisäosasta viileämpään ympäristöön sekä nestemäisen veden höyrystäminen eläimen hengittäessä. Lämmön siirtyminen korkeammasta lämpötilasta matalampaan, eläimen tapauksessa kehosta ympäristöön, on suoraa lämmönluovutusta, kun taas olomuodon muutokseen liittyvää lämmönluovutusta, jota tapahtuu eläimen hengittäessä, kutsutaan latentiksi lämmönluovutukseksi. (kuva 1.1). Kuva 1.1. Eläimen lämmöntuotto ja -luovutus Jotta eläimen ruumiinlämpö voi pysyä likimäärin vakiona, kokonaislämmöntuoton ja lämpöhäviöiden summan on oltava yhtä suuria. Siten eläimen lämpötilaan vaikuttaa myös ympäristön lämpötasapaino. Eläin pyrkii säilyttämään ruumiinlämpönsä tasaisena reagoimalla ympäristönsä lämpötilamuutoksiin sekä fysiologisesti että käyttäytymisellään. Fysiologisia muutoksia ovat eläimen rasva- ja ihokerroksen paksuuden, (pinta)verenkierron ja hengitystiheyden muutokset sekä karva- ja sulkapeitteen muutokset. 5
Fysiologisia muutoksia ovat myös hikoilu ja läähättäminen kuumassa eläimen pyrkiessä poistamaan liiallista lämpöä latenttina lämpönä. Eläin reagoi myös syömisellään ympäristön lämpötilan aiheuttamaan muutokseen: syö enemmän kylmässä lisäten lämmöntuottoaan ja vähemmän kuumassa vähentäen lämmöntuottoaan. Käyttäytymiseen perustuvia muutoksia ovat eläimen aktiivisuustaso, haku ryhmään tai lämpölaitteen lähelle kylmällä, haku suojaan tuulelta tai vedolta, asennon muuttaminen seistessä ja makuulla, ihon kostuttaminen kuumalla sekä makuualustan valitseminen, jos eläimelle on tarjolla vaihtoehtoja. Fysiologisten muutosten nopeus riippuu myös eläimen sopeutumiskyvystä sekä ympäristön lämpötilamuutoksen suuruudesta ja nopeudesta. Pidemmällä aikavälillä eläin sopeutuu ainakin osittain vallitsevaan lämpötilaan normaaleissa ilmasto-olosuhteissa. Esimerkiksi nautaeläinten tiedetään viihtyvän pakkasella ulkona, kunhan tarjolla on suojaa tuulelta ja sateelta sekä haaleaa vettä juotavaksi. Eläinsuojien lämpötilasuositukset perustuvat osin lämpöviihtyvyysalueeseen eli lämpötila-alueeseen, jota rajaavat alempi ja ylempi kriittinen lämpötila (kuva 1.2). Kuva 1.2. Tuotantoeläimen lämpöviihtyvyysalueet. Lämpöviihtyvyysalueelle on kirjallisuudessa useampia määrittelyjä [Livestock]. Näistä pitkään käytetty määritelmä rajaa alueen lämpötiloille, joissa eläimen metaboolinen lämmöntuotto on pienimmillään (TNZ, thermal neutrality zone, lämpöneutraali alue). Suositeltavampi määritelmä käsittää kuvassa 1.2. esitetyn alueen ZLTE (zone of least thermoregulatory effort). Molempien määritelmien rajoina ovat sama alempi mutta eri ylempi kriittinen lämpötila (LCT, lower critical temperature, ja UCT, upper critical temperature). Alemmalla kriittisellä lämpötilalla tarkoitetaan lämpötilaa, jonka alapuolella eläin alkaa syödä enemmän ruumiinlämpönsä ylläpitämiseksi. Lämpöneutraalin alueen ylempänä lämpötilana on lämpötila, jonka yläpuolella eläin vähentää syömistään, kun taas ZLTE alueen ylempänä kriittisenä lämpötilana on lämpötila, jossa eläin alkaa hikoilla tai läähättää riippuen, kummalla tavalla eläin ensimmäiseksi pyrkii poistamaan kehostaan ylimääräistä lämpöä. Vasta kun nämäkään keinot eivät riitä liikalämmön poistamiseksi, eläin vähentää syömistään. ZLTE alue vastaa siten lämpöviihtyvyysaluetta, missä eläin voi elää tarvitsematta kokea kylmää tai kuumaa. Samalla alue takaa eläimen kasvun ja tuotannon pienimmällä rehun tarpeella. Todellisuudessa tilanne on kuitenkin paljon monimutkaisempi, sillä eläimen lämmöntunteeseen ei vaikuta yksin eläimen ympäristön ilman lämpötila vaan lähinnä ympäristön pinnoista säteilevä lämpö matalissakin 6
lämpötiloissa. Takan tai grillin ääressä tuntuu lämpimältä vaikka ympäröivä ilma olisi viileää. Lattialämmityksellä ja riittävällä katteella voidaan samasta syystä alentaa sisäilman lämpötilaa. Ilman lämpötilan vaikutus tasalämpöisen olennon lämmöntunteeseen riippuu myös ilman kosteudesta ja ilmavirtausten voimakkuudesta. Lisäksi on otettava huomioon eläimen yksilöllinen kyky sietää erilaisia lämpötiloja ja sopeutua muuttuvaan lämpötilaan unohtamatta muutoksia käyttäytymisessä lämpötilan muuttuessa. Sen sijaan ympäristön lämpötilalla on merkitystä optimoitaessa eläimen kasvua ja tuotantoa. Alla olevaan taulukkoon on kopioitu Maa- ja metsätalousministeriön rakennusmääräys- ja ohjekokoelman osassa C2.2 annetut kriittiset lämpötilat [MMM-RMO] sekä optimilämpötilat, joihin vaikuttavat eläinten tilassa käsiteltävien nesteiden kuten lypsettävän maidon tai sikojen liemiruokinnan asettamat vaatimukset nesteiden jäätymisen estämiseksi sekä rakennuksessa työskentelevän ihmisen mukavuus. Eläinlaji Kriittinen lämpötila ( C) Optimi ( C) Alempi Ylempi Lehmä (-25 ) -15 23 27 5 15 Nuorkarja (-15 ) 0 25 30 10 20 Pikku vasikka (0 ) 10 30 15 25 Lihakarja (yli 3 kk) (-35 ) -15 25 30-10 15 Porsiva emakko (5 ) 20 27 32 10 28 Vastasyntynyt porsas (alle 2 vko) 25 34 30 32 Lihasika (7 ) 15 25 27 15 22 Taulukko 1.A1. MMM-RMO C2.2 ohjeen mukaiset eläinrakennuksen sisälämpötilat Ilmanvaihdon määritykseen liittyvä ja monikansalliseen tutkimukseen perustuva Commission Internationale du Génie Rural (CIGR) järjestön raportti vuodelta 1984 antaa lausekkeen nautojen ja sikojen alimman kriittisen lämpötilan laskemiseksi: P P t LCT = tkeho - ) + A A lämpö kosteus ( Rulko + Rsisä Rulko (1.1) Lausekkeessa t keho = eläimen ruumiinlämpö ( C) P lämpö = eläimen tuottama kokonaislämpöteho (W) P kosteus = eläimen tuottama latenttilämpöteho (W) A = eläimen pinta-ala (m 2 ) R ulko = lämpövastus eläimen ulkopuolella (m 2 K/W) R sisä = lämpövastus eläimen sisäpuolella (m 2 K/W). Lausekkeen parametreista nykyisten suurituotoksisten eläinten lämmöntuotot ja lämpövastukset tunnetaan huonosti. Siten eläimelle optimaalisen lämpötila-alueen paras mittari on eläin itse, ja 7
lämpöviihtyvyys-alueen rajat lienevät parhaiten määritettävissä havainnoimalla eläinten käyttäytymistä niiden levätessä. Seuraavaan taulukkoon (Taulukko 1.2.) on kerätty Maa- ja metsätalousministeriön suositukset lämmöneristävien eläinrakennusten sisälämpötiloiksi talviolosuhteissa [MMM-RMO] (ensimmäinen arvo) sekä CIGR 1984 raportin [CIGR84] oletetut eläinrakennusten sisäilman alimmat (jälkimmäinen arvo) ja ylimmät lämpötilat vastaten talvi- ja kesäolosuhteita. Eläinlaji Ikäluokka Tuotos/vrk Elopaino (kg) a Sisälämpötila ( C) Alin (talvi) a Nauta Vasikka 75, 50 150 12, 10 30 Hieho, lihakarja (100)200 (600)500 12, 10 30 Lypsylehmä 10 20 kg 400 700 12 c, 10 30 Siitossonni 1000 -, 10 30 Sika Porsas 2 -, 28 30 5 -, 25 30 7??? 32, - 10 22, 24 30 20 20, 20 30 Lihotussika 30 16(18) d, 17 30 40 -, 15 30 60 16 e, 13 30 80 -, 13 30 90 16 e, - 100 -, 13 30 110 16 e, - Uudistusemakko alle 200 (alle 3 kk) 16, - Joutilas emakko 56 vrk f 150 250 12, 15 30 Imettävä emakko 7 kg 150 250 16, 18 30 Siitosemakko g 16, - Karju 150 250 12, 15 30 Kana Broileri 0,05 34, 30 30 0,1 31, - 0,3 -, 27 30 0,5 27, 24 30 1,0 23, 18 30 1,5 -, 18 30 1,7 21, - Häkkikana 1,5 2,0 -, 12 30 Muniva kana 2,0 18 h, - Ylin (kesä) b 8
a Kahden arvon (arvoalueen) tapauksissa ensimmäinen arvo on Maa- ja metsätalousministeriön suositus (MMM-RMO C2.2, Taulukko 2) ja jälkimmäinen arvo on CIGR raportissa käytetty arvo; b MMM-RMO ei anna lämpötiloja kesäolosuhteille; c MMM-RMO ei mainitse tuotostasoa; d 16 C jatkuvassa tuotannossa (30 110 kg) ja 18 C kierroskasvatuksessa (30 kg); e kierroskasvatus; f raskauspäivien lukumäärä; g emakot, pikkuporsaat ja karjut samassa tilassa; h MMM-RMO ei mainitse, onko kyseessä häkki- vai lattiakana. Taulukko 1.A2. Maa- ja metsätalousministeriön rakennusmääräys- ja ohjekokoelman osan C2.2 (MMM- RMO C2.2) ja Commission Internationale du Génie Rural (CIGR) järjestön vuoden 1984 raportin mukaiset eläinrakennusten sisäilman lämpötilat tuotantovaiheittain. Taulukossa 1.2. CIGR raportin mukaiset lämpötilat vastaavat rakennusolosuhteita, joissa eläimillä ei ole pehmikettä lukuun ottamatta broilereita. Lattiana on ollut paljas betonilattia, rakolattia tai verkkolattia. Porsaiden ja lihotussikojen oletettiin myös elävän ryhmissä, kun taas joutilaiden emakkojen ja karjujen oletettiin elävän yksikseen. Raportti suosittelee alimman lämpötilan laskemista 5 C:lla, jos eläimillä on pehmikettä lattialla. Ryhmästä häiriökäyttäytymisen tai muun syyn takia erotettujen terveiden yksinäisten tai muuten yksinään elävien sikojen osastojen sisäilman lämpötilaa tulisi raportin mukaan nostaa 6 C:lla. Suositeltavien lämpötilojen lisäksi vuorokautiset lämpötilavaihtelut lämmöneristävissä rakennuksissa eivät saisi olla suurempia kuin 5 C rajan ollessa 2 C nuorilla broilereilla ja vastasyntyneillä porsailla [MMM- RMO]. Isompien tuotantoeläintilojen toiminta on nykyään usein sidoksissa tilan eläinaineksen tuottajiin, rehun valmistajiin ja/tai eläinten tuotoksen ostajiin (meijerit, teurastamot) tilan eläinten eläessä hyvinkin valvotuissa olosuhteissa. Seuraavaan taulukkoon on kerätty joitakin eläinaineksen tuottajien julkaisemia suosituksia sisäilman lämpötiloiksi [management manuals]. Perustana lämpötiloille on eläimen optimaalinen kasvu ja tuotostaso. Eläinlaji Rotu Ikäluokka Ilman lämpötila ( C) Broileri ROSS a 1 vrk 30, 28 30 (kate) 3 vrk 28 6 vrk 27 9 vrk 26 12 vrk 25 15 vrk 24 18 vrk 23 21 vrk 22 24 vrk 21 27 vrk poisto 20 Munintakanat?? Optimi: 20 24 C (Vetsweb-ohje) kasvu + broilerit 1 vrk 32 34 1 vko 30 2 vko 26 3 vko 22 4 vko 20 9
a ROSS Management Manual 2009 muninta-aika 18 24 Taulukko 1.A3. Eläinainestuottajien suosittamat eläinrakennusten sisäilman lämpötilat Monet seikat kuten eläinrotu, eläintiheys, ympäristön ilmasto-olosuhteet, rakennustyyppi, lannanpoistojärjestelmä sekä rehun laatu ja ruokintasysteemi vaikuttavat eläimen hyvinvoinnin kannalta tarvittavaan ilmanvaihtoon ja edelleen sisäilman lämpötilaan. Ilmanvaihtoa lisättäessä sisäilman lämpötila nousee kuumassa ilmastossa ja laskee kylmässä ilmastossa ilman korvausilman jäähdyttämistä tai lämmittämistä, jotka lisäävät eläinten kasvattamiseen liittyviä kustannuksia. Seurauksena esimerkiksi Suomen kaltaisessa kylmässä ilmastossa on ajoittainen eläinrakennusten sisäilman huono laatu talviaikaan, kun ilmanvaihtoa pienennetään liikaa sisäilman lämpötilan pitämiseksi optimissaan mahdollisimman pienillä lämmityskustannuksilla tai riittämättömällä lämmityskapasiteetilla. Welfare Quality projektin yksi tuloksista oli, ettei selkeillä lämpötilarajoilla taata eläimen hyvinvointia lämpötilan riippuessa niin monesta tekijästä. Tulevaisuudessa lienee hyödyllisintä seurata eläinainestuottajien, rehun valmistajien ja/tai eläinten tuotoksen ostajien suosituksia myös lämpötilan osalta. Sen sijaan vastasyntyneitten ja muutamien viikkojen ikäisten eläinten tilojen ilman lämpötilan pitää olla riittävän korkea ja lämpötilan muutosten pieniä, koska hyvin nuorten eläinten lämmönsäätelyjärjestelmä ei joko toimi lainkaan tai toimii vain osin. Tärkeä seurannainen edellisestä on, että laskennallisessa ilmanvaihdon määrityksessä ilmanvaihtoon vaikuttavat tekijät pitää korjata vastaamaan eläinrakennuksen todellista sisäilman lämpötilaa, sillä käytännössä esimerkiksi eläinten kokonaislämmöntuottoa on tutkittu yleensä lämpöneutraalilla alueella tai lämpötilassa +20 C. Lämmöntuottoon liittyviä asioita käsitellään tarkemmin luvussa 2. 10
B. Suhteellinen kosteus Eläinrakennuksen sisäilman liiallinen kuivuus edesauttaa eläinten hengitystiesairauksien ja ihovaurioiden esiintyvyyttä ja lisää ilmassa olevan pölyn määrää. Ilman suhteellinen kosteus ei siten saisi olla alle 50 % [MMM-RMO]. Sen sijaan liiallinen sisäilman kosteus ei sinänsä vaaranna eläimen terveyttä mutta on haitallista itse rakennuksen materiaaleille. Esimerkiksi puurakenteet lahoavat ja metalli syöpyy, kun ilman suhteellinen kosteus on pidempiaikaisesti yli 85 %. Vesihöyry myös tiivistyy vedeksi kylmillä pinnoilla. Vesimolekyyli on myös polaarinen molekyyli, joka kykenee sitomaan itseensä vetysidoksilla hiukkasia, joilla on pieni sähköisesti varautunut osa kuten on esimerkiksi proteiineissa aminohappojen peptidiryhmät. Biologista alkuperää olevat hiukkaset esimerkkinä virukset ja bakteerien hajoamistuotteet sisältävät osia, joissa on sähköinen ryhmä. Sitoutuessaan ilman vesimolekyyleihin ne voivat aiheuttaa eläimille terveydellistä haittaa, jos ne joutuvat hengitysilman mukana alempiin hengitysteihin. Pölyhiukkasissa on myös sähköisesti varautuneita osia, joten ne myös vetysitoutuvat vesimolekyyleihin. Eläinten aktiviteetin kasvaessa uusien hyvinvointiasetusten seurauksena myös pölyn ja muiden biologista alkuperää olevien hiukkasten määrä ilmassa kasvaa, mikä puolestaan kasvattaa eläinrakennuksen ilmanvaihdon tarvetta. Oheisessa taulukossa (Taulukko 1.B1.) on Maa- ja metsätalousministeriön ylärajat sekä CIGR 1984 raportissa annetut tyypilliset arvot eläinrakennusten sisäilman suhteelliselle kosteudelle (RH). Eläinlaji Ikäluokka Tuotos/vrk Elopaino (kg) a RH (%) Talvi a Kesä b Nauta Vasikka 75, 50 150 85, 80 Hieho, lihakarja (100)200 (600)500 80 85 c, 80 Lypsylehmä 10 20 kg 400 700 85 d, 80 Siitossonni 1000 -, 80 Sika Porsas 2 -, 72 e 5 -, 72 e 7??? 80, - 10 80, 66 20 80, 70 Lihotussika 30 80 f, 73 40 -, 75 60 80 g, 77 80 -, 77 90 80 g, - 100 -, 77 110 80 g, - Uudistusemakko alle 200 (alle 3 kk) 80, - Joutilas emakko 56 vrk h 150 250 80, 75 Imettävä emakko 7 kg 150 250 80, 72 Siitosemakko i 80, - 11
Karju 150 250 80, 75 Kana Broileri 0,05 70, 60 0,1 75, - 0,3 -, 63 0,5 75, 66 1,0 75, 72 1,5 -, 72 1,7 75, - Häkkikana 1,5 2,0 -, 72 Munintakana 2,0 70 j, - a Kahden arvon (arvoalueen) tapauksissa ensimmäinen arvo on Maa- ja metsätalousministeriön suositus (MMM-RMO C2.2, Taulukko 2) ja jälkimmäinen arvo on CIGR raportissa annettu arvo; b suljettujen eläinsuojien kesäolosuhteet vastaavat talviolosuhteita; c hiehot 85 % ja lihakarja 80 % d MMM-RMO ei mainitse tuotostasoa; e suhteellinen kosteus määräytyy imettävän emakon mukaan f jatkuvassa tuotannossa (30 110 kg) ja kierroskasvatuksessa (30 kg); g kierroskasvatus; h raskauspäivien lukumäärä; i emakot, pikkuporsaat ja karjut samassa tilassa; j MMM-RMO ei mainitse, onko kyseessä häkki- vai lattiakana. Taulukko 1.B1. Maa- ja metsätalousministeriön suositukset [MMM-RMO] sekä Commission Internationale du Génie Rural (CIGR) järjestön vuoden 1984 raportin [CIGR1984] mukaiset eläinrakennusten sisäilman suhteelliset kosteudet tuotantovaiheittain Erot suhteellisissa kosteuksissa johtuvat todennäköisimmin seikasta, että ministeriön arvot ovat rakennusmateriaaleja koskevat ylärajat kun taas GIGR 1984 raportti antaa eurooppalaisille eläinrakennuksille tyypilliset arvot (työryhmän jäsenvaltiot etelästä pohjoiseen olivat seuraavat: Italia, Sveitsi, Ranska, Itävalta, Iso-Britannia, Saksa, Belgia, Alankomaat, Tanska, Norja ja Ruotsi). Avoimissa eläinrakennuksissa vallitsevat ulkoilman olosuhteet, joten Suomessa kesäaikoina suhteellinen kosteus lienee luokkaa 60 %, kun taas esimerkiksi useissa Yhdysvaltojen osavaltioissa se on 90 100 %. Talvisin suhteellinen kosteus on korkea, lähellä 100 %, vaikka veden määrä ilmassa (absoluuttinen kosteus) on hyvin pieni johtuen matalasta lämpötilasta. Ilman sisältämän veden määrän, suhteellisen kosteuden ja kuivan ilman lämpötila kytkeytyvät toisiinsa Mollierin diagrammilla. Näitä seikkoja käsitellään tarkemmin luvussa 3 (Ilman ominaisuudet). MUUTA INFOA: Vetsweb: siipikarjalle ideaalikosteus 60 80 % (mittaus kallista; mittaus, jos epäillään kosteuden aiheuttavan hengitystieongelmia) 12
C. Hiilidioksidipitoisuus Ilmassa on eniten typpeä (N 2 ), keskimäärin 78 tilavuus-% (til-%) ja seuraavaksi eniten maapallon ihmisille ja eläimille oleellista happea (O 2 ), noin 21 til-%. Argonia (Ar) on ilmassa vain noin 1 til-% ja hiilidioksidia (CO 2 ) vieläkin vähemmän, nykyisin noin 0,04 til-%. Pieniä kaasujen pitoisuuksia mitataan yksiköissä ppm (parts 3 3 1 m -6 m cm per million), mikä tarkoittaa yksikköä = 10 = 1 3 3 3 1000 000 m m m 3. Näin ollen ulkoilman hiilidioksidipitoisuus on likimain 400 ppm. Ilmaston lämpeneminen johtuu osin lisääntyneestä hiilidioksidin määrästä ilmassa, ja viimeisin arvio maapallon ilmaston CO 2 pitoisuudelle on noin 380 390 ppm (0,038 0,039 til-%) (kuva 1.C1) [http://www.esrl.noaa.gov/gmd/ccgg/trends/#global_growth]. Tutkimus kuuluu osana Yhdysvaltain hallituksen alaiseen valtamerten ja ilmaston tutkimukseen (U.S. Department of Commerce/National Oceanic & Atmospheric Administration/NOAA Research/Earth System Research Laboratory/Global Monitoring Division). Kuva 1.C1. Viimeaikainen keskimääräinen ilman hiilidioksidipitoisuuden muutos. Siten pienin mahdollinen hiilidioksidin pitoisuus eläinrakennuksen sisäilmassa on noin 380 390 ppm. Edellä mainituista ilman sisältämistä molekyyleistä hiilidioksidilla on suurin molekyylipaino (1 12 + 2 16 = 44 u, 1 u º 1/12 m( 12 C)» 1,6605 10-27 kg) sen koostuessa yhdestä hiiliatomista (massa = 12 u) ja kahdesta 13
happiatomista (yhteinen massa = 2 16 u). Yksikkö u on nimeltään atomimassayksikkö, ja se määritellään 1/12 (energeettisellä perustilalla olevan) 12 C-isotoopin massasta. Aineen määrää mitataan kemiassa mooleina (mol). Yhdessä moolissa normaaleissa olosuhteissa olevaa ainetta on Avogadron lukumäärä (N A» 6,022 10 23 ) yksikköjä (atomeita, molekyylejä, hiukkasia). Näin ollen yksi mooli hiilidioksidia painaa N A 44 u» 6,022 10 23 44 1,6605 10-24 g = 44 g, toisin sanoen hiilidioksidin moolipaino on 44 g/mol. Painavimpana ilmassa eniten esiintyvistä molekyyleistä hiilidioksidi painuisi liikkumattomassa ilmatilassa tilan alaosiin. Siten täysin tyynessä ilmassa hiilidioksidia olisi eniten lattiatasolla haitaten erityisesti lattiatasolla elävien pienikokoisten eläinten sekä lattialla lepäävien eläinten hengitystä. Todellisuudessa ilma liikkuu kaikkina vuorokauden aikoina eläinrakennuksen ilmanvaihdon takia. Sen sijaan rakennustyypistä ja korvausilman tuloreiteistä riippuu, kuinka hyvin ilma sekoittuu eli kuinka tasalaatuista rakennuksen ilma on. Erityistä huomiota on siksi kiinnitettävä eläinten hengitystasolla olevan ilman laatuun. Hiilidioksidi on korkeina pitoisuuksina terveydelle hengenvaarallista. Liiallinen hiilidioksidin pitoisuus aiheuttaa muun muassa päänsärkyä ja suurempina pitoisuuksina liikuntakyvyn menetystä ja tajuttomuutta. Terveillä aikuisilla ihmisillä esiintyy jäykkyyttä ja hajujen haistamista 600 1000 ppm:n pitoisuuksilla, uneliaisuutta 1000 2500 ppm:n pitoisuuksilla sekä selviä terveydellisiä vaikutuksia 2500 5000 ppm:n pitoisuuksilla. Vielä suuremmilla pitoisuuksilla (n. 15 000 ppm) esiintyy hengästymistä ja sydämen lyöntitiheys kasvaa ilman happipitoisuuden vähentymisen takia. Pitoisuuden edelleen kasvaessa 30 000 ppm tasolle seuraa lihassärkyä, tajunnan menetystä sekä kouristuksia. Hyvin korkeilla pitoisuuksilla seuraa kuolema. Siten hiilidioksidi on yksi niin ihmisille kuin eläimille haitallisista kaasuista hengitysilmassa, minkä vuoksi hengitysilman hiilidioksidipitoisuuksille on asetettu enimmäisrajat eri yhteyksissä. Esimerkiksi Suomessa Sosiaali- ja terveysministeriö sallii 8 tunnin työpäivän enimmäispitoisuudeksi 5000 ppm. Yhdysvalloissa virallinen suositus toimistojen ilman hiilidioksidipitoisuudelle on 1000 ppm (ASHRAE: American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers), kun taas muun muassa Ericsson ja Yhdysvaltojen Kalifornia suosittaa alempaa 800 ppm:n pitoisuutta. Teollisessa ympäristössä sallitaan hetkellisesti korkeampia pitoisuuksia. Hiilidioksidin vaikutuksesta ihmiseen löytyy tutkimuksia kun sen sijaan sen vaikutusta eläimiin ei ole juuri tutkittu muutoin kuin teurastukseen käytettynä kaasuna. Hiilidioksidin vaikutusta eläimiin on hankala arvioida, sillä eläinten reaktiot jonkin verran kohonneisiin hiilidioksidin pitoisuuksiin hengitysilmassa näkyvät viiveellä esimerkiksi eläinten aktiivisuuden vähentymisenä, vähentyneenä rehun kulutuksena ja mahdollisesti pienentyneenä kasvuna tai tuotantona. Kohonneiden hiilidioksidipitoisuuksien vaikutusta voidaan tutkia lähinnä seuraamalla eläimissä tapahtuvia fysiologisia muutoksia, jotka eivät ehkä ole helposti toteutettavissa tuotantoympäristössä. Myös eettiset tekijät asettavat rajoja tutkimuksen tekemiselle. Eläinrakennusten sisäilman yksi suurista saastuttajista on kuitenkin juuri hiilidioksidi. Hiilidioksidia muodostuu eniten eläinten hengittämisen seurauksena mutta sitä emittoituu myös lannasta (?) ja virtsasta. Esimerkiksi nykyisten lypsylehmien tehokkaan aineenvaihdunnan takia mutta myös eläinrakennusten suuren eläintiheyden vuoksi rakennusten sisäilman hiilidioksidipitoisuudet kasvavat helposti korkeiksi. Varsinaisen tiedon puuttuessa, tuotantoeläinrakennusten sisäilman hiilidioksidipitoisuuden enimmäisrajaksi on Euroopan komissiossa ja myös Suomessa suositeltu 3000 ppm (MMM-RMO C2.2). Enimmäisraja seurannee ihmisten kokemuksista kohonneissa hiilidioksidipitoisuuksissa. Useissa maissa sisäilman hiilidioksidipitoisuutta ei seurata, ja testimittauksia käytetään ainoastaan ilmanvaihdon riittävyyden tarkistuksina. 14
D. Veto Veto on ilman liikettä. Liikkuessaan ilmamolekyylit siirtävät myös lämpöenergiaa paikasta toiseen (lämmön kuljettuminen, konvektio). Ilmavirtaukset vaikuttavat myös ns. laminaaristen (pyörteettömien) rajakerrosten paksuuteen ja edelleen lämmön ja aineiden siirtymiseen. Näitä seikkoja käsitellään tarkemmin luvussa 2. Vedossa oleileva eläin menettää siis lämpöä, jonka eläin joutuu talviaikoina korvaamaan syömällä enemmän, koska eläimen on lisättävä kehonsa lämmöntuottoa ylläpitääkseen normaalia ruumiinlämpöään. Kesän kuumissa olosuhteissa vedosta on jopa hyötyä eläimelle vedon tehostaessa liikalämmön poistumista lämmön kulkeutumisen ja eristävien rajakerrosten paksuuden pienentymisen seurauksena. Eläinrakennusten korvausilman otto sekä itse rakennus tulisi suunnitella siten, ettei suljettuun rakennukseen synny vetoa alueille, joilla eläimet oleskelevat ja lepäävät. Maa- ja metsätalousministeriö antaa ohjeissaan (MMM-RMO C2.2) suurimmaksi sallituksi ilman virtausnopeudeksi eläinten oleskeluvyöhykkeellä talven aikana 0,25 m/s. Suuremmat virtausnopeudet ovat luonnollisesti sallittuja lämpimänä vuodenaikana. 15
E. Kaasupitoisuudet Eläinrakennuksissa eläville eläimille haitallisista kaasuista on edellä käsitelty hiilidioksidia. Rakennuksissa kehittyy hiilidioksidin ja vesihöyryn lisäksi muitakin kaasuja kuten ammoniakkia (NH 3 ), ja rakennustyypistä ja lannan käsittelystä riippuen mahdollisesti myös rikkivetyä (H 2 S) sekä metaania (CH 4 ). Muun muassa lämmityssysteemistä riippuen voi rakennukseen muodostua myös erilaisia typpioksideja sekä hiilimonoksidia eli häkää (CO). Eläinten koosta ja hengitystiheydestä sekä rakennuksen sisätilavuudesta riippuu, kuinka suuriksi kaasupitoisuudet muodostuvat ja kuinka pienet kaasupitoisuudet eläinten hengitysilmassa ovat haitallisia. Ammoniakkia muodostuu lannassa tapahtuvan bakteeriperäisen toiminnan vaikutuksesta. Ammoniakki on huoneen lämpötilassa väritön kaasu, jolla on pistävä haju. Ihminen haistaa ammoniakin, kun ilmassa olevan ammoniakin pitoisuus on noin 20 ppm (0,002 til-%). Ammoniakki on myös syövyttävä kaasu, joten riittävinä pitoisuuksina se voi olla haitallista rakenteillekin. Suurina pitoisuuksina ilmassa ammoniakki polttaa välittömästi hengitysteiden limakalvot. Pienet pitoisuudet aiheuttavat limakalvojen ärtymistä ja yskimistä ja pidempiaikaisessa vaikutuksessa väsymistä sekä tottumista, joka vaikeuttaa haitallisen tilan huomaamista ilman jatkuvaa tai satunnaista kaasupitoisuuden mittaamista. Puhdas sitoutumaton ammoniakki (moolipaino: 14 + 3 1 = 17 g/mol) on ilmaa (noin 29 g/mol) kevyempi kaasu ja nousee tyynessä ilmassa ylöspäin. Ammoniakki sitoutuu kuitenkin helposti veteen ja muihin sähköisiin hiukkasiin ja kaasuihin. Ammoniakki reagoi veden kanssa muodostaen muun muassa ammoniumhydroksidia (NH 4 OH), joka on mieto emäs. Ammoniakkia voi siten pieninäkin pitoisuuksina ilmassa joutua eläinten hengitysteihin ilman vesihöyrymolekyyleihin tai pölyhiukkasiin sitoutuneena. Ammoniakin pitoisuutta ilmassa voidaan vähentää poistamalla lanta säännöllisesti ja jäähdyttämällä lantaa. Ammoniakin emissiota lannasta käsitellään tarkemmin luvussa 2. Rikkivetyä syntyy lannassa olevien proteiinien hajotessa. Rikkivety on pieninäkin pitoisuuksina hengenvaarallinen kaasu, jolla on pistävä mädäntyneen kananmunan haju. Useampia kuolemaan johtaneita vaaratilanteita on syntynyt maatiloilla, kun lantalaa on sekoitettu tai lantaa on pumpattu pois lantalasta riittämättömästi ilmastoidussa tilassa. Vain 0,1 til-%:n osuus yhdessä hengenvedossa voi aiheuttaa kooman. Vaikka rikkivedyn voi haistaa paljon alle 1 ppm pitoisuutena (0,0001 til-%) sen hajuun turtuu erittäin nopeasti. Esimerkiksi kanan nopean hengityksen takia rikkivety on erittäin vaarallista siipikarjalle. Seuraavassa taulukossa on Suomessa suositellut enimmäispitoisuudet eläinrakennusten haitallisille kaasuille. Kaasu Hiilidioksidi (CO 2 ) 3000 Enimmäispitoisuus (ppm) Ammoniakki (NH 3 ) 10, siipikarjalle 25 Rikkivety (H 2 S) 0,5 Hiilimonoksidi (häkä, CO) 5 Taulukko 1.E1. Haitallisten kaasujen enimmäispitoisuudet eläinrakennuksissa Suomessa. 16
Muun muassa Ruotsi, jolla on ollut aiemmin muuta Euroopan Unionia tiukemmat suositukset, omaa samat enimmäispitoisuudet yllä mainituille kaasuille (tilanne syyskuussa 2010) lukuun ottamatta siipikarjaa, jolle pätee myös ammoniakin tapauksessa 10 ppm:n pitoisuus. Siipikarjarakennusten korkeampaa ammoniakin enimmäispitoisuutta perustellaan siipikarjan lyhyellä iällä. Esimerkiksi ROSS broilereiden tuotantoikä on Suomessa noin 32 41 vrk, ja munituskanoja pidetään yhden munintajakson (72 vrk) verran. Esimerkiksi COBB broilereiden kasvatuskäsikirja ei suosita yli 10 ppm ammoniakki-pitoisuuksia [COBB Management]. ROSS broilereiden kasvatuskäsikirja mainitsee yli 10 ppm ammoniakkipitoisuuksien vaurioittavan keuhkojen pintaa [ROSS Management]. Broilereita pidetään yleensä samalla katteella koko tuotantoikänsä lisäämällä katetta tarvittaessa, joten kate sisältää tuotantokauden lopussa kaikki eläinten jätteet, mikä kasvattaa ammoniakin tuottoa rakennuksen sisäilmaan ja sisältää riskin rikkivedyn tuotolle. 17
F. Pöly Pöly huonontaa merkittävästi eläinrakennuksen sisäilman laatua, ja sen merkitys sisäilman laatuun kasvaa jatkossa, kun eläinten hyvinvointi edellyttää kasvatusolosuhteita, joissa eläimet voivat harjoittaa lajille ominaista aktiviteettia. Esimerkiksi häkkikanoilla on EU alueella oltava vuodesta 2012 lähtien ns. virikehäkit, joissa on katetta, orsi ja pesä. Sioilla tulee jatkossa olla virikkeinä katetta tonkimista ja pesän rakennusta varten, ja vuodesta 2013 lähtien emakkoja voi pitää suljetussa tilassa vain viikon ennen poikimista ja 4 viikkoa poikimisen jälkeen (eli ajan ennen porsaiden vieroittamista emostaan). Kyseiset uudistukset lisäävät pölystä aiheutuvaa haittaa jo entisestään niin sika- kuin siipikarjatiloilla, joilla pöly jo nykyisissä olosuhteissa huonontaa ilman laatua merkittävästi. Katteen tulee luonnollisesti olla kuivaa ja puhdasta suolistosairauksien ehkäisemiseksi. Toisaalta kuivan katteen ja kuivan rehun pölyävyys ovat suuri ja eläinrakennusten pölypitoisuudet voivat kasvaa hyvinkin korkeiksi eläinten ollessa aktiivisia. Suuri eläintiheys rakennuksessa kasvattaa edelleen ilman pölypitoisuutta. Riittävän suurella ilmanvaihdolla ilman pölypitoisuuskin vähenee, mutta talviaikoina kylmissä ilmastoissa kasvavat myös rakennuksen lämmityskulut. Eläinrakennusten biologista alkuperää olevissa pölyhiukkasissa on sähköisesti varattuja yksikköjä. Niitä voisi siten sitoa sähköstaattisiin suotimiin, jotka ovat tehokkaita ilman puhdistajia. Erityisesti sika- ja siipikarjarakennusten korkeissa pölyhiukkaspitoisuuksissa suotimet tukkeutuisivat nopeasti. Lisäksi suotimia tarvittaisiin useita eläinhallien kokoisiin tiloihin, mikä kasvattaisi liikaa tilan hoitokustannuksia. Sen sijaan suotimilla on ympäristöhoidollista merkitystä, kun niillä on voitu rajoittaa eläinrakennuksista poistuvien hajujen ja hiukkasten pitoisuutta rakennusta ympäröivässä ulkoilmassa ja estää haitallisten hiukkasten kulkeutuminen asutusalueille ja läheisille maatiloille. Toisena vaihtoehtona kokeillut ionisoivat yksiköt, joihin sähköisiä yksikköjä sisältävät pölyhiukkaset kiinnittyvät, ovat toistaiseksi liian tehottomia eläinrakennuksen sisäilman pölyn vähentämiseen. Sisäilmassa oleva vesi sitoo poolisena molekyylinä ilmassa olevaa pölyä, mikä vähentää vain vähän ilman pölypitoisuutta. Hiukkasryppäiden koon kasvaessa riittävän painaviksi ne laskeutuvat alas painovoiman ansiosta, mikä puhdistaa myös jonkin verran hengitysilmaa. Laimean rapsiöljy/vesi seoksen ruiskutukset ovat osoittautuneet parhaaksi keinoksi vähentää eläinrakennusten sisäilman pölypitoisuutta [DIAS] sikatiloilla peräti 75 %:lla [Pedersen1998]. Samoin rasvan lisääminen rehuun vähensi 50 %:lla ilman pölypitoisuutta sikatiloilla [Pedersen1998]. Rehuun lisätyllä rasvalla on myös ravinnollista merkitystä ja lisätyn rasvan määrä voidaan ottaa huomioon rehun ravintoarvossa. Toistaiseksi hengityssuojaimet ovat edelleen maatilalla työskentelevän ihmisen paras suojautumiskeino hengitysilman epäpuhtauksilta. Sen sijaan eläinten eläessä huonossa sisäilmastossa pöly ja siihen sitoutuneet eläimille haitalliset molekyylit vaikuttavat eläinten alttiuteen sairastua huonontaen siten eläinten hyvinvointia sekä niiden kasvua ja tuotantoa. Suurina pitoisuuksina pöly ärsyttää hengitysteiden limakalvoja, mutta pölyä keräytyy myös pinnoille, ilmanvaihtolaitteisiin ja mahdollisiin antureihin vaikuttaen näin koko rakennuksen hyvinvointiin sekä lisäten eläinrakennuksen vaatimaa huoltoa. Pölyhiukkasten koostumus voi myös aiheuttaa merkittävän terveysriskin eläinrakennuksessa, koska eläinrakennuksen pöly on peräisin pääosin biologisesta materiaalista. Pöly myös sitoo sähköisesti biologista alkuperää olevia molekyylejä ja mikro-organismeja, joita eläinrakennuksissa ovat muun muassa siitepöly, sienet, homeet, virukset, bakteerit, myko- ja endotoksiinit, eläinten karva ja lintujen sulat, ihosolut, hilse, rehu- ja katehiukkaset ja kuivuneet virtsa- ja lantahiukkaset sekä mahdolliset syöpäläiset ja hyönteiset ja niiden hajoamistuotteet. Pöly sitoo itseensä myös ilmassa olevaa ammoniakkia lisäten näin ammoniakin aiheuttamia terveysriskejä sen joutuessa pölyn 18
mukana hengitysteihin. Lisäksi bakteerit ja virukset saattavat pölyhiukkasiin sitoutuneina säilyä pidempään elinkelpoisina ilmatilassa. Viimeisimpien tutkimusten valossa pölyyn sitoutuneet myko- ja endotoksiinit ovat mahdollisesti päätekijöitä niin rakennuksessa elävien eläinten kuin rakennuksessa työskentelevien ihmisten altistumiselle ja sairastumiselle [Nowak1998, Spaan et al 2006]. Pölypitoisuuden vähentämisellä on siten merkittävä vaikutus eläinten hyvinvoinnille ja elinkeinon menestymiselle, koska vain hyväkuntoinen eläin kasvaa ja tuottaa hyvin. Pölyn vähentämisellä on myös maailmassa kansanterveydellistä merkitystä, kun eläinten rehuun lisätyillä antibiooteilla on luotu antibiooteille resistenttejä bakteerikantoja. EU onkin kieltänyt alueellaan eläinten kasvua lisäävien antibioottisten ja hormonaalisten aineiden käytön eläinten ruokinnassa, joista jälkimmäisen epäillään edesauttaneen nuorten tyttöjen yhä aikaistunutta puberteettia muun muassa Yhdysvalloissa. Pöly luokitellaan pölyhiukkasten koon (ilmakulkuisille aerodynaamisen läpimitan) ja hiukkaskoostumuksen perusteella. Aerodynaamisella läpimitalla tarkoitetaan läpimittaa, joka on oltava pyöreällä, tarkastellun hiukkasen kanssa saman putoamisnopeuden omaavalla vesipisaralla Suurimman terveysriskin aiheuttavat luonnollisesti pienikokoisemmat hiukkaset, jotka voivat kulkeutua keuhkoihin. Suurimmat sisään hengitetyistä hiukkasista jäävät nenän ja suun alueelle, mutta mitä pienemmistä hiukkasista on kyse, sitä syvemmälle hengitysteihin ne voivat kulkeutua. Terveydelle haitallisimpia näistä ovat keuhkojen kaasujen vaihtoalueelle eli keuhkorakkuloihin pääsevät ns. alveolijakeet. Eurooppalainen standardi EN481 määrittelee ilmakulkuisten hiukkasten kokoluokat työpaikkojen ilmastomittauksille [EN 481]. Hiukkasia, joiden aerodynaaminen läpimitta on alle 25 30 mm, voi kulkeutua ihmisen keuhkoihin (keuhkojae, thoracic convention), ja läpimitaltaan alle 10 mm hiukkaset voivat päästä keuhkorakkuloihin (alveolijae, respirable convention). Hengittyvä jae (inhalable convention) käsittää kaikki hengitysteihin kulkeutuvat hiukkaset, joista läpimitaltaan 100 mm hiukkasilla on 50 %:n todennäköisyys tulla sisään hengitetyiksi, kun taas läpimitaltaan 10 mm hiukkanen tunkeutuu 50 %:n todennäköisyydellä keuhkoihin ja läpimitaltaan 4 mm hiukkanen keuhkorakkuloihin, kuten oheinen kuva, joka on piirretty EN 481-normien perusteella, osoittaa. Kuva 1.F1. Eurooppalainen ilmakulkuisten hiukkasten kokoluokitus. 19
Hiukkasjakeiden kokoluokitus eroaa jonkin verran maasta ja sovelluskohteesta riippuen. Esimerkiksi Yhdysvalloissa teollisuusilmaston hiukkasten jako hengittyviin -, keuhko- ja alveolijakeisiin käsittää rajat 100, 10 ja 5 mm [ACGIH2006]. Yhdysvaltalainen hallituksen alainen järjestö Environmental Protection Agency (EPA) jakaa 10 mm ja sitä pienemmät hiukkaset karkeaan ja hienopölyyn näiden välisen rajan ollessa 2,5 mm (PM 10 ja PM 2.5 hiukkaskokoluokat, PM = particulate matter). Esimerkiksi PM 10 tarkoittaa 10 mm:n läpimittaista hiukkasta, joka tulee kerätyksi 50 %:n tehokkuudella PM 10 keräyssysteemillä. Karkealla pölyllä tarkoitetaan kuitenkin hiukkasia kokoluokassa 2,5 10 mm ja hienopölyä hiukkasia, joiden läpimitta on alle 2,5 mm. Eläinten hengitysteiden koosta sekä hengitystiheydestä riippuu, minkä kokoisilla hiukkasilla on eläimille terveysriski. Muun muassa kokoluokan 3,7 7 mm hiukkaset jäävät kanoilla ylempiin hengitysteihin kokoluokan 0,09 11 mm hiukkasten jakautuessa tasaisesti koko hengityselimistöön [kana_hiukkaskoko]. Osa pölyhiukkasista poistuu hengitysteistä yskimällä, osa imeytyy verenkiertoon limakalvoilta tai joutuu ruoansulatuskanavaan nielemisen seurauksena. Siten pölyn ja sen sitomien haitallisten aineiden vaikutus ei rajoitu yksinomaan hengitysteihin ja keuhkojen toimintaan. Hiukkasten kulkeutumiseen hengitysteissä vaikuttaa hiukkasten koon lisäksi niiden muoto (pallomainen, pitkulainen jne.). Koon lisäksi pöly jaetaan myös koostumukseltaan orgaaniseen ja ei-orgaaniseen pölyyn, josta orgaanisen osuus on ylivoimaisesti suurempi eläinrakennuksissa (jopa 90 % sikatiloilla, [Aengst_1984]). Orgaanista alkuperää olevia ilmakulkuisia kiinteitä tai nestemäisiä hiukkasia kutsutaan yhteisnimellä bioaerosolit. Bioaerosoleista esimerkiksi virukset sekä myko- ja endotoksiinit on hyvin pieniä, läpimitaltaan alle 0,02 0,03 mm, kun taas bakteerit, sienet ja erilaiset syöpäläiset kuuluvat kooltaan luokkaan 0,2 50 mm. Pölyllä on merkitystä myös hajumolekyylien kantajahiukkasina. Ilmassa olevilla ja pinnoille laskeutuneilla pölyhiukkasilla on edelleen merkitystä eläinrakennuksen siivoamiselle ja desinfioinnille seuraavaa eläinerää varten, koska pienet hiukkaset pääsevät tunkeutumaan siivouksen kannalta vaikeapääsyisiin paikkoihin. Pölyllä ja siihen sitoutuneilla patogeeneilla on myös merkitystä tarttuvien tautien leviämisessä, mistä yhtenä esimerkkinä on hollantilaisesta sikalasta emittoituneet bioaerosolit sikaruton aikana riippumatta hajujen ja ammoniakin poistoon tarkoitettujen menetelmien käytöstä [Aarnink et al 2005]. Vuonna 2009 julkaistiin maatalouteen liittyvistä bioaerosolitutkimuksista erinomainen yhteenveto [Millner2009], jossa käsitellään eläinrakennuksissa tuotettujen bioaerosolien ja bioaerosolipitoisuuksien mittaamisen lisäksi bioaerosolien kulkeutumista rakennuksista ulkoilmaan sekä bioaerosolien esiintymistä lannan käsittelyn yhteydessä. Yhteenvedon taulukkoon 1 eri tutkimuksista kerättyjen tulosten mukaan kokonaismikrobipitoisuus oli luokkaa 10 7 cfu/m 3 karjatilalla (yksi tutkimus), 10 6 cfu/m 3 häkkikanatilalla (yksi tutkimus) ja 10 5 cfu/m 3 sikatiloilla (4 tutkimuksesta). Saksassa EXPO 2000 näyttelyn yhteydessä järjestettiin työpajoja, joissa esitetyistä tutkimuksista seuraava koskien tuotantoeläinrakennusten sisäilman pölypitoisuutta ja sen vaikutusta ympäristöön on maininnan arvoinen [dust_conf]. Kyseisen, suurelta osin Euroopan Unionin rahoittaman tutkimuksen tulos perustui ajankohtaisiin eläinrakennusten pölypitoisuusmittauksiin ja rakennuksista ulkoilmaan emittoituvien pölymäärien mittauksiin 329 eläinrakennuksessa (nauta, sika ja kana) neljässä eri EU maassa (Alankomaat, Englanti, Saksa ja Tanska). Pölyn emissio (mg/h) määritettiin ilmanpoistoaukon läheltä sisäilmasta mitatun pölypitoisuuden (mg/m 3 ilmaa) ja rakennuksen hiilidioksidipitoisuuden avulla määritetyn ilmanvaihdon (m 3 /h) tulona. Pölypitoisuuteen ja pölyn emissioon vaikuttivat merkittävästi rakennustyyppi (esim. lattiatyyppi ja kate) sekä tilanpito (ruokintasysteemi, lannan käsittely, valaistusrytmi yms.). Vuodenaikavaihtelut pölypitoisuuksissa olivat merkittäviä sika- ja siipikarjatiloilla talven aikaisten 20
pitoisuuksien ollessa kesän aikaisia arvoja korkeampia. Sen sijaan vuorokautinen vaihtelu oli erilaista tutkimukseen osallistuneilla tiloilla. Tosin sikatiloilla mitattiin yleensä korkeampia pölypitoisuuksia päiväsaikaan eläinten ollessa aktiivisia, kun sen sijaan broileritiloilla ei käytännössä havaittu vuorokautista vaihtelua. Tutkimuksessa oli mukana eri-ikäisiä eläimiä ja siipikarjan osalta broilereita ja munivia kanoja. Tutkimuksessa saatiin seuraavat keskimääräiset pölypitoisuudet [Takai et al 1998]: Eläinrakennus Hengittyvä jae (mg/m 3 ) Alveolijae (mg/m 3 ) Nautakarja 0,38 (1,35 1 ) 0,07 Sikakarja 2,19 (2,40 1 ) 0,23 Siipikarja 3,60 (4,59 1 ) 0,45 1 [Spaan et al 2008] Taulukko 1.F1. Keskimääräiset pölypitoisuudet/eläinrakennus (Alankomaat, Englanti, Saksa ja Tanska). Samoista eurooppalaisista tutkimuskohteista mitattiin myös endotoksiini- ja mikro-organismipitoisuudet [Seedorf 1998], jotka on kerätty taulukkoon 1.F2. Endotoksiinipitoisuudet mitataan usein yksiköissä EU (endotoxin unit), joka vastaa määrältään noin 1 ng endotoksiinia (1 ng = 1 10-9 g). Eläinrakennus Bakteerit (log cfu/m 3 ) Homeet (log cfu/m 3 ) Endotoksiini (ng/m 3» EU/m 3 ) Kokonaispitoisuus Kokonaispitoisuus Hengittyvä jae Keuhkojae Nautakarja 4,4 3,8 23,2 (788 1 ) 2,6 Sikakarja 5,2 3,8 118,9 (1190 1 ) 12,0 Siipikarja 5,8 4,1 660,4 (1750 1 ) 47,5 1 [Spaan et al 2008] Taulukko 1.F2. Keskimääräiset mikro-organismi- ja endotoksiinipitoisuudet eläinrakennuksissa (Englanti, Alankomaat, Tanska ja Saksa) Kuten kaksi edellistä taulukkoa osoittavat, tässä tutkimuksessa suurimmat pöly-, mikro-organismi- ja endotoksiinipitoisuudet mitattiin siipikarjarakennuksissa. Kuitenkin eniten saksalaisia hengitystieoireisia työntekijöitä työskenteli sikatiloilla (Taulukko 1.F3) [Nowak 1998]. Erääksi syyksi epäiltiin erityisesti sikatilan omistajien suurta työpanosta tiloillaan, sillä esimerkiksi siipikarjatiloilla on yleensä paljon ulkopuolista työväkeä. Eläinrakennus Tuotantovaihe Henkilömäärä Terveysvalituksia (%) 1 Nautakarja Lypsylehmä 1245 17,4 Lihakarja 895 17,2 Vasikka 1190 17,8 Sikakarja Emakko 619 22,7 Lihotussika 799 21,9 Porsas 551 23,0 Siipikarja Broileri 47 12,8 Muniva kana 279 14,7 1 Osuus kaikista valituksista Taulukko 1.F3. Hengitystieoireiset eteläsaksalaisilla eläintiloilla. 21
Ympäristövaikutusten arvioimiseksi tutkimuksessa laskettiin myös keskimääräinen pölyn emissio rakennuksista ulkoilmaan (taulukko 14 viitteessä Takai et al 1998). Nämä tulokset on esitettynä taulukossa 1.F4. Yksikkö Nautakarjarakennus Sikakarjarakennus Siipikarjarakennus mg/h Hengittyvä jae Alveolijae Hengittyvä jae Alveolijae Hengittyvä jae Alveolijae /eläin 110 19 111 14 12 2 /500 kg 145 24 762 85 3165 504 /hpu 1 146 24 438 49 828 134 1 hpu (heat production unit) = eläimen 1 kw:n lämmöntuotto 20 C:ssa Taulukko 1.F4. Arvioidut pölyemissiot eläinrakennuksista ulkoilmaan (Englanti, Alankomaat, Tanska ja Saksa). Suomalaiset tilat ovat toistaiseksi eurooppalaisia tiloja pienempiä, joten pölypitoisuudet voivat olla vastaavissa olosuhteissa matalampia. Tilanne suomalaisilla tiloilla muuttunee jatkossa tilojen yhtiöittämisen ja kaupallistamisen seurauksena sekä pölyä aiheuttavien materiaalien lisääntyessä eläinten hyvinvointivaatimusten muuttuessa. Eurooppalaisessa tutkimuksessa [Takai et al 1998] käsiteltiin myös pölypitoisuuksien vähentämistä eläinrakennuksissa. Rakennuksen pölypitoisuuteen C pöly,rakennus (kg/m 3 ) vaikuttaa rakennuksen sisälle korvausilma-aukoista tuleva pölypitoisuus C pöly,sisään (kg/m 3 ), rakennuksessa tuotettu pöly P tuotto (kg/s), rakennuksessa olevan pölyn mahdollinen poisto esimerkiksi suotimiin P poisto (kg/s) sekä rakennuksen ilmanvaihto q V (m 3 /s). On huomattava, että eläinrakennuksen lähiympäristössä voi korvausilmankin pölypitoisuus olla korkea johtuen esimerkiksi läheisen maatilan pölyemissioista. Olettamalla, että rakennuksen sisällä oleva pöly on tasaisesti jakautunut sisäilmaan, rakennuksessa vallitseva pölypitoisuus voidaan arvioida laskemalla seuraavasti: C = P ) / q (1.F1) pöly, rakennus C pöly, sisään + ( Ptuotto - poisto V Rakennuksen pölypitoisuutta voi siten vähentää pienentämällä pölyn tuottoa ja/tai lisäämällä pölyn poistoa ja ilmanvaihtoa. Pienentämällä eläintiheyttä pölyn tuotto saattaa pienentyä, ellei sitten suurempi liikkumavapaus aktivoi eläimiä enemmän. Lisäämällä hygieniaa voidaan vähentää ilman mikro-organismeja, mutta myös katteen laatu ja koostumus vaikuttavat ratkaisevasti pölyn ja mikro-organismien määrään ja laatuun. Teollisuusympäristöissä työskenteleville on olemassa raja-arvoja niin ilman pölypitoisuuksille kuin muillekin ilmassa esiintyville kemiallisille ja biologisille aineille. Sen sijaan maatiloilla työskentelevien henkilöiden työstä aiheutuviin terveysongelmiin on kiinnitetty huomiota vasta viime aikoina [Hartung et al 2008]. Suomessa vain noin 40 % maatalousyrittäjistä kuului vuonna 2010 työterveyshuollon piiriin (Sosiaali- ja terveysministeriö). Yleisen terveyshuollon kautta on tullut esille tilan pitäjiä ja tiloilla työskenteleviä yleisesti vaivaavat allergiset ja tulehdukselliset hengitystieongelmat kuten astma ja krooninen keuhkoputkentulehdus sekä pitkäaikaisen altistuksen seurauksena alentunut keuhkojen toiminta. 22