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Lowtech im Gebäudebereich Forschung für die Praxis | Band 21

Authors:
1
Zukunft Bauen
Fachsymposium TU Berlin 17.05.2019
Lowtech im
Gebäudebereich
Forschung für die Praxis | Band 21
Das Fachsymposium wurde organisiert und durchgeführt von:
Gender- Hinweis
In dieser Broschüre wurde zur besseren Lesbarkeit und Optik sowie aus Platzgründen
lediglich die männliche Form eines Begriffs („Nutzer“, „Planer“ etc.) verwendet. Selbst-
verständlich bezieht sich der jeweilige Begriff auf weibliche und männliche Personen.
Nutzungshinweis/Haftungsausschluss
Sämtliche Informationen in dieser Broschüre stellen eine Hilfestellung für die Baustoff-
wahl nach ökologischen Kriterien dar. Sie erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit,
Richtigkeit und Aktualität, stellen keine Planungsunterlagen und auch keine Produkt-
information dar und ersetzen keine detaillierte Planung im Einzelfall. Die dargestellten
Konstruktionsdetails dienen lediglich als Beispiel zur Veranschaulichung.
Die Verantwortlichkeit für die konkrete Planung und die Einhaltung der anerkannten
Regeln der Technik liegt im Einzelfall allein beim Planer. Ein Vertragsverhältnis oder
vertragsähnliches Verhältnis wird durch diese Broschüre nicht geschlossen.
Diese Broschüre wurde mit großer Sorgfalt erstellt. Eine Gewähr für die Richtigkeit
und Vollständigkeit kann dennoch nicht übernommen werden. Für die Inhalte der
Sekundärquellen sind die Autoren und der Herausgeber nicht verantwortlich.
BBSR Referat II 7
Energieoptimiertes Bauen
Technische Universität Berlin
NATURAL BUILDING LAB –
constructive design and climate adaptive architecture
Fakultät VI I Institut für Architektur
Zukunft Bauen
Fachsymposium TU Berlin 17.05.2019
Lowtech im
Gebäudebereich
Forschung für die Praxis | Band 21
Ein Projekt des Innovationsprogramms Zukunft Bau des
Bundesministeriums des Innern, für Bau und Heimat
(BMI), betreut vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und
Raumforschung (BBSR) im Bundesamt für Bauwesen
und Raumordnung (BBR) mit dem
Aktenzeichen SWD-10.08.17.7-19.43
Im Auftrag vom
24
Gesundheitliche Aspekte von Gebäudetechnik und
Architektur
Gesundheit und Gebäude – die Herausforderungen der Zukunft
Im letzten Jahrhundert war die Überzeugung stark verbreitet, dass Gebäudetechnik und
Architektur einen wichtigen Beitrag zur Volksgesundheit leisten. Die deutschsprachige
Zeitschrift „Der Gesundheits-Ingenieur“, herausgegeben von 1878 bis 2012, war Ausdruck
dieser Haltung und illustrierte die eindrücklichen Erfolge einer sich stürmisch entwickeln-
den Gebäudetechnik.
Die Herausforderungen der Zukunft sind der Klimawandel, die zunehmende Verstädte rung
und das ungebremste Wachstum der Bevölkerung [8]. Energieeffizienz, Nachhaltigkeit
und das Bestreben, den Städten und Gebäuden den Bezug zur Natur zu erhalten, sind Lö-
sungsansätze, die verfolgt werden. Es entspricht einem tief verwurzelten menschlichen
Bedürfnis, den Naturbezug auch im urbanen Umfeld nicht ganz zu verlieren. Die positiven
Auswirkungen von Parkanlagen und begrünten Fassaden auf das Wohlbefinden belegen
das [22, 48]. Erkenntnisse aus der Mikrobiologie der Umwelt und der Gebäude („Micro-
biomes of the Built Environment“ [41]) liefern wissenschaftliche Begründungen dafür, dass
der Naturbezug unverzichtbar ist für unsere Gesunderhaltung. Ohne Bezug zur Natur ist
der Aufbau eines kompetenten Immun- und Allergiesystems nicht möglich. Leider ist es
bisher im Gebäudesektor erst in wenigen Fällen gelungen, die Erkenntnisse in Praxistests
anzuwenden und Mikrobiologen, Mediziner und Architekten dazu zu bringen, praktisch er-
probte Lösungen für die Zukunft zu erarbeiten [10, 25, 26].
Mikroben – die ungebetenen Mitbewohner unserer Gebäude
Mikroben sind unsichtbare Mikroorganismen, die in unvorstellbar grosser Zahl in der be-
lebten und unbelebten Natur präsent sind. Auch in unseren Gebäuden sind viele Trillionen
Mikroben vorhanden [41]. Seit der Entdeckung der Mikroben als Krankheitserreger ver-
wendet die Medizin ein kriegerisches Vokabular und pflegt das Feindbild von „gefährli-
Autor:
Walter J. Hugentobler
Pensionierter Hausarzt, langjährige wissenschaftliche und publizistische
Ausein andersetzung mit den Zusammenhängen zwischen Gesundheit,
dem Innenraum klima und den Gebäuden
Seasonality -
an indoor topic
Sunlight effect on
influenza Schuit M
25
chen Mikroben“ [21]. Dieses falsche Bild wird scheinbar bestätigt durch Misserfolge in
der Bekämpfung der Grippe-Epidemien, Spitalinfektionen, Antibiotika-Resistenzen und die
Entdeckung immer neuer mikrobieller Erreger.
Wissenschaftliche Gross-Projekte zur Erforschung des Mikrobioms des Menschen [56]
und der Umwelt [24] haben gezeigt, dass das „Feindbild Mikrobe“ falsch ist. Ohne den
Austausch mit den vielfältigen Mikroben unserer Umwelt ist ein gesundes Immun- und
Allergiesystem, ja ein gesundes Leben, nicht möglich [12, 49, 5]. In Missachtung dieser Er-
kenntnis nimmt die Abschottung von unserer mikrobiellen Umwelt in „Gebäude-Biotopen“
immer weiter zu.
Neue, auf gentechnischen Nachweisen beruhende Techniken haben gezeigt, in welch
grosser Zahl und Vielfalt Mikroben in der Natur, in unseren Gebäuden, aber auch in un-
serem Darm, in den oberen Atemwegen und auf der Haut vorkommen. Menschen und Ge-
bäude sind Teile einer von Mikroben geprägten Welt [12, 49, 4] (Abb. 5). Die Gesamtheit der
Mikroben eines umschriebenen Lebensraumes, zum Beispiel eines Menschen oder eines
Gebäudes, werden als „Mikrobiom“ bezeichnet. Das menschliche Mikrobiom beeinflusst
fast alle körperlichen Vorgänge, von der Verdauung bis zur psychischen Gesundheit. Es
unterstützt unsere Gesundheit, wenn es ausgewogen und diversifiziert ist, und macht uns
im umgekehrten Falle krank. Der Austausch mit den Mikrobiomen anderer Menschen und
den Mikroben aus der Luft, dem Erdreich, der Tier- und Pflanzenwelt ist Voraussetzung für
die Aufrechterhaltung eines gesunden, ausbalancierten, individuellen Mikrobioms und den
Aufbau eines kompetenten Immunsystems [12, 48, 49, 52, 26].
Ohne Kenntnisse darüber, wie unser Immunsystem seine Kompetenz im Austausch mit der
Umwelt erwirbt, und ohne Wissen um die unverzichtbaren Ressourcen der Mikroben kann
die Bedeutung der Gebäudeumgebung für unsere Gesundheit nicht verstanden werden.
Das Immunsystem lernt – im Gebäude und vom Gebäude
Die Kompetenz des angeborenen und des erworbenen Immunsystems basiert auf den
Interaktionen mit Mikroben sowie biologischen und chemischen Stoffen aus der Umwelt.
Das Wissen des angeborenen Immunsystems wird uns vererbt, während die erworbe-
ne Immunkompetenz von jedem Individuum, vor allem in den ersten zwei Lebensjahren,
aufgebaut werden muss [51]. Dies geschieht durch wiederholte Kontakt-Expositionen
auf den Oberflächen der Atemwege, des Verdauungstraktes und der Haut. Hier lernen
immunkompetente Zellen zu unterscheiden zwischen „harmlosen“ und „schädlichen“
Mikroben und Stoffen aus der Umwelt. Die Atemwege sind besonders wichtig für diesen
Lernprozess. Sie filtern unterschiedlichste Partikel aus der Atemluft und präsentieren
sie den immunkompetenten Zellen auf den Schleimhäuten der Atemwege und des Darm-
traktes [45, 28]. Eine Studie in zwei US-Städten hat gezeigt, dass selbst in städtischer
Umgebungsluft mehr als 1.800 Bakterien-Spezies nachweisbar sind [9]. Eine andere
Studie zeigte auf, dass in 1 m3 Luft praktisch unabhängig vom Ort der Probenentnahme
rund 500.000 Bakterien und etwa gleich viele Viren mit gentechnischen Methoden nach-
weisbar sind [47]. Physische Kontakte mit den uns umgebenden Oberflächen und ande-
ren Menschen, Essen und Trinken bringen die immunkompetenten Zellen auf der Haut
und im Darm in Kontakt mit unserem Umfeld und befähigen sie, uns kompetent gegen
Gefahren zu verteidigen.
Die unverzichtbaren Ressourcen der Mikroben:
Wasser und essenzielle Nährstoffe
Der von Johann Wolfgang Goethe im 18. Jahrhundert vorgebrachte philosophische Ge-
danke „Alles ist aus dem Wasser entsprungen, alles wird vom Wasser unterhalten“ hat
sich bis zum heutigen Tag bewahrheitet. Die Astrobiologie, die sich mit den Grenzberei-
chen organischen Lebens beschäftigt, hat nachgewiesen, dass Zellteilung nur möglich
26
ist, wenn Zugang besteht zu Wasser (Wasserstoff und Sauerstoff) sowie zu Kohlenstoff,
Stickstoff, Schwefel und Phosphor [13]. Das Wasser als Lösungsmittel ist unverzichtbar,
da es die osmotische Aufnahme der essenziellen Nährstoffe in die Zelle ermöglicht. Bakte-
rien und Pilze sind für langfristiges Überdauern und Vermehrung auf liquides Wasser und
auf die essenziellen Nährstoffe in abbaubaren organischen Materialien oder in Schmutz
und Staub angewiesen. Sie können kein Wasser aus der Luftfeuchtigkeit extrahieren und
sind deshalb vollständig abhängig von der Präsenz von liquidem Wasser in ihrem Umfeld.
Unterhalb einer Wasseraktivität von 0.7 (Materialfeuchte, die einer Ausgleichsfeuchte bei
ca. 70 % relativer Luftfeuchtigkeit entspricht) ist kein Bakterien- und Pilzwachstum mehr
möglich [53, 14, 1, 11, 17].
Die Menschheit ist umgezogen – vom „Ökosystem Natur“
in „Gebäude-Biotope“
Während 350.000 Jahren Evolutionsgeschichte fand der Lernprozess unseres Immunsys-
tems statt im direkten Austausch mit der Natur, mit den Mikroben von Luft, Gewässer, Erd-
reich, Tier- und Pflanzenwelt (Abb. 1). Auch die Räume in den natürlich belüfteten Häusern
waren gut vernetzt mit der Mikrobenvielfalt der Natur. Fensterlüftung und undichte Bau-
weise, die Nähe zu Nutztieren, häuslicher Schmutz und natürliche Baumaterialien ermög-
lichten den permanenten Kontakt mit den Mikroben der Umwelt. Seit 200 Jahren findet
dieser Kontakt mehrheitlich in immer luftdichteren Gebäuden und Verkehrsmitteln statt.
Die Konsequenzen dieses Ortswechsels für unser Mikrobiom und unsere Gesundheit sind
schwerwiegend und werden im Gesundheitswesen, in den Medien und in der Technik nur
zögerlich erkannt [49, 4, 6].
Die industriellen Revolutionen machten aus Agrargesellschaften mit dem Arbeitsumfeld
„Natur“ Industriegesellschaften, in denen Arbeit, Wohnen und Freizeit zu einem gros-
sen Teil in den Gebäuden stattfindet. Die meisten von uns verbringen heute 90 % ihrer
Lebenszeit in Innenräumen [32, 50]. In weniger als 200 Jahren haben Fortschritte in der
Gebäudetechnik einfache Hauskonstruktionen ersetzt durch energieeffiziente, luftdicht
verschlossene HIGHTECH-Gebäude. Mechanische Lüftungen mit Filterung der Aussenluft,
gesteigerte Reinlichkeit und ein naturferner Lebensstil behindern heute den Austausch
mit dem Mikrobiom der Natur. In unseren „Gebäude-Biotopen“ leben wir in einem perma-
nenten Komfortklima, atmen gefilterte Aussenluft und sind umgeben von einem verarmten
… 350.000 JahreImmuntraining mit den
vielfältigen Mikrobenvon Wasser, Luft,
Pflanzen und Erdreich
50 JahreImmuntraining mitverarmten Mikroben
aufKunststoffoberflächenin Gebäuden, in denen
wir 80 %unsererLebenszeitverbringen…
Abbildung 1:
350.000 Jahre menschliches Immuntraining
mit den vielfältigen Mikroben in der Natur
wurde in den letzten Jahrzehnten abgelöst
durch ein Immuntraining mit den wenig
diversifizierten Mikroben, die auf den
Kunst stoffoberflächen unserer Gebäude
überleben, in denen wir 80 % unserer
Lebenszeit verbringen.
27
Mikroben-Mix (Abb. 1). Auf den extrem sauberen und trockenen Oberflächen dominieren
Keime vom menschlichen Mikrobiom und die Mikroben aus der natürlichen Umwelt gera-
ten in die Minderheit [4, 6, 49]. – Die Frage drängt sich auf, ob der Organismus sich an eine
so radikale und extrem rasch erfolgte Entwicklung folgenlos anpassen kann und was dies
für die uns begleitenden Mikroben bedeutet.
Der Verlust der Mikrobenvielfalt in unserer gebauten Umwelt ist für die Entstehung von
Immunkrankheiten und Allergien von grösster Bedeutung [49, 6, 4]. Wichtigstes Ziel ist es,
durch wiederholte Expositionen gegenüber alten und neu in Erscheinung getretenen Mi-
kroben und Stoffe zu lernen, was harmlos ist und nicht bekämpft werden muss [6, 51].
Auto immunerkrankungen und Allergien basieren darauf, dass ungefährliche Substanzen
fälschlicherweise mit allergischen Reaktionen und Auto-Aggression gegen körpereigene
Gewebe bekämpft werden. Seit den 1980er-Jahren ist eine stetige Zunahme von Autoim-
mun- und Allergieerkrankungen sowie von Epidemien und Pandemien feststellbar [3]. Die-
ser Trend wurde ursprünglich auf „übertriebene Hygiene“ zurückgeführt sowie auf den
Rückgang der Kinderkrankheiten als Folge der Impfkampagnen. Der daraus abgeleitete
Begriff „Hygiene-Paradox“ erwies sich als Fehlinterpretation. Der wahre Grund ist der
Verlust der Mikroben-Vielfalt in der gebauten Umwelt und damit die rückläufige Exposition
gegenüber harmlosen Mikroben, den Kommensalen oder „Old Friends“, wie sie gelegent-
lich in der Literatur genannt werden [4, 6, 45, 48, 49].
Stressfaktor Gebäude – vom unspezifischen Stress
zur Multiresistenz von Bakterien
Mikroben existieren seit vielen Millionen Jahren und führen seit jeher einen Konkurrenz-
kampf um die Ressourcen, bei dem ein vielfältiges Waffenarsenal zum Einsatz kommt [23, 42].
Dank ihrer kurzen Verdopplungszeit von Minuten bis Stunden, der Fähigkeit, genetische
Informationen innerhalb derselben Generation horizontal auszutauschen, und häufigen
Spontanmutationen nach dem Prinzip von „Versuch und Irrtum“ haben sich Bakterien im
Laufe ihrer sehr langen Evolutionsgeschichte an jede erdenkliche Stresssituation und Be-
drohungslage anpassen können. Die Wirkprinzipien der Antibiotika gehören längst zum
Waffenarsenal, mit dem Mikroben sich gegenseitig bekämpfen [4, 18, 40]. Da wir die An-
tibiotika aus dem Waffenarsenal der Natur kopieren, sind wirksame Abwehrmassnahmen
dort bekannt, bevor die entsprechenden Antibiotika auf den Markt kommen. Durch Selek-
tion resistenter Stämme oder durch Übertragung der Resistenz-Genen auf die betroffene
Population verlieren unsere Medikamente rasch an Wirksamkeit [15, 18, 40].
Seit einigen Jahren erforscht die Mikrobiologie das Phänomen der „Persister“ und die
Frage, wie unspezifischer Stress bei Bakterien zu Multiresistenzen führt. Viele Bakterien
sind befähigt, vorübergehend ihren Stoffwechsel zu reduzieren oder ganz einzustellen. Sie
werden zu „Persistern“ und nehmen ihren Metabolismus wieder auf, wenn günstigere Be-
dingungen vorliegen. So entziehen sie sich den Angriffen durch Antibiotika und überdau-
ern praktisch jede Stresssituation, auch Wassermangel und Nährstoffkarenz [29].
Wassermangel und Nährstoffkarenz, pH-Veränderungen, UV-Lichtexposition und starke
Schwankungen der Feuchtigkeit sind unspezifische Stresssituationen, denen Mikroben
in Gebäuden häufig ausgesetzt sind. Bakterien reagieren darauf mit Veränderungen von
Morphologie, Zellwandaufbau, Stoffwechsel oder Genetik [7]. Experimente haben gezeigt,
dass die durch Stress ausgelösten Anpassungen nicht nur spezifisch auf den verursa-
chenden Stress ausgerichtet sind, sondern begleitet sind von Multiresistenzen gegen an-
dere Stressoren, inklusive Antibiotika und desinfizierende Chemikalien [19, 20, 7, 46, 53].
Die verheerendsten Auswirkungen dieser Resistenzentwicklungen zeigen sich dort, wo
die meisten gefährlichen Mikroben mit den schwächsten Gliedern unserer Gesellschaft
28
zusammentreffen, in den Spitälern. Für die Mehrzahl der sogenannten Spitalinfektionen
sind sieben multiresistente Bakterien verantwortlich. Dass diese Bakterienstämme gleich-
zeitig auffallend trockenresistent sind [33], sollte uns zu denken geben. Es wirft die Frage
auf, ob der in Spitälern ausgeprägte unspezifische Stress durch Trockenheit und Nähr-
stoffmangel, bedingt durch die flächendeckende Verwendung von Kunststoffmaterialien
und häufige, aggressive Oberflächenreinigung, am Auftreten der Multiresistenzen eine
Mitschuld trägt. Die Beobachtung ist beunruhigend und zeigt, dass wir unsere Mittel ge-
gen Bakterien wohlüberlegt einsetzen müssen [26]. Dass Trockenheit ein wichtiger Faktor ist,
der in den Spitälern das Auftreten multiresistenter Bakterien fördert, wurde im „Hospital Micro-
biome Project“ [35, 36, 16] und noch deutlicher im Video der Forschungsleiter Jack Gilbert
und Brent Stephans formuliert [https://youtube/F8QHWL_VY9M?t=19].
Hundert Jahre Baugeschichte im Kontext
mit Hygiene und Mikrobenvielfalt
Fortschritte in der Gebäudetechnik haben Lebensqualität und Hygiene in unseren Gebäu-
den stetig verbessert. Fliessendes Wasser, Toiletten und Abwasser, elektrisches Licht
sowie mehr Tageslicht durch grössere Fenster führten zu einer deutlichen Verbesserung
von Volksgesundheit und Lebenserwartung. In der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts
waren es medizinische Fortschritte, die Entdeckung der Antibiotika und die Einführung der
Impfungen, die weitere gesundheitliche Fortschritte brachten.
Ein Anstieg der Energiepreise sowie die politische Forderung nach mehr Energieeffizi-
enz im Gebäudesektor hatte zur Folge, dass luftdichte Gebäudehüllen, neue Dämmma-
terialien, mechanische Lüftungen und Luftfilterung eingeführt wurden. Zentralheizungen
erlaubten die Beheizung der ganzen Gebäude und erfüllten den Wunsch der Gebäude-
nutzer nach einem ganzjährigen Komfortklima. Was die Nutzer als Komfortsteigerung
schätzen, hatte für ihre unsichtbaren Mitbewohner, die Bakterien, Pilze und Viren, un-
erwartete Folgen. Der Anstieg der Heiztemperaturen um 3–5 °C, nicht bedarfsgeregelte
mechanische Lüftungen, mehr Wohnfläche pro Nutzer und Änderungen im Lebensstil
hatten extreme Gebäudetrockenheit zur Folge. Dies wurde von Ingenieuren und Haus-
besitzern als Präventionsmassnahme gegen Kondensat, Pilz- und Bakterienwachstum
begrüsst, übte aber auf die Mikroben einen permanenten Trockenheitsstress aus. Die
gravierenden, unerwünschten Konsequenzen für die Mikrobenvielfalt und die Auswir-
kungen auf die Gesundheit der Gebäudenutzer sind Architekten, Ingenieuren und Facility-
Managern nach wie vor nicht bekannt. Der Trockenheitsstress eliminiert in erster Li-
nie die Kommensalen und Mutualisten, die für den Aufbau des Immunsystems so nütz-
lichen „Old Friends“ [46, 48, 49, 6, 53]. Gleichzeitig selektioniert der Trockenheitsstress
krank machende Mikroben mit Multiresistenzen, die sich – nun ohne Konkurrenten um
die knappen Ressourcen Wasser und Nährstoffe – ungehindert vermehren können.
Vermehrte Infektionskrankheiten, Autoimmunkrankheiten und Allergien sind die uner-
wünschten Folgen für die Gebäudenutzer [19, 20, 39, 7, 46, 49, 53].
Die Problematik wird verschärft durch den immer spärlicheren Einsatz natürlicher Bau-
stoffe wie Ziegel, Mörtel, Kalk, Sandstein, Gips, Lehm und Holz. Ihr Ersatz durch industrielle
Kunstmaterialien kommt einem Wechsel gleich von „LOWTECH“- zu „HIGHTECH“-Mate-
rialien (Abb. 2). Für Gebäudehüllen, Isolationen und Innenausbau/Mobiliar werden zuneh-
mend Beton, Stahl, Glas und verschiedenste Polymere sowie Kunstfasern und anorganische
Farben verwendet. Dies hat weitreichende und unterschätzte Konsequenzen [48, 49, 45, 4].
Natürliche und industrielle Materialien haben einen völlig unterschiedlichen Einfluss auf
den Feuchtehaushalt der Gebäude und die Bedingungen für die Mikroben. Während prak-
tisch alle Naturmaterialien porös und offenporig sind, zeichnen sich industriellen Produkte
aus durch Kompaktheit und glatte, porenlose Oberflächen. Die Naturmaterialien nehmen
entsprechend ihren Sorptionsisothermen Feuchte auf und geben diese in fallender Luft-
29
feuchtigkeit verzögert wieder ab. Die Zeitspanne bis zum Unterschreiten der für Bakte rien-
oder Pilzwachstum wichtigen grenzwertigen Wasseraktivität wird als Nass-Zeit („Time of
Wetness“) bezeichnet und ist in der Gebäudetechnik bisher noch wenig bekannt [1, 17].
Industrielle Materialien sind bezüglich Feuchteaustausch inert und entweder trocken oder
nass (Abb. 3). Ingenieure, Gebäudetechniker und Hygieniker begrüssen die pflegeleichten,
glatten und trockenen Oberflächen der industriellen Materialien, ohne sich der gravieren-
den Konsequenzen bewusst zu sein, die sich für die Diversität der Mikroben und unsere
Gesundheit ergeben können.
Wie lange auf Oberflächen abgelagert Mikroben vital bleiben oder sich gar vermehren kön-
nen, hängt von der Konkurrenzsituation um die verfügbaren Ressourcen sowie von den
Oberflächeneigenschaften ab. Kompakte, porenfreie, hydrophobe und extrem glatte Kunst-
stoffoberflächen sind wasser- und schmutzfrei (Abb. 3). Auf solchen Oberflächen können
keine harmlosen Kommensalen überdauern. Multiresistente Bakterien aber stellen auf die-
sen Oberflächen ihren Stoffwechsel vorübergehend ein, werden zu „Persistern“ und sind
so auch mit Kulturmethoden nicht mehr nachweisbar. Nach ihrer Übertragung über die Luft
oder direkten Kontakt nehmen sie im feuchten Milieu von Atemwegen oder Darm eines In-
fizierten ihren Stoffwechsel wieder auf und können eine Infektion auslösen (Abb. 3).
m
m
m
Lehm Stahl PVC
Wasser in Poren
W
asse
r
Schmutz
P
r
e
n
i
n
n
in Poren
0 12 24 36 48 Zeit (Std.)
«kein»
»
Wasser -
-
ausser bei Kondensation
«
k
e
i
n
»
»
«kein»
asse
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»
W
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a
»
»
Schmutz
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z
-
a
u
sse
r
b
e
i
K
nd
e
a
a
-
-
nach Reinigung
relative Luftfeuchtigkeit [%]
Kondensation
Wasserdampfsorption [g·m2]
100
80
60
40
20
100
80
60
40
20
0
23 °C, 80 % rF 23 °C, 80 % rF 23 °C, 80 % rF
50 % rF 50 % rF
«kapillare» Kondensation
relative Luftfeuchtigkeit [%]
100
80
60
40
20
0
nass nass
trocken
trocken
trocken
100
80
60
40
20
0
trocken
trocken
nass
nass
Kommensale
d
PersisterPersister
Kondensation
Zeit (Std.)
Abbildung 3:
Industrielle Baumaterialien sind pflege-
leicht, trocken und sauber. Der damit
verbundene Trockenheitsstress und
Nährstoffmangel selektioniert die gefähr-
lichen, multiresistenten Mikroben.
Hundert Jahre Baugeschichte und der Wechsel von
Lokal-typischer Baustil
mit Naturbaustoffen aus der Region
Urbaner Baustil ohne Lokalbezug
mit naturfremden Baustoffen
1920 2020
Naturmaterialien:
pos und offenporig
Eigenschaft: Sorption
Kunstmaterialien:
kompakt, glatt, porenfrei
Eigenschaft: inert gegen Wasser
Beton, Stahl, Glas, Keramik,
Polymere (PS, PE, PVC), WDVS,
Kunstfasern (Polyester, Nylon)
Acrylfarben
Ziegel, Mörtel, Kalk, Sandstein,
Gips, Lehm, Holz, Stroh,
Naturfasern, mineralische
Farben und Putze
«LOWTECH» Materialien zu «HIGHTECH» Materialien
Abbildung 2:
Der Wandel von lokal-typischen Baustilen
mit Natur-Materialien aus der Region zu
einem urbanen Baustil mit industriellen
Baustoffen ist ein wesentlicher Aspekt des
Wandels von LOWTECH zu HIGHTECH.
30
Poröse Naturmaterialien als Habitat
für ein diversifiziertes Mikrobiom
Während Kondensation auf makroskopischen Oberflächen erst bei Wasserdampfsättigung
möglich ist, erfolgt in porösen Materialien in Abhängigkeit vom Porendurchmesser schon
ab mittlerer relativer Feuchtigkeit eine sogenannte „kapillare Kondensation“ in Poren und
Hohlräumen [8] (Abb. 3). Das gespeicherte, liquide Wasser kann von Mikroben genutzt
werden. Es steht in einem dynamischen Gleichgewicht mit der Luft, entsprechend den ma-
terialtypischen Sorptionsisothermen. Die große geometrische Variabilität der Poren in den
Naturmaterialien führt zu einer unregelmässigen Verteilung des Wasser- und Nährstoffan-
gebotes (Schmutzreste) auf und innerhalb des Materials [44, 4]. Unzählige Nischen mit
jeweils unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Mikroklima und Ressourcen) fördern
die Mikrobendiversität auf porösen Materialien (Abb. 3). Poröse Naturmaterialien sind ent-
fernt vergleichbar mit dem Mikrobenhabitat „Erdreich“, in welchem Diversität und Konzen-
tration von Mikroben so hoch sind wie sonst nirgends in der Natur [44]. Die beschriebenen
Eigenschaften erklären auch, weshalb die Präsenz von porösen Naturmaterialien die Mik-
robenvielfalt in Gebäuden fördert.
Gebäude sind Biotope
Gebäude sind nicht unbelebte architektonische Strukturen. Wenn Feuchteprobleme auf-
tauchen, wird dies für jedermann an den Schimmelbelägen und Biofilmen sichtbar. Für
uns unsichtbar sind jedoch auf allen Oberflächen und in der Raumluft unvorstellbar hohe
Zahlen von Mikroben präsent. Dieses Wissen ist bei Architekten, Ingenieuren und dem
Facility-Management noch nicht angekommen [10, 26, 39]. In Ausbildung und Praxis sollten
diese Berufsleute lernen, Gebäude als belebte Ökosysteme zu verstehen, zu planen und zu
unterhalten. Sie bestimmen und regeln die Randbedingungen in den „Gebäude-Biotopen“.
Die Biologie der Mikroben, der Bakterien, Pilze und Viren, bestimmt im Einklang mit den
Naturgesetzen die unverrückbaren Spielregeln. Wir tun gut daran, in unseren Gebäuden
die Gesetze der Physik und der Biologie zu respektieren. Anstatt zu versuchen, Mikroben
aus den Gebäuden fernzuhalten, sollten wir unsere Bestrebungen darauf ausrichten, die
harmlosen, nützlichen Mikroben zu fördern und die gefährlichen Mikroben zu unterdrü-
cken. An einigen Universitäten wird heute nach den besten Wegen gesucht, ein solches
„Bioinformed Design“ in Gebäuden umzusetzen [10, 26, 25].
Mikroben, suspendiert in Aerosotröpfchen
und anhaftend an Begleitpartikel
Mikroben sind nicht als Einzelpartikel in der Luft und auf den Oberflächen präsent. Wenn
sie von der Haut oder anderen Oberflächen stammen, haften sie an anderen Mikro-
partikeln wie Hautschuppen, Schmutzpartikeln oder Textilfasern. Aus den Atemwegen
werden sie als Mikrotröpfchen ausgehustet oder ausgeatmet. Ob die suspendierten
Bakterien oder Viren überdauern können oder inaktiviert werden, ist abhängig vom Ver-
dampfungsgrad der Aerosoltröpfchen in der Raumluft und damit der relativen Luftfeuch-
tigkeit [43, 38].
Das von Scofield, Sterling und Arundel 1986 (Abb. 4) veröffentlichte Diagramm illustriert,
dass Bakterien, Viren und Pilze bei mittlerer Feuchtigkeit von 40 bis 60 % am wenigsten
gesundheitliche Probleme verursachen [2]. Bei Trockenheit unter 40 % und bei Feuchte
über rund 60 % nehmen die Gesundheitsprobleme durch bakterielle und virale Erkrankun-
gen und Allergien zu (Abb. 4). Das Diagramm basiert auf klinischen Beobachtungen sowie
Studien und hat sich bis heute als zutreffend erwiesen. Die meisten Bakterien und Viren,
die Erkrankte in Aerosoltröpfchen abgeben, werden bei mittlerer Raumluftfeuchtigkeit auf
31
dem Übertragungsweg in der Luft oder auf den Oberflächen inaktiviert [43, 38, 59]. Bei
hoher Luftfeuchtigkeit können sich Bakterien und Pilze vermehren, was die zunehmenden
Gesundheitsprobleme erklärt.
Die Gebäudefachleute sind bisher der Meinung, dass die Trockenheit von Gebäudema-
terialien und Raumluft eine unschädliche und wirksame Prävention sei gegen Schimmel-
und Bakterienwachstum. Dass das Unterschreiten von 40 % relativer Feuchte negative
Auswirkungen hat, wird bis heute nicht ernst genommen. Dabei erleben wir in jeder Heiz-
periode die Auswirkungen als Grippewellen und einen Anstieg der Atemwegsinfektionen,
ohne dass der Zusammenhang ernsthaft hinterfragt würde. Mikroben in Aerosoltröpfchen
sind in der Luft und auf den Oberflächen bei tiefer Luftfeuchtigkeit vor der Inaktivierung
geschützt. Der verantwortliche Mechanismus dafür ist bis heute unklar [43, 38]. Tiefe
Luftfeuchtigkeit fördert auch die Aufwirbelung von Mikroben im Staub und Schmutz der
Gebäudeoberflächen, weil die Wasseradhäsionskräfte geringer werden. Wesentlich ist
zudem, dass Trockenheit die Selektion multiresistenter Bakterien fördert, wie bereits aus-
geführt [39, 19, 20, 7, 53, 46], und dass trockene Atemluft verhindert, dass die Immunabwehr
in den Atemwegen aktiviert werden kann [34].
Das Mikrobiom und unsere überholten Hygienevorstellungen
Nur ein verschwindend kleiner Teil der Bakterien, Pilze und Viren wurde bis heute entdeckt
und beschrieben. Bekannt und nachweisbar sind in erster Linie diejenigen Mikroben, die
Krankheiten verursachen. Die für unsere Gesundheit wichtigen, ungleich zahlreicheren
harmlosen Bakterien, Viren und Pilze haben wir bisher kaum wahrgenommen (Abb. 5).
Neue gentechnische Methoden ermöglichen uns heute überraschende Einblicke in die-
se bisher unbekannte Mikrobenwelt. Wo wir mit traditionellen Methoden Dutzende oder
Hunderte von Mikroben nachweisen können, sind effektiv um einige Zehnerpotenzen mehr
Mikroben vorhanden [47]. Diese sind entweder unter den gewählten Kulturbedingungen
nicht vermehrungsfähig, haben den Stoffwechsel vorübergehend eingestellt oder sind in-
aktiviert. Wir erkennen aber ihren genetischen Code, können sie in Gruppen einteilen und
seit kurzer Zeit ist es auch möglich geworden, zwischen inaktiven und stoffwechsel aktiven
Mikroben zu unterscheiden [39].
Abnehmende Balken-Stärke
bedeutet nachlassender Effekt
Optimale
Zone
Bakterien
Viren
Pilze
Milben
Atemwegs-
Infektionen
Rhinitis &
Asthma
Chemische
Reaktionen
Ozon
Produktion
10 20 30 40 50 60 70 80 90
O
p
t
i
m
al
e
Z
o
n
e
5
0
6
0
ProzentrelativeFeuchtigkeit[%]
Optimaler Feuchtebereich rminimale
gesundheitliche Nebenwirkungen in Gebäuden
Abbildung 4:
Das sogenannte Scofield-Sterling-Dia-
gramm wurde 1986 veröffentlicht und zeigt
den Wissensstand zur optimalen Raumluft-
feuchte in Gebäuden von 40 bis 60 % –
das hat damals wie heute unverändert
Gültigkeit.
32
Zwei Zahlen sollen das Missverhältnis zwischen kulturell nachweisbaren und tatsächlich
vorhandenen Mikroben illustrieren. Gentechnische Untersuchungen haben gezeigt, dass
in 1 m3 Luft, praktisch unabhängig vom Ort der Probenentnahme, rund 500.000 Bakterien
und ebenso viele Viren nachweisbar sind [47]. Von unserer Haut geben wir pro Stunde bis
zu 14 Mio. Bakterien an die Luft und Kleider ab, zusammen mit Hautschuppen, Schmutzpar-
tikeln und Textilfasern [27]. In beiden Fällen lassen sich kulturell oder lichtmikroskopisch
maximal einige Hundert Bakterien nachweisen.
Unser traditioneller Hygienebegriff basiert auf der Vorstellung, dass Menschen und Mi-
kro ben je ein Eigenleben führen. Wir haben ein falsches Feindbild aufgebaut von den Mi-
kroben und sehen sie in erster Linie als Gefahr für unsere Gesundheit [21]. Nach mehr als
50 Jahren anfänglich sehr erfolgreichem Kampf gegen mikrobielle Krankheiten wird es
noch viele Jahre dauern, bis dieses Feindbild in der Ärzteschaft und in der Gesellschaft
abgebaut ist. Die Vorstellung „Hier Mensch – dort Mikrobe, die uns krank macht“ lässt
sich nicht aufrechterhalten (Abb. 5). Wir alle, aber auch unsere Gebäude sind Teil eines
globalen Ökosystems, in dem die Mikroben eine tragende Rolle spielen für die Stabilität
und das Recycling von Biomasse.
Hygienemassnahmen, die aus einer Zeit stammen, in der Mikroben noch primär als Ge-
fahr für unsere Gesundheit betrachtet wurden, müssten dringend revidiert werden. Die
He rausforderung besteht darin, uns optimal vor bekannten Krankheitserregern zu schüt-
zen, ohne unser körpereigenes Mikrobiom nachhaltig zu schädigen und die Interaktionen
mit den für unsere Gesundheit wichtigen, harmlosen Kommensalen einzuschränken. Alle
Hygienestudien der letzten 50 Jahre nehmen jedoch als Erfolgskriterium die möglichst voll-
ständige Reduktion der Bakterienzahl. Sie sind nicht fokussiert auf das eigentliche Ziel, die
Reduktion von Krankheitsübertragungen und den Erhalt einer gesunden Bakterienvielfalt
[57, 4, 5]. Das Ziel steriler, das heißt keimfreier Oberflächen durch Elimination aller Bakterien
ist berechtigt in den Eingriffsräumen und Isolationszimmern der Spitäler. Für den Arbeits-
und Wohnbereich ist eine solche Strategie vollkommen ungeeignet [39, 58]. Seit Florence
Nightingale (1820–1910), der Begründerin der modernen Krankenpflege und Hygiene, wird
Hygiene assoziiert mit sauberem Wasser und Oberflächen, frischer Luft und Seife. Häusli-
che und persönliche Hygiene, basierend auf den Vorstellungen von Florence Nightingale,
sind auch heute noch angebracht. Zwischenzeitlich haben wir uns aber neue, damals un-
bekannte Hygieneprobleme eingehandelt.
Nurein kleinerTeil der Mikrobensindentdeckt
…. dieallermeisten sind harmlos und nützlichfür
Mensch und Umwelt
TraditionellesHygieneverständnis
„Tötet dieMikro ben“
NeuesHygieneverständnis
„Die besten Verbündetengegen pathogeneMikroben
sind ihre harmlosen Konkurrenten, die Kommensalen"
Hier der Mensch dort dieMikro ben
istfalsch
Mikroben sind einTeilvon uns und unseren
Gebäuden, unverzichtbarfür unsere Gesundheit
Abbildung 5:
Nur ein kleiner Teil der bis heute entdeckten
Mikroben macht krank. Wir müssen
erkennen und danach leben, dass Mikroben
ein Teil unserer Welt sind, der für unsere
Gesundheit unverzichtbar ist, und dass
gutartige Mikroben unsere besten Verbün-
deten sind gegen krankmachende Mikroben.
33
Luftfilter und die Mikrobenvielfalt
Die Forschung hat sich auch mit der Frage befasst, wie Luftfilter sowie menschliche Ak-
tivitäten und Emissionen die Mikroben in der Innenraumluft und auf den Gebäudeober-
flächen beeinflussen. Die Filtrierung der Aussenluft führt zu einer deutlich geringeren
Anzahlkonzentration und einer eingeschränkten Diversität der Bakterien in der Zuluft
[30, 31]. Die in der Raumluft nach Filterung vorhandenen Bakterien sind jedoch näher
verwandt mit bekannten, krank machenden Bakterien. Es geht von ihnen deshalb ein
potenziell erhöhtes Infektionsrisiko aus. Derselbe Effekt wurde beobachtet bei tiefe-
rer Raumluftfeuchtigkeit und höheren Raumtemperaturen [30]. Die Messungen wurden
durchgeführt in den Räumen eines Universitätsgebäudes und in einem Spital. In den
Räumen mit Fensterlüftung war an beiden Orten die Diversität der Bakterien höher und
die Nähe zu krank machenden Keimen geringer als bei mechanischer Belüftung mit Filte-
rung [30, 31]. Gefilterte Zuluft scheint damit ein grösseres Gesundheitsrisiko darzustellen
als die ungefilterte Luft bei Fensterlüftung. Die WHO hat 2009 in einer Publikation für Län-
der mit niedrigen Einkommen die natürliche Belüftung sogar für Spitäler empfohlen und
ihre Effizienz zur Vermeidung von Infektionsübertragungen unterstrichen [59]. Weitere
Untersuchungen über die Zusammenhänge zwischen der Luftfilterung, dem Raumklima
und dem Mikroben-Mix in der Luft sind dringend angezeigt.
Die Anzahlkonzentration von Bakterien und Pilzsporen sowie die Massenkonzentration der
Partikel sind in der Aussen- und in der Innenluft an vielen Orten weitgehend identisch,
solange sich keine Personen in den Räumen aufhalten. Dies hat Hospodsky [27] in jeweils
sechs mechanisch belüfteten Klassenzimmern in Berlin, Kopenhagen, Aarhus, Salinas
(Kalifornien) und an zwei Standorten in China festgestellt. Die Anwesenheit der Schüler
führt durch Aufwirbelung von Staub und Schmutz und durch Emissionen zu einem starken
Anstieg der Schwebepartikel in der Raumluft. Im Durchschnitt aller Standorte kam es zu
einem Anstieg um das 81-Fache bei den Bakterien, um das 15-Fache für die Pilzsporen und
um das 9-Fache für die Partikel. Der grösste Beitrag stammt von der Aufwirbelung vom Bo-
den, ein deutlich geringerer Anteil von den Emissionen der Schüler. Pro Person und Stunde
berechneten die Autoren Emissionen von 14 Mio. Bakterien, ebenso vielen Pilzsporen und
22 mg Partikelmasse.
Die Untersuchungen zeigen eindrücklich, dass die Hauptmasse der Mikroben auf den
horizontalen Oberflächen abgelagert ist und durch menschliche Aktivitäten leicht auf-
gewirbelt und in die Luftströmungen eingebracht werden kann. Alle üblicherweise bei
Abwesenheit von Personen vorgenommenen Messungen der Innenraumbelastung mit
Schwebestoffen sind für Aussagen bezüglich der Benutzerexposition weitestgehend
wertlos. Der unten stehende Link führt zu einem Animationsvideo, das visualisiert, wie
Mikroben von Oberflächen aufgewirbelt und mit der Konvektion verfrachtet werden
[http://vimeo.com/9005973].
Mikrobiologisch sinnvoller Einsatz von „LOWTECH“-
und „HIGHTECH“-Materialien
Die grosse Mehrheit der Mikroben ist auf Oberflächen abgelagert, wie im obigen Abschnitt
gezeigt. Deshalb ist der physikochemische, biologische und räumliche Bezug zwischen
Oberflächen und Mikroben von entscheidender Bedeutung für das Mikrobiom und letzt-
lich auch für unsere Gesundheit. Für die nur Mikrometer messenden Bakterien sind die
physikalischen und mikroskopischen Eigenschaften von Oberflächen wie Hygroskopizität,
Poren, Vertiefungen und Höhlenbildungen mit eingelagertem Wasser und mikroskopischen
Schmutzresten von Bedeutung (siehe Abb. 5).
34
Polymere „HIGHTECH“- Materialien werden gezielt entwickelt, um mikrobenfeindliche, ex-
trem glatte und pflegeleichte, chemikalienresistente Oberflächen zu erzielen. Für das Über-
dauern und die Vermehrung von Mikroben bieten solche Oberflächen gewollt ungünstige
Bedingungen, da sie gleichzeitig einen Trockenheits- und Nährstoffmangelstress ausüben.
Die Wissenschaft hat in den letzten Jahren nachgewiesen, dass unspezifischer Stress,
so auch der Entzug von Wasser und Nährstoffen, ebenso dramatische Nebenwirkungen
provoziert wie der Masseneinsatz von Antibiotika oder flächendeckende Desinfektion. Es
kommt zur Selektion immer resistenterer Bakterien- und Pilzstämme [39, 19, 20, 7, 53, 46],
die am Ende jeder bekannten Behandlungsmethode trotzen.
Der Einsatz mikrobenfeindlicher Oberflächen macht Sinn für Risikoflächen. So zum Bei-
spiel für sogenannte High-Touch-Oberflächen wie Tastaturen, Armaturen, Türöffner, Kü-
chenutensilien, kritische Arbeitsflächen, Toiletten und Nasszellen sowie von vielen Men-
schen gemeinsam benutzte Geräte. Für Wände und Decken, Textilien und das Mobiliar im
Wohn- und Bürobereich sollten jedoch offenporige Naturmaterialien verwendet werden.
Sie gewährleisten das Überdauern eines ausgewogenen und diversifizierten Mikrobioms,
das sich ausgehend von diesen Flächen im ganzen Gebäude verbreiten kann. Wir wissen,
dass alle verfügbaren Gebäudeflächen in kurzer Zeit von Mikroben aus der Aussenluft,
vor allem aber von den jeweils charakteristischen Mikrobiomen der anwesenden Perso-
nen besiedelt werden [11, 45, 26]. Auf Oberflächen mit keinem oder nur geringem Stress-
niveau wird die Mehrheit der „Old Friends“ sich durchsetzen, die krank machenden Keime
in Schach halten und so die Gesundheit der Gebäudenutzer unterstützen.
Vor 100 Jahren noch stammten alle verwendeten Materialien in unseren Gebäuden aus
der belebten und unbelebten Natur. Auch als verarbeitete Produkte hatten sie in den al-
lermeisten Fällen (Ausnahmen z. B. Eisen, Glas) eine poröse Struktur und Oberfläche. Im
Gegensatz zu Polymeren und anderen kompakten Kunstmaterialien wirken die Naturmate-
rialien durch ihre Sorptionsfähigkeit regulierend auf das Feuchteklima im Gebäude, geben
keine geruchsbelästigenden oder gesundheitsschädigenden volatilen Stoffe ab und bieten
Oberflächen, auf denen eine Vielfalt von Bakterien überdauern kann.
Probiotika, die „guten Mikroben“ im Einsatz
gegen Multiresistenzen
Ein neues Hygieneverständnis geht davon aus, dass unsere besten Verbündeten gegen
krank machende Mikroben ihre harmlosen Konkurrenten sind, die Kommensalen (Abb. 5).
In der Medizin und in der Tierhaltung gibt es immer mehr erfolgreiche Beispiele, wie gutar-
tige Bakterien und Viren als „Probiotika“ gegen ihre krank machenden Konkurrenten ein-
gesetzt werden können. In Gebäuden finden Probiotika Verwendung als Ergänzung biolo-
gischer Reinigungsmittel und sie werden wohl eine grosse Zukunft haben. In einer Studie,
durchgeführt in drei Spitälern, wurden über sechs Monate Probiotika-Reinigungsmittel
mit dem üblichen Reinigungsprozedere verglichen. Innert drei bis vier Wochen ergab sich
eine mit kulturellen Methoden nachweisbare Verminderung der Zahl von Spitalkeimen um
50 bis 89 % durch Probiotika enthaltende Reinigungsmittel [58]. Der intermittierende Ein-
satz von Probiotika und Desinfektionsmitteln ergab regelmässig unter Probiotika eine Ver-
minderung der kultivierbaren Zahl von Spitalkeimen.
35
Empfehlungen zur Förderung eines gesunden Mikroben-Mix
in Gebäuden
Mittlere Raumluftfeuchte zwischen 40 und 60 % einhalten; tiefere Luftfeuchtigkeit
fördert Multiresistenzen, höhere Luftfeuchtigkeit ermöglicht Schimmel- und Bakterien-
proliferation
Schimmelbildung vermeiden durch geringe Strahlungsasymmetrien (im Einklang mit
Energieeffizienzzielen) und ein striktes Abluftregime gegen Feuchtespitzen in Küche
und Bad. Schimmelprophylaxe durch Trockenheit fördert bakterielle Multiresistenzen!
Bedarfsgesteuerte und moderate Luftwechsel (CO2-Sensoren) helfen, extreme
Trockenheit mit der erhöhten Gefahr von Multiresistenzen zu verhindern.
Für Wandflächen und Decken offenporige, sorptionsfähige Putze und mineralische
Farben verwenden, deren Feuchteaustausch mit der Luft ein ausgewogenes Mikroben-
wachstum (Diversität und Konkurrenz) zulassen.
Für Innenausbau, Mobiliar und Textilien offenporige Naturmaterialien verwenden (Holz,
Naturfasern, mineralische und pflanzliche Farben).
Mikrobenfeindliche Kunstmaterialien (kompakt, porenlos, pflegeleicht) nur verwenden
für Bodenbeläge, Nasszellen und Toiletten sowie High-Touch-Flächen wie Türklinken,
Tastaturen und Armaturen.
Kunstmaterialien (Polymere, Glas, Stahl, Dispersionsfarben mit Kunstoffen) sind poren-
frei und nehmen keine Feuchtigkeit auf. Diese Oberflächen fördern und selektionieren
multiresistente Bakterien.
Fensterlüftung und dezentrale Fensterlüftungssysteme ohne Luftfilterung ermöglichen
den besten Austausch mit dem Mikrobiom der Natur.
Haustiere mit Freilauf, vor allem Hunde, verbessern das Mikrobiom im Gebäude, indem
sie Schmutz und Mikroben aus der Natur ins Gebäude hineinbringen.
Regelmässige Flächenreinigung mit Wasser und Seifen, ohne Chemikalien und Desin-
fektionsmittel.
Probiotika in Reinigungsmitteln haben eine vielversprechende Zukunft.
Die konsequente Verwendung von pflegeleichten, mikrobenfeindlichen Kunstmate-
rialien ist dort sinnvoll, wo mikrobenfreie Oberflächen (Sterilität) angestrebt werden
(Eingriffsräume, Isolationszimmer im Spital).
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Full-text available
In the constructed habitat in which we spend up to 90% of our time, architectural design influences occupants’behavioralpatterns, interactions with objects, surfaces, rituals, the outside environment, and each other. Within this built environment,human behavior and building design contribute to the accrual and dispersal of microorganisms; it is a collection of fomitesthat transfer microorganisms; reservoirs that collect biomass; structures that induce human or air movement patterns; andspace types that encourage proximity or isolation between humans whose personal microbial clouds disperse cells intobuildings. There have been recent calls to incorporate building microbiology into occupant health and exposure research andstandards, yet the built environment is largely viewed as a repository for microorganisms which are to be eliminated, insteadof a habitat which is inexorably linked to the microbial influences of building inhabitants. Health sectors have re-evaluatedthe role of microorganisms in health, incorporating microorganisms into prevention and treatment protocols, yet no paradigmshift has occurred with respect to microbiology of the built environment, despite calls to do so. Technological and logisticalconstraints often preclude our ability to link health outcomes to indoor microbiology, yet sufficient study exists to inform thetheory and implementation of the next era of research and intervention in the built environment. This review presents built environment characteristics in relation to human health and disease, explores some of the current experimental strategies and interventions which explore health in the built environment, and discusses an emerging model for fostering indoor microbiology rather than fearing it.
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In the temperate regions, seasonal influenza virus outbreaks correlate closely with decreases in humidity. While low ambient humidity is known to enhance viral transmission, its impact on host response to influenza virus infection and disease outcome remains unclear. Here, we showed that housing Mx1 congenic mice in low relative humidity makes mice more susceptible to severe disease following respiratory challenge with influenza A virus. We find that inhalation of dry air impairs mucociliary clearance, innate antiviral defense, and tissue repair. Moreover, disease exacerbated by low relative humidity was ameliorated in caspase-1/11–deficient Mx1 mice, independent of viral burden. Single-cell RNA sequencing revealed that induction of IFN-stimulated genes in response to viral infection was diminished in multiple cell types in the lung of mice housed in low humidity condition. These results indicate that exposure to dry air impairs host defense against influenza infection, reduces tissue repair, and inflicts caspase-dependent disease pathology.
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Antimicrobial resistance is a serious threat to global public health, but little is known about the effects of microbial control on the microbiota and its associated resistome. Here we compare the microbiota present on surfaces of clinical settings with other built environments. Using state-of-the-art metagenomics approaches and genome and plasmid reconstruction, we show that increased confinement and cleaning is associated with a loss of microbial diversity and a shift from Gram-positive bacteria, such as Actinobacteria and Firmicutes, to Gram-negative such as Proteobacteria. Moreover, the microbiome of highly maintained built environments has a different resistome when compared to other built environments, as well as a higher diversity in resistance genes. Our results highlight that the loss of microbial diversity correlates with an increase in resistance, and the need for implementing strategies to restore bacterial diversity in certain built environments.
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Soils in tropical and temperate locations are known to be a sink for the genetic potential of anthropogenic-driven acquired antibiotic resistance (AR). In contrast, accumulation of acquired AR is less probable in most Polar soils, providing a platform for characterizing background resistance and establishing a benchmark for assessing AR spread. Here, high-throughput qPCR and geochemistry were used to quantify the abundance and diversity of both antibiotic resistance genes (ARGs) and selected mobile genetic elements (MGEs) across eight soil clusters in the Kongsfjorden region of Svalbard in the High Arctic. Relative ARG levels ranged by over two orders of magnitude (10-6 to 10-4 copies/16S rRNA gene copy), and showed a gradient of potential human and wildlife impacts across clusters as evidenced by altered geochemical conditions and increased "foreign" ARG abundances (i.e., allochthonous), including blaNDM-1. Impacted clusters exhibited 100× higher total ARGs and MGEs in tandem with elevated secondary nutrients, especially available P that is typically low and limiting in Arctic soils. In contrast, ARGs in less-impacted clusters correlated strongly to local soil lithology. The most plausible source of exogenous P and allochthonous ARGs in this region is bird and other wildlife guano, disseminated either by local human wastes or via direct carriage and deposition. Regardless of pathway, accumulation of apparent allochthonous ARGs and MGEs in High Arctic soils is concerning, highlighting the importance of characterizing Arctic sites now to establish benchmarks for tracking AR spread around the world.
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The microbiota consists of a dynamic multispecies community of bacteria, fungi, archaea, and protozoans, bringing to the host organism a dowry of cells and genes more numerous than its own. Among the different non-sterile cavities, the human gut harbors the most complex microbiota, with a strong impact on host homeostasis and immunostasis, being thus essential for maintaining the health condition. In this review, we outline the roles of gut microbiota in immunity, starting with the background information supporting the further presentation of the implications of gut microbiota dysbiosis in host susceptibility to infections, hypersensitivity reactions, autoimmunity, chronic inflammation, and cancer. The role of diet and antibiotics in the occurrence of dysbiosis and its pathological consequences, as well as the potential of probiotics to restore eubiosis is also discussed.
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There is a long-standing dispute about indoor air humidity and perceived indoor air quality (IAQ) and associated health effects. Complaints about sensory irritation in eyes and upper airways are generally among top-two symptoms together with the perception "dry air" in office environments. This calls for an integrated analysis of indoor air humidity and eye and airway health effects. This overview has reviewed the literature about the effects of extended exposure to low humidity on perceived IAQ, sensory irritation symptoms in eyes and airways, work performance, sleep quality, virus survival, and voice disruption. Elevation of the indoor air humidity may positively impact perceived IAQ, eye symptomatology, and possibly work performance in the office environment; however, mice inhalation studies do not show exacerbation of sensory irritation in the airways by low humidity. Elevated humidified indoor air appears to reduce nasal symptoms in patients suffering from obstructive apnea syndrome, while no clear improvement on voice production has been identified, except for those with vocal fatigue. Both low and high RH, and perhaps even better absolute humidity (water vapor), favors transmission and survival of influenza virus in many studies, but the relationship between temperature, humidity, and the virus and aerosol dynamics is complex, which in the end depends on the individual virus type and its physical/chemical properties. Dry and humid air perception continues to be reported in offices and in residential areas, despite the IAQ parameter "dry air" (or "wet/humid air") is semantically misleading, because a sensory organ for humidity is non-existing in humans. This IAQ parameter appears to reflect different perceptions among other odor, dustiness, and possibly exacerbated by desiccation effect of low air humidity. It is salient to distinguish between indoor air humidity (relative or absolute) near the breathing and ocular zone and phenomena caused by moisture-damage of the building construction and emissions therefrom. Further, residential versus public environments should be considered as separate entities with different characteristics and demands of humidity. Research is needed about particle, bacteria and virus dynamics indoors for improvement of quality of life and with more focus on the impact of absolute humidity. "Dry (or wet) air" should be redefined to become a meaningful IAQ descriptor.
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Bacterial cells have to face many challenges to survive in the form of environmental stresses. These environmental stresses elicit a strong protective response. It has been understood that these protective responses negatively influence the susceptibility of stress-exposed bacterial cells to antibiotics. This concept of stressinduced cross resistance to antibiotics is probably a consequence of natural selection or due to directed mutagenesis. According to the theory of natural selection, it might be due to the activation of Keywords non-specific stress responses following exposure to one type of stress while directed mutagenesis explains it as a consequence of accelerated random mutations following stress exposure. The activation of stress response systems in biofilms increase the frequency of genetic transfers that help them acquire resistance. However, these hypothesized cross-talks should be precisely studied for definitive conclusions.
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The impact of domestic environmental stress on the bacteria depends on the intensity of stress. If the stress is highly intense, it results in bacterial cell death. While a moderate intensity of stress elicits a stress response. The stress response involves the activation of stress-response systems comprising of a system of stress induced protein in a specific sequence. These stress-response systems bring about genotypic and phenotypic alterations in the bacterial cell that enhance the chance of its survival. The phenotypic changes include alteration in membrane fluidity, reconstitution of membrane cholesterol, expression of efflux pumps, etc. All the genotypic changes result in a state of hypermutability called directed mutagenesis which includes amplification of resistance genes, increased frequency of genetic transfer and recombination, etc. As a consequence of these alterations, a population of physiologically and phenotypically heterogeneous bacterial cells is formed. When a collection of such clones of bacterial cells are exposed further to antibiotics, these cells remain refractory .i.e. these bacterial cells are resistant against antibiotics. Hence, exposure to environmental stress promotes the emergence and spread of antimicrobial resistance.
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The concept of hygiene is rooted in the relationship between cleanliness and the maintenance of good health. Since the widespread acceptance of the germ theory of disease, hygiene has become increasingly conflated with sterilization. In reviewing studies across the hygiene literature (most often hand hygiene), we found that nearly all studies of hand hygiene utilize bulk reduction in bacterial load as a proxy for reduced transmission of pathogenic organisms. This treatment of hygiene may be insufficient in light of recent microbial ecology research, which has demonstrated that humans have intimate and evolutionarily significant relationships with a diverse assemblage of microorganisms (our microbiota). The human skin is home to a diverse and specific community of microorganisms, which include members that exist across the ecological spectrum from pathogen through commensal to mutualist. Most evidence suggests that the skin microbiota is likely of direct benefit to the host and only rarely exhibits pathogenicity. This complex ecological context suggests that the conception of hygiene as a unilateral reduction or removal of microbes has outlived its usefulness. As such, we suggest the explicit definition of hygiene as “those actions and practices that reduce the spread or transmission of pathogenic microorganisms, and thus reduce the incidence of disease.”
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The human body comprises of micro-ecosystem made up of trillions of microbes (i.e. bacteria, archaea, fungi, protists and viruses). The total microbial gene content, which is referred to as the human microbiome, is fundamental to human physiology and immunity. There exists an intricate relationship between the surrounding microbial world (i.e. the environment) and the endogenous human microbiome, mediated by the immune system. Disrupting this relationship can a profound effect on human health and disease. Understanding how microbial exposure influences immune response and the feedback on endogenous microbial metabolic activity could have profound implications for the development of novel microbial therapeutics. The term 'microbial exposure' is used generally to refer to exogenous environmental microbial interaction, while 'exposome' accounts for both the environmental exposures and the impact of lifestyle-associated microbial impacts, such as diet influences on endogenous microbial metabolism. In this review, we focus on how environment and lifestyle-associated microbial exposures shape the human immune system and microbiome, and how the resulting changes can shape human health, especially during critical developmental windows, that is prenatal, postnatal and adult. We conclude this review by proposing approaches to characterize the microbial exposome so as to accelerate the development of a precision microbial therapeutics for both practical and clinical intervention.