Hygienisierung mit Peressigsäure

Auf einen Blick: Hygienisierung

Die Hygienisierung beschreibt Maßnahmen zur Herstellung der seuchenhygienischen Unbedenklichkeit durch Desinfektion (siehe Artikel Hygienemanagement). Durch die Hygienisierung werden also Krankheitserreger und Parasiten ferngehalten oder entfernt, um den Tierbestand zu schützen. In Deutschland und der EU sind nur wenige therapeutische Substanzen verfügbar und es herrscht ein Therapienotstand in der Aquakultur. Die Hygienisierung von Fischhaltungseinrichtungen mittels Peressigsäure (PES) stellt eine Alternative zu traditionellen Therapautika dar, ist aber nicht frei von Tücken (Fischtoxizität von PES, Einfluss von Wasserparametern). Der Hauptartikel enthält vertiefende Informationen rund um die Hygienisierung mit PES. 

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Einführung

Ektoparasiten verursachen große ökonomische Verluste in der Fischerei. Entsprechend ihrer Bedeutung in der Salmoniden-Aquakultur gehören hierzu Ichthyophthirius, Argulus, Dactylogyrus, Gyrodactylus, Lernea, Hirudine. Der Vielzahl an Erregern stehen nur wenige therapeutische Substanzen gegenüber. Demzufolge herrscht ein Therapienotstand. Die wenigen Behandlungsmittel mit Standardzulassung sind Ameisensäure 60 % ad us. vet. (Zulassungsnummer 2469.99.99), Calciumhydroxid (Löschkalk) ad us. vet. (Zulassungsnummer 2239.99.99), Calciumoxid (Branntkalk) ad us. vet. (Zulassungsnummer 2249.99.99), Ethanol 70 % (V/V) ad us. vet. (Zulassungsnummer 1379.99.99), Ethanol 80 % (V/V) ad us. vet. (1389.99.99) und Formaldehyd-Lösung 36 % (m/m) ad us. vet. (Zulassungsnummer 2259.99.99). Im Falle des Therapienotstandes ist nach Umwidmungskaskade des § 56 a des AMG vorzugehen und eine Dokumentation des Vorfalls im Einzelfall zu erbringen. Die Umwidmungskaskade ist jedoch für die durch diverse Gesetze und andere widrige Umstände sowieso stark gebeutelte Fischwirtschaft auf lange Sicht keine Lösung (Feneis, 2010). Mehr illegal als legal werden Desinfektionsmittel auf Peressigsäure-Basis verwendet und damit mehr oder weniger gute Erfolge gegen Fischpathogene erzielt. Die Anwendungsbereiche für Peressigsäure (PES) erstrecken sich von der Reinigung leerer Fischbecken, Teiche und Geräte, Fußmatten, der „Desinfektion von nicht leeren Becken und Teichen" bis hin zur Wasserdesinfektion und der Behandlung von Fischen. PES wird in der fischereilichen Praxis und der Zierfischhaltung mehr oder weniger sinnvoll, oft aus der Not geboren, eingesetzt. Verluste durch Vergiftungen mit PES oder durch sie bedingte niedrige pH-Werte sind vorprogrammiert. Auf der einen Seite belegt eine Vielzahl von Untersuchungen die Wirksamkeit von PES gegen verschiedenste fischpathogene Erreger, auf der anderen Seite sind viele Fragen ihres Einsatzes bislang noch offen. Diese erstrecken sich von rechtlichen Problemen bis hin zum Einfluss der Matrix verschiedener biogener und chemisch-physikalischer Parameter auf die therapeutische Wirksamkeit oder auch die Toxizität. Die Erhebung von toxikologischen Basisdaten für PES ist in Deutschland auf Grund restriktiver Umsetzung des Tierschutzgesetzes kaum möglich. Hier sind nur Daten aus dem Ausland zu erwarten. Praktiker beginnen zunehmend mit systematischen Untersuchungen zur Nutzbarkeit von PES in der Fischwirtschaft und präsentieren diese Untersuchungen.

Eigenschaften der PES

Die erste Veröffentlichung über die frappierende mikrobielle Wirkung der PES erfolgte bereits 1902. Handelsübliches PES ist keine Monosubstanz, sondern ein im chemischen Gleichgewicht stehendes Mehrkomponentensystem gemäß nebenstehender Gleichung.

Gleichgewicht bedeutet, dass die Konzentrationen aller an der Reaktion beteiligten Stoffe in einem festen Verhältnis zueinander stehen. Ändert man die Konzentration einer dieser Komponenten, so ändern sich die der anderen ebenfalls und so lange, bis das neue Gleichgewicht wieder erreicht ist.

Der eigentliche mikrobizide Wirkstoff ist in korrekter chemischer Bezeichnung Acetylhydroperoxid (AHP) und wird - nicht ganz richtig - als Peressigsäure (PES) bezeichnet. Die PES ist keine Säure, sondern eine esterartige Neutralverbindung. Da PES aber nur in Form des genannten Gleichgewichtssystems in den Verkehr gebracht werden kann, ist es sinnvoll, das komplette Stoffsystem als PES-Produkt zu bezeichnen. Der PES-Gehalt des jeweiligen Produkts bestimmt maßgeblich die Wirkungsstärke. Lösungen reagieren sauer, wobei dieser saure Charakter fast ausschließlich durch die im Gleichgewicht vorliegende Essigsäure verursacht wird. Da Wasser eine der Gleichgewichtskomponenten ist, muss sich eine Änderung des Gleichgewichtes ergeben, wenn PES mit Wasser vermischt wird, wie es bei der Herstellung von Gebrauchslösungen zur Desinfektion oder beim Zusatz von PES zum Wasserkörper in der Fischwirtschaft der Fall ist. Da die Wassermengen im molaren Verhältnis zur PES riesig sind, wird das Gleichgewicht nahezu vollständig nach links verschoben, d. h. PES wird in seine Ausgangsprodukte Wasserstoffperoxid und Essigsäure zerlegt. Diesen Vorgang nennt man Hydrolyse. Er ist prinzipiell umkehrbar, wenn man das Wasser wieder entzieht, wie das beim Eintrocknen von PES-Gebrauchslösungen bei der Flächendesinfektion stattfindet. Die Geschwindigkeit der Gleichgewichtsänderungen wird stark von den Katalysatoren bestimmt. Auch die Pufferkapazität der im Wasser enthaltenen mineralischen Inhaltsstoffe spielt eine Rolle, die allerdings schwer vorhersagbar ist. Die PES weist eine Reihe von Merkmalen auf, die den Wirkstoff als Desinfektionsmittel zur Hygienisierung des Wasserkörpers prädestinieren:

1. Bereits in niedrigen Konzentrationen weist sie fungizide, sporozide sowie bakteri-zide Effekte auf. Protozide Effekte konnten ebenfalls nachgewiesen werden.
2. PES ist unbegrenzt mit Wasser mischbar.
3. Beim Abbau des Wirkstoffes PES entsteht Essigsäure, die zwar den Anteil an gelöster organischer Substanz in der Fischhaltung und somit im Abwasser erhöht, aber gut von Mikroorganismen verwertet werden kann.
4. Die unspezifische Wirkung verhindert eine Adaption der Mikroorganismen an PES.
5. Ihre oxidierende Wirkung ist auch bei niedrigen Temperaturen ausgeprägt.

Einen Nachteil stellt die thermodynamische Instabilität dar. Aus einem bestimmten 40 %igen PES-Typ gehen z. B. durch Peroxidzerfall innerhalb eines Monats 1 - 2 % PES verloren (Kitis, 204), das Wirkstoffgemisch verliert somit an Wirksamkeit. Der Substanzverlust ist bei den einzelnen Produkten jedoch unterschiedlich. Ein weiterer Nachteil der oxidierenden Wirkung ist die Korrosion empfindlicher Materialien, insbesondere unedler Metalle. PES ist in unterschiedlichen Produkten verschiedener Hersteller wie z. B. Wofasteril® E400 und MIXacide 590 (KESLA PHARMA WOLFEN GmbH) enthalten.

PES wirkt aufgrund ihrer hohen Aktivität als Oxidationsmittel schädigend auf Enzyme, Proteine und zerstört dadurch Zellstrukturen von Organismen. Obwohl die Wirkungsmechanismen ähnlich sind, ist PES wirksamer als Wasserstoffperoxid oder Ozon. Wahrscheinlich werden mittels PES über die Bildung von Sauerstoffradikalen durch Oxidation verschiedene Doppelbindungen sowie sensible Schwefelbindungen bei Proteinen und Enzymen zerstört, was die chemo-osmotischen Funktionen von Zellmembranen und ihre Transportmechanismen unterbricht. Die lipophil-hydrophile Polarität verleiht der PES die Fähigkeit, sich sowohl unbegrenzt an Wasser als auch an fettähnliche Substanzen zu binden. Die Membranen biologischer Systeme besitzen fettartige Phospholipid-Zwischenschichten. Solche Schichten grenzen Wasser und Wasserstoffperoxid aus, da beide Verbindungen hydrophil und lipophob sind. Aufgrund ihrer Polarität kann die PES biologische Membranen dagegen leicht überwinden. Die sehr gut lipidlöslichen PES-Moleküle durchdringen alle schützenden Zellmembranen und transportieren den für Mikroorganismen gefährlichen Aktivsauerstoff in die Zelle. Der Aktivsauerstoff zerstört vor allem die ungeschützten und oxidationsempfindlichen Stoffwechselenzyme. Dabei werden häufig Strukturelemente von Zellwänden oder Enzymen mit SH- oder S-S-Gruppen „auf"-oxidiert.

Einfluss von Wasserparametern auf die PES-Behandlung

Der Einfluss verschiedener Wasserparameter auf die Toxizität von PES und die Be-handlungseffizienz der Substanz werden zum Teil kontrovers diskutiert, weshalb wir uns an dieser Stelle nur auf eigene Erfahrungen und Ergebnisse stützen wollen. In eigenen Untersuchungen konnte bestätigt werden, dass PES in weichem Wasser toxischer für Fischembryonen ist als in hartem. Untersuchungen des Einflusses der Wasserhärte auf die PES-Toxizität gegen Fischpathogene belegen eine geringere Toxizität von PES bei höheren Wasserhärten und einen Einfluss der organischen Belastung des Wassers sowie des Salzgehalts auf den Zerfall und die Toxizität.

Fischtoxizität von PES

Daten zur Fischtoxizität von PES sind auf Grund verschiedener Einschränkungen in Deutschland kaum verfügbar. Es konnten für vorgestreckte Zander (Zv) eine 24-h-LC50 von 1,14 mg/l PES ermittelt werden. Dabei erfolgte die LC50-Bestimmung statisch. Für Flundern werden gar bis zu 89 mg/l PES angegeben. Diesen hohen Konzentrationen sollte der Praktiker jedoch mit großem Argwohn begegnen. ECETOC (Tab. 1) gibt semistatisch bzw. dynamisch ermittelte Werte an, welche sich weit unter den o. g. Angaben befinden. Statische LC50-Werte zwischen 2 und 3 mg/l PES sind, in Abhängigkeit von Wasserhärte und organischer Belastung, als Richtwerte anzusehen. Die LC50-Bestimmung gegen Eier von Zebrabärblingen und Karpfen zeigte ebenfalls eine produktabhängige PES-Toxizität. In sehr weichem Wasser wurden 24-h-LC50 von 2,5 bis 4,5 mg/l PES für Zebrabärblinge und 3,3 bis 6,1 mg/l PES für Karpfen ermittelt. In mittelhartem Wasser erbrachte die Toxizitätstestung mittels Fischeitest 24-h-LC50-Werte von 3 bis 6 mg/l und in sehr hartem Wasser 4,5 bis über 7 mg/l PES für sieben geprüfte PES-Produkte. Dabei erwiesen sich Produkte mit geringen PES-Konzentrationen weniger fischtoxisch als hoch konzentrierte. Forelleneier tolerieren Intervallbehandlungen über 2 h täglich mit 3 mg/l PES ohne Probleme. Längere Behandlungsintervalle hingegen führen zu einer erhöhten Verlustrate.

Toxikologische Daten für PES fehlen bei zahlreichen wirtschaftlich bedeutenden Fischarten und deren Lebensstadien bzw. Altersgruppierungen. Erkenntnisse dazu sind auch nur aus dem Ausland zu erwarten (u. a. die Toxizität und histologischen Veränderungen bei Welsbrütlingen nach der Behandlung mit PES). Neben dem Einfluss auf Fischart und –alter, fehlen vor allem Ergebnisse zum Einfluss chemisch-physikalischer Parameter wie Temperatur, Wasserhärte und organische Belastung etc. auf die Wirksamkeit und Toxizität der PES. Sie ist im Salzwasser weniger toxisch als im Süßwasser (Tab. 1). Allerdings ist der PES Zerfall im Salzwasser beschleunigt

Behandlungserfolge gegen Parasitosen

Wofasteril® E400 kann in Konzentrationen von 1 mg/l PES effektiv gegen Fischpathogene eingesetzt werden. So wurden bspw. sowohl ein- als auch mehrzellige Parasiten mittels PES in vivo wirksam bekämpft. Bei einer Wassertemperatur von 16 °C erwies sich der Einsatz von PES bei einer Mischinfektion mit Chilodonella piscicola, Trichodina sp., Epistylis sp. und Ichthyobodo sp. beim Aland (Leuciscus idus) als besonders effektiv. Der monogene Parasit Gyrodactylus sp. ließ sich mittels 2,5 mg/l PES über 10 min erfolgreich von Guppies (Poecilia reticulata) entfernen. Gegen Dactylogyrus sp. war der Einsatz von PES über fünf Tage mit täglicher Applikation von 3,0 mg/l PES dagegen erfolglos. Es wurde spekuliert, dass die starke Schleimproduktion auf den hochgradig infizierten Kiemen die Parasiten vor der PES-Applikation schützt und die Reproduktion über Eier ein weiteres Problem bei der Bekämpfung dieser Würmer darstellt. Dagegen sind die lebend gebärenden Gyrodactylus sp., die maßgeblich auf der Hautoberfläche parasitieren, mit PES leicht zu bekämpfen. Versuche zur Behandlung einer Oodinium sp.-Infektion blieben ebenfalls ohne Erfolg. Karpfenläuse (Argulus sp.) waren während in vitro-Tests gegenüber PES-Konzentrationen von bis zu 3 mg/l resistent. Ab dieser Konzentration war nach 96 h eine 100 %ige Mortalität der Karpfenläuse feststellbar. In geschlossenen Kreislaufanlagen wurden Trichodina sp. erfolgreich mit 1,0 mg/l PES bekämpft. Gegen Costia (Ichthyobodo) wurden erfolgreich PES-Produkte eingesetzt. PES scheint jedoch nicht das Mittel der Wahl gegen Ichthyobodo zu sein.

Weißpünktchenkrankheit (Ichthyophthirius multifiliis - I. m.)

Der Bekämpfung von I. m. ist sehr stark von den Lebensstadien des Erregers abhängig. Man unterscheidet das Wachstumsstadium in der Haut (Trophont), das Vermehrungsstadium außerhalb der Haut (Tomont), das Teilungsstadium (enzystierter Tomont bzw. Zyste mit Tomiten [Tochterzellen]) und das Infektionsstadium (Theront), welche sich durch eine sehr unterschiedliche Sensibilität gegen PES auszeichnen (Abb. 1). Die Wirksamkeit der PES gegen I. m.-Theronten ist in vitro ab 0,2 mg/l PES belegt. Bei dieser Konzentration konnten nach 150 min keine lebenden Theronten mehr nachgewiesen werden. Die Behandlung von I. m.-Theronten ist abhängig vom Produkt. Der Vergleich verschiedener PES-haltiger Substanzen zeigte eine etwas geringere Toxizität zweier 40 %iger Substanzen gegen die Parasiten.

Konzentrationen von 0,3 mg/l PES genügten bei allen getesteten Substanzen zur nahezu vollständigen Abtötung der Schwärmer in Testwasser (Abb. 2).

Systematische Untersuchungen belegen, dass neben Theronten auch frische Tomonten mit PES-Konzentrationen abgetötet werden können, die für Fische noch nicht toxisch sind. Ein Vergleich verschiedener PES-haltiger Substanzen zeigte, dass 1,5 mg/l PES über 2 h (ab zwei Stunden nach Entnahme der Parasiten aus der Dermis) zur Abtötung freier Tomonten genügen und bereits 0,5 mg/l zu hohen Abtötungsraten führen, im Fall eines 3 %igen PES-Präparates sogar zu einer vollständigen Abtötung der Parasiten (Abb. 3). Die Trophonten in der Haut der Fische sind vor der PES-Behandlung geschützt. Enzystierte Tomonten (Zysten) werden durch PES ebenfalls geschädigt, jedoch nicht vollständig abgetötet. Die Anzahl der Schwärmer, die aus den Zysten freigesetzt werden, konnte in unseren Untersuchungen durch eine zweistündige PES-Exposition von 2-3 ppm reduziert werden. Die Resultate waren dabei sehr verschieden. Der Behandlungserfolg ist stark an den Behandlungszeitpunkt gebunden, da sich die gallertartige Schutzhülle der Zyste während ihrer Entstehung immer weiter verdickt und die Theronten damit besser vor einer Beeinträchtigung durch PES schützt. Beginnen die Tochterzellen einer Zyste mit Bewegungen und später als Theronten mit der Penetration der Hülle, wird diese beschädigt und schützt kaum noch gegen PES. Da die Zystenbildung nicht synchron verläuft und nicht alle Zysten gleichermaßen durch eine PES-Exposition beeinträchtigt werden, können weiterhin infektiöse Theronten aus den Zysten entlassen werden.

Auf Grund dieser Erkenntnisse ergeben sich neue, interessante Ansätze zu einer Bekämpfung von I. m. über die Abtötung einzelner Stadien des Erregers. Ist der Fischwirt in der Lage, die freien Lebensstadien (Theronten, Tomonten) im Wasser mittels PES zu bekämpfen, so kann der Lebenszyklus des Parasiten zumindest teilweise unterbrochen werden. Das Resultat ist eine unterbundene oder verminderte Reinfektion der Fische. Diese müssen sich mit einer geringeren Anzahl von Erregern auseinander setzen und können möglicherweise Antikörper gegen I. m. bilden. Der Infestationsgrad wird durch die PES-Behandlung verringert, die Überlebenschance der Fische erhöht. Wie im speziellen Fall von I. m. so hängt auch die Bekämpfung anderer Fischpathogene von einer wohl überlegten Behandlungsstrategie ab.

Fischschimmel (Saprolegnia parasitica)

Die Wirksamkeit von PES gegen Fischschimmel ist sowohl in vitro als auch in vivo überprüft worden. Die Wirkung von PES gegen den Fischschimmel und unspezifische Mykosen wurde belegt. Ein Keimträgertest mit von Fischschimmel befallenen Fischembryonen (Zebrabärbling) führte nach PES-Exposition zu vermindertem Hyphenwachstum. Bei täglicher 5-stündiger Intervallbehandlung mit 3 mg/l PES (Wofasteril® E400) ist bereits nach 48 h keine Verpilzung mehr nachweisbar. Auch Forelleneier können über zwei Stunden täglich mit 3 mg/l PES behandelt werden, was die Infektion mit Fischschimmel drastisch reduziert. Es gilt zu beachten, dass Fischeier relativ hohe PES-Konzentrationen tolerieren. Bei der Behandlung von Fischen insbesondere in weichen, schlecht gepufferten Wässern ist jedoch Vorsicht geboten.
Maränen (Coregonus albula) mit unspezifischen Verpilzungen wurden mittels 3 mg/l PES in hartem Berliner Leitungswasser effektiv therapiert und die Verluste schon nach dem ersten Behandlungstag drastisch reduziert. Die Hemmung des Wachstums von Fischschimmel und Flavobacterion columnare wurde untersucht. Beide Keime können mittels PES-Hygienisierung reduziert werden. PES wurde erfolgreich bei der Erbrütung von Welseiern gegen Fischschimmel eingesetzt und die die Toxizität von PES gegen fischpathogene Pilze wurde beschrieben.

Bakterien

Bei Bakterien stellt sich das Problem, dass der Fischzüchter potentiell fischpathogene Keime möglichst vollständig abtöten, nützliche Keime, wie die Nitrifikanten in den Filteranlagen aber vital erhalten möchte. Es ist bekannt, dass PES gegen Bakterien hoch effektiv einzusetzen ist. Aus diesem Grunde werden PES-Produkte in großem Maßstab in der Veterinärmedizin, der Lebensmittelindustrie aber auch in Kläranlagen angewandt. Die antibakterielle Effizienz in geschlossenen Kreislaufanlagen wurde untersucht und festgestellt, dass PES mit einer Reduktion der Bakterienzahl um 99 % eine der beiden effektivsten von sechs untersuchten antibakteriellen Desinfektionsmitteln für Aquakulturanlagen ist und somit wirksamer als Ozon ist. Es laufen derzeit Untersuchungen zu Effekten unterschiedlicher PES-Produkte auf Nitrifikanten und potentiell fischpathogene Keime (Flavobacterium psychrophilum, Flavobacterium columnare, s. o.). Mit 0,5 mg/l PES kann die Anzahl der Kolonie bildenden Einheiten (unspezifische Keime) im Fischhaltungswasser produktabhängig zu 97 - 99 % gesenkt werden. Im Zierfischgroßhandel erfolgt mit PES schon erfolgreich eine Reduzierung der Keime im Haltungswasser und auf diesem Wege eine Konditionierung der Fische sowie eine Senkung der Verluste.

Möglicher Einsatz von PES in Kreislaufanlagen

Besonders kritisch ist eine Schädigung der Biofilme (Bakterienaufwuchs) durch eventuelle Abtötung der ammonium- und nitritoxidierenden Organismen im Biofilter (siehe auch Artikel Kreislaufanlagen). Nitrifikanten haben sehr lange Generationszeiten, was zu langfristigen Beeinträchtigungen des Kreislaufbetriebs führen kann. Es wurden Versuche zum Verhalten von PES in Kreislaufanlagendurchgeführt. In vitro-Tests haben ergeben, dass bei einer Applikation ab 2 ppm eine Hemmung der Ammoniumoxidationsleistung durch PES hervorgerufen wird. Der Nitratstickstoffgehalt steigt trotz PES-Exposition kontinuierlich an. Eine Exposition von 2 ppm PES hat demzufolge keine Auswirkungen auf die Nitrifikationsleistung des Biofilters, was wahrscheinlich auf den DOC-Gehalt (engl. dissolved organic carbon, gelöster organischer Kohlenstoff) des Kreislaufwassers zurück zu führen ist. In vitro-Versuche haben ergeben, dass sich ein hoher DOC-Gehalt auf die Zerfallsgeschwindigkeit der PES auswirkt.

In einem weiteren Versuch wurde 1 ppm PES (Wofasteril® E 400) in eine RAS appliziert und die Desinfektionsleistung untersucht. Im Ergebnis konnte eine Keimreduzierung von 96 % erzielt werden (Abb. 5).

In vitro-Tests haben Keimreduzierungen bis zu 99 % bei PES-Applikationen mit 0,5 ppm ergeben. Der gegenwärtige Stand der Untersuchungen in RSA belegt, dass eine Exposition von 2 ppm PES (im Haltungsteil) keine Schäden im Biofilter verursacht. Eine ausreichende Desinfektionsleistung kann schon mit 1 ppm PES erzielt werden.

Zusammenfassung

PES stellt gegen verschiedene Erreger, nach Klärung offener rechtlicher Fragen, eine Alternative zu traditionellen Therapeutika dar und das nicht nur, weil diese nicht mehr angewendet werden dürfen. Die Hygienisierung mittel PES in der Aquakultur (oder Fischhaltung) wirft noch eine Vielzahl von Fragen auf, die es in den nächsten Jahren zu beantworten gilt. Dieser Aufgabe wird sich die Fischereiforschung stellen. Jedes der erzielten Ergebnisse ist jedoch nur so gut, wie es die Umsetzung in der Praxis belegt. Einige Aquakulturisten haben deshalb damit begonnen, Ergebnisse aufzugreifen, in ihren Betrieben zu überprüfen und mit eigenen Erfahrungen zu ergänzen.