Aquaponik wird als Zukunftstechnologie in der Ernährung gehandelt. Sie ermöglicht die Zucht von Fisch und Pflanzen in der kontrollierten Umgebung des Gewächshauses. Das verspricht Nahrungssicherheit, in einer Zeit, in welcher der Klimawandel die Ernten gefährdet. Auf den Böden führt die extreme Witterung zu Ernteausfällen und im Wasser bedrohen Fressfeinde und steigende Temperaturen die Fischpopulation.
Um Aquaponik im Lebensmittelmarkt zu etablieren, bräuchte es allerdings hektargroße Anlagen – und noch mehr Automatisierung, weiß Professor Werner Kloas von der Abteilung Ökophysiologie und Aquakultur am IGB Leibniz in Berlin. Er und sein Team haben im Projekt INAPRO die Machbarkeit der Aquaponik in großem Maßstab demonstriert. Sie modellierten, bauten und evaluierten Anlagen auf einer Fläche von 500 Quadratmetern in den Ländern Deutschland, Spanien, Belgien und China.
Urban
In einer Größenordnung von hunderten Quadratmetern eignet sich Aquaponik für die urbane Nahrungsmittelproduktion. Dabei entfallen die CO2-Emissionen, die der Transport verursachen würde. Ein Beispiel dafür ist die City Farm in Eindhoven, die im fünften Stock eines verlassenen Bürogebäudes jährlich 22.000 Kilogramm Gemüse und 2000 Kilogramm Fisch produziert. Alle Kunden befinden sich in einem Umkreis von einem Kilometer.
Anlagen dieser Größenordnung funktionieren wegen der Direktvermarktung – und wegen dem Hype. Wirtschaftlich sind sie noch nicht, erklärt Kloas. „Die bestehenden Anlagen im Bereich von einigen Hundert bis ein paar Tausend Quadratmetern rechnen sich nur, weil die Konsumenten bereit sind für Produkte aus der Aquaponik sehr viel zu bezahlen. Aber sobald größere Anlagen richtig produzieren, dürfte das hinfällig sein“, so der Professor. Richtig große Aquaponik-Anlagen seien allerdings erst in Planung.
Biologisch
Die Aquaponik verbindet Aquakultur und Hydroponik, die sich einen Wasserkreislauf teilen. Das führt zu einem geringen Wasserverbrauch und dem vollständigen Verzicht auf Chemikalien. Die Technologie simuliert die Biologie eines Teichs und Chemie würde das natürliche Gleichgewicht stören. In ihrem natürlichen Lebensraum leben Fische und Pflanzen in einer Synergie: Die Fische produzieren mit ihren Ausscheidungen hochwertigen biologischen Dünger für die Pflanzen. Im Gegenzug filtern die Pflanzen das Wasser und gewährleisten hohe Wasserqualität für die Fische.
In klassischen Einkreislaufsystemen fließt das Wasser von den Fischen zu den Pflanzen und wieder zurück zu den Fischen. Dabei wird das Wasser mittels Filter von den Feststoffen aus dem Fischkot befreit. Ammonium, das Stoffwechselprodukt der Fische, ist für die Fische selbst giftig und wird von Bakterien in Nitrat umgewandelt.
Zweikreislaufsystem
Kloas: „Mit dem Einkreislaufsystem in der klassischen Aquaponik, können für Fisch und Pflanze nicht gleichzeitig optimale Bedingungen herrschen, da Fische und die Bakterien, die Ammonium in Nitrat verwandeln, einen pH-Wert von sieben benötigen. Die Pflanzen benötigen hingegen einen eher sauren pH-Wert von sechs. Zusätzlich fehlen Mikro- und Makronährstoffe für die Pflanzen. Dadurch findet keine vollständige Nitrifizierung statt und weder Fisch noch Pflanze können richtig gedeihen.“ Deshalb haben Kloas und sein Team den Aquakultur- und Hydroponik-Kreislauf durch ein Einwegventil verbunden. Das ermöglicht es, im Fisch- und im Pflanzenbereich jeweils optimale Bedingungen zu gestalten.
Foto: Das Prinzip des Zweikreislaufsystems auf einer Serviette
Durch die Nutzung des Kondensationswassers, gelang es ihnen zusätzlich den Frischwasserverbrauch zu verringern. Es handelt sich dabei um das überschüssige Wasser, das die Pflanzen über die Blätter an die Luft abgeben. Dieses wird von der Klimatisierung wieder rekondensiert und der Aquakultur zugeführt.
„In der Praxis lassen sich so bis zu 90 Prozent des genutzten Wassers wieder gewinnen, was zu einem fast geschlossenen Wasserkreislauf führt. In Mitteleuropa ließe sich durch das Sammeln von Regenwasser theoretisch die ganze einzusetzende Wassermenge autark in einem solchen System generieren.“ Werner Kloas
Umweltbedingungen
Im Projekt ASTAFA-PRO wurden übrigens Tomaten mit Tilapia (Buntbarsch) gezüchtet – zwei Lebewesen mit ähnlichen Ansprüchen an die Umweltbedingungen – wie zum Beispiel eine Umgebungstemperatur von 27 Grad Celsius. Die Tomate ist eine recht wassersparende Pflanze, hat aber sehr hohe Ansprüche an Nährstoffe. Kloas: „Wer Tomate erfolgreich in der Aquaponik anbauen kann, kann jede andere Pflanzenart, die in Hydroponik gedeiht, ebenso etablieren. Zudem sind Tomaten beliebte Früchte, die wir in Europa in relativ großen Mengen zu uns nehmen.
Es gibt zwar eine Auswahl an Fischsorten, die sich für Aquaponik eignen, allerdings unterscheiden sich diese in ihren Anforderungen an Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt und Wasserqualität. Da Heizen energetisch circa fünfmal günstiger ist als Kühlen, wählten die Forschenden am IGB Leibniz eine robuste Warmwasserfischart, die bereits sehr gut in der Aquakultur etabliert ist.
Herausforderungen
State-of-the-art Aquaponik Anlagen sind computerbasiert und werden mit smarter Software und Sensoren gesteuert. Um die Produktion im Bereich von mehreren Hektar zu realisieren, gelte es noch ein paar technische Probleme zu lösen. Die Herausforderungen seien im Bereich der Sensorik zu sehen. Sensoren werden für die Messung und das Management der Inhaltsstoffe eingesetzt. Kloas: „Für viele Parameter gibt es schon praxistaugliche Sensoren – wie etwa Temperatur, Sauerstoffgehalt und Leitfähigkeit. Sensoren für andere Parameter, wie Ammonium, Nitrit und Nitrat sowie die zahlreichen Ionen der Salze sind zwar auch schon verfügbar, aber es gibt noch Forschungs- und Entwicklungsbedarf für den Routineeinsatz in der Praxis.“
Darüberhinaus gelte es mehr Automatisierung bei der Abstimmung von Fisch- und Pflanzenbereich einzuführen. Weitere Probleme gelten für Hydroponik und Aquakultur genauso. So müsse auch noch in den Bereichen nachhaltiges Fischfutter, Tierwohl und Fortifikation (Optimierung) der Inhaltsstoffe bei Pflanzen geforscht werden.
Zero waste
Die Forschung zu nachhaltigem Fischfutter ist Teil des aktuellen Forschungsprojekts CUBESCircle, das vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem Projektträger Jülich gefördert wird. Dabei werden zusätzlich zur Aquaponik noch Insekten in den Kreislauf integriert. Diese werden mit den Reststoffen aus der Pflanzenernte gefüttert und gehen später selbst ins Fischfutter ein. Kloas spricht von einer konsequenten Fortführung des zero waste Gedankens, weil so möglichst alle Abfallstoffe als Wertstoffe weitergereicht werden können.
Der Titel CUBESCircle steht für miteinander verbundene, kommunizierende und standardisierte Produktionsmodule. Diese sind mobil und stapelbar und können einfach an die sich schnell wandelnde urbane Umgebung angepasst werden. Pflanzen, Fischen und Insekten ist jeweils ein eigener Cube gewidmet.
Eiweiß
Insekten sind eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, hochwertiges Eiweiß nachhaltig zu gewinnen. Die proteinreichen Larven der Soldatenfliege eignen sich als Futtermittel für die Fischzucht – aber auch für die menschliche Ernährung. Da Insektenfabriken noch relativ neu sind, müssen Produktionssysteme und automatisierte Verarbeitungssysteme neu entwickelt werden. Angestrebt wird eine schnelle Bereitstellung von hochwertigem Protein durch verkürzte Entwicklungszeiten. Untersucht wird, inwieweit sich Biomasse der plant cubes und fish cubes in den Produktionszyklus integrieren lässt und welche Biomasse aus dem insect cube weitergereicht werden kann.
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