Aquaponik

In der Aquakultur werden viele verschiedene Systeme verwendet. Es kommen offene System wie Netzgehege, halboffene wie Teiche oder Raceways oder geschlossene Kreislaufsysteme (RAS, recirculation aquaculture systems) zum Einsatz.
In der kreislaufbasierten Aquakultur wird das Wasser aus der Fischhaltung aufbereitet und wiederverwendet (rezirkuliert), wodurch eine deutliche Reduktion des Wasserverbrauchs gegenüber offenen Systemen erreicht wird.
Die Aquaponik stellt einen Sonderfall der Kreislauftechnik dar, bei der das Prozesswasser zusätzlich für die Nährstoffversorgung von Pflanzen genutzt wird (Doppelnutzung des Wassers). Aquaponik vereint also die Aufzucht von Fisch in einer kreislaufbasierten Aquakultureinheit (Fischhaltung und Wasseraufbereitung)

tl_files/data_site/REDAKTIONSDATEN/Fotos/Themenbereiche/Prozesstechnik/546 Aquaponik IGB.jpgmit dem hydroponischen Anbau von Nutzpflanzen in einem ressourcen-schonenden, landwirtschaftlichen Produktionssystem.

In der Aquaponik wird häufig Tilapia gezüchtet. Diese Buntbarsche stammen ursprünglich aus Afrika, stellen als Omnivore geringe Ansprüche an die Futterqualität (geringer Proteinbedarf, hohe Fischmehlsubstitution mit pflanzlichen Proteinen möglich), sind robust gegenüber Schwankungen der Haltungsbedingungen (Temperatur, Nährstoffgehalt im Wasser etc.) und wachsen sehr schnell. Obwohl in Deutschland weniger bekannt, ist der Tilapia einer der am häufigsten gezüchteten Fische weltweit (3.670.260 t, FAO 2014).
Gerade bei der Aufzucht von Fischen in Gewächshäusern ist die Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen ein großer Vorteil, da bei intensiver Sonneneinstrahlung zeitweise Temperaturen >30 °C erreicht werden können, eine enge Temperaturregulierung/Klimatisierung jedoch sehr kostenaufwendig und wenig nachhaltig ist. Auch andere Süßwasserfische wie z. B. der Afrikanische Raubwels (Clarias gariepinus) und verschiedene Karpfenartige (Karpfen Cyprinus carpio oder die besonders in Asien beliebte Catlabarbe Catla catla) werden erfolgreich in Aquaponiksystemen aufgezogen. Kaltwasser-Aquaponik ist an wenigen Orten in der Erprobung (Forellen in Skandinavien, Zander auf den Azoren).

Die zweite Systemkomponente in der Aquaponik ist die Hydroponik, in der vorrangig Nutzpflanzen für den Verzehr produziert werden. Die Aufzucht der Pflanzen erfolgt dabei nicht in Erde, sondern z. B. in (Fließ-)Rinnen (Nährfilmtechnik, NFT), in denen die Pflanzenwurzeln kontinuierlich von einer Nährlösung (Prozesswasser aus der Aquakultur plus ggf. Dünger) umspült werden. Ziel einer Aquaponikanlage ist die Abstimmung beider Produktionssysteme, so dass die Fische einen Großteil der Nährstoffe für die Pflanzen bereitstellen, ohne dass eine zusätzliche Düngung erforderlich wird und so ressourcenschonend und trotzdem sehr effizient Lebensmittel produziert werden.
Im Prozesswasser der Fischhaltung reichern sich über die Zeit Stickstoffverbindungen (vorrangig Nitrat und Phosphate) an, die für die Nährstoffversorgung der Pflanzen verwendet werden können.
Stickstoff und Phosphat werden hauptsächlich über das Futter in die Fischhaltung eingebracht. Das Futter enthält Proteine und Nukleinsäuren, die für den Stoffwechsel der Fische (z. B. Wachstum, Energiegewinnung) benötigt werden.

Bei der Auswahl der Pflanzen können prinzipiell alle Arten, die hydroponisch angebaut werden, auch für die Aquaponik verwendet werden. Dabei müssen aber die spezifischen Nährstoffansprüche beachtet werden. So benötigen stark zehrende (fruchttragende) Pflanzen wie Tomate, Gurke oder Kürbis wesentlich mehr Nährstoffe als schwach zehrende wie Salat oder Kräuter. Dementsprechend sollten bei der Auswahl der Pflanzen neben ökonomischen Aspekten auch die Bedingungen der jeweiligen Aquaponikanlage berücksichtigt werden. Bei dem Abbau der Stickstoffverbindungen wird Ammonium (NH4+) als Stoffwechselendprodukt gebildet und primär über die Kiemen ausgeschieden. Abhängig vom pH-Wert liegt ein Teil des Ammoniums dabei als fischtoxisches Ammoniak (NH3) vor. tl_files/data_site/REDAKTIONSDATEN/Fotos/Themenbereiche/Prozesstechnik/542 Sticktstoffkreislauf Aquaponik.jpgDurch die Zersetzung von nicht gefressenem Futter und durch Faeces und deren mikrobiellen Abbau wird der Gehalt von Ammonium/Ammoniak im Haltungswasser zusätzlich erhöht. Das toxische Ammoniak wird in Kreislaufanlagen durch verschiedene biologische Filter wie Tropf-, Bewegtbett- und Sandbettfilter biologisch in weniger giftiges Nitrit (z. B. Nitrosomonas, Nitrospira) bzw. ungiftiges Nitrat (z. B. Nitrobacter) umgewandelt. Im Laufe der Zeit reichert sich deshalb Nitrat im Haltungswasser an. Diese hohen Konzentrationen (bis zu 1000 mg/l N-NO3) können Wohlbefinden, Wachstum und Reproduktion der Fische beeinträchtigen. Andererseits ist Nitrat ein wertvoller Nährstoff für Pflanzen und Bestandteil jedes Düngers. Das mit Nährstoffen angereicherte Wasser aus dem Fischkreislauf kann deshalb als Dünger für die Aufzucht von Nutzpflanzen verwendet werden. Die Pflanzen nehmen die Nährstoffe über die Flüssigkeit auf, wobei Wasser verdunstet. Wird dieses zurückgewonnen (z. B. durch eine Kältefalle), kann es der Fischhaltung wieder zugeführt werden. Ansonsten wird das in der Hydroponik verdunstete Wasser ersetzt. Anstelle Wasser ausschließlich für die Pflanzen zu verbrauchen, wird es vorab für die Aufzucht von Fischen genutzt (Doppelnutzung des Wassers), was die besondere ökologische Nachhaltigkeit dieser Systeme ausmacht.

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Der simultane Betrieb von Aquakultur und Hydroponik in einem Gewächshaus hat weitere Vorteile. Die benötigte Technik, wie Pumpen, Klimaanlage, Vorratstanks und die Steuerungsanlage zur Überwachung des Produktionssystems, wird zusammengeführt, wodurch es zu weiteren Kosteneinsparungen kommt. Die natürlichen CO2-Emissionen der Fische werden größtenteils über die Filter ausgetrieben und können so von den Pflanzen verstoffwechselt werden (CO2-Düngung).

In kommerziellen Gewächshäusern wird die Raumluft häufig künstlich mit CO2 angereichert, um den Ertrag entsprechend zu steigern. Das anorganische CO2 wird dabei von den Pflanzen in der Photosynthese in organische Stoffe (zumeist Kohlenhydrate) umgewandelt (Primärproduktion).

6 CO2 + 12 H2O + Licht --> C6H12O6 + 6 O2

Um vermehrt Wasser einzusparen, kann das Transpirationswasser der Pflanzen (für die Produktion von 1 kg Tomaten werden durchschnittlich 184 l Wasser benötigt, Waterfootprint 2015) über eine Kältefalle zurückgewonnen werden.

tl_files/data_site/REDAKTIONSDATEN/Fotos/Themenbereiche/Prozesstechnik/545 Kaeltefalle.jpg

Dafür wird die feuchte Gewächshausluft angesaugt und in den Fallen abgekühlt. Der in der Luft enthaltene Wasserdampf kondensiert und kann als reines Wasser (eine Filtration ist zumeist nicht nötig) in den Fischkreislauf zurückgeführt werden. Der für den Betrieb der Kühlfallen benötigte Energieaufwand ist gegenüber der Wasserersparnis in trockenen Gebieten eher zu rechtfertigen als in gemäßigten Breiten, wo die Verfügbarkeit von Wasser selten limitiert ist. In kühleren Gegenden können die Nutzung von Abwärme und auch die Verwertung der im Produktionsprozess anfallenden organischen Reststoffe (Filterschlamm, Pflanzenteile, Schlachtabfälle) in einer Biogasanlage die Wirtschaftlichkeit erhöhen.

Somit bietet die Aquaponik als Kombination von Fischzucht und Nutzpflanzenproduktion in Hydrokultur nicht nur eine technische Lösung zum nachhaltigen Ausbau einer emissionsarmen Produktion, sondern auch die Möglichkeit zur Produktionssteigerung und Kostensenkung in beiden Systemen. Hierdurch ist es möglich, nicht nur auf eine Düngung der Pflanzen weitgehend zu verzichten und eine Wachstumssteigerung der Fische aufgrund niedrigerer Nährstoffbelastung zu erreichen, sondern auch Investitionskosten und Wasserabgaben zu reduzieren.

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