Aquaponik

Die Aquaponik stellt einen Sonderfall der
Aquakultur dar, bei der das Prozesswasser zusätzlich für die Nährstoffversorgung von Pflanzen genutzt wird (Doppelnutzung des Wassers). Foto: D. Ausserhofer/IGB

In der Aquakultur kommen viele verschiedene Systeme, z. B. offene System wie Netzgehege, halboffene wie Teiche oder Raceways oder geschlossene Kreislaufsysteme (engl. recirculation aquaculture systems, RAS), zum Einsatz. In der kreislaufbasierten Aquakultur wird das Wasser aus der Fischhaltung aufbereitet und wiederverwendet (Zirkulation), wodurch eine deutliche Reduktion des Wasserverbrauchs gegenüber offenen Systemen erreicht wird.
Die Aquaponik stellt einen Sonderfall der Aquakultur 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 Aquakultureinheit (Fischhaltung und Wasseraufbereitung) mit dem hydroponischen Anbau von Nutzpflanzen in einem Produktionssystem.

In der Aquaponik werden häufig robuste Fischarten, wie Tilapia, gehalten. 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. Gerade bei der Aufzucht von Fischen in Gewächshäusern ist die Toleranz gegenüber Temperaturschwankungen ein großer Vorteil, da bei intensiver Sonneneinstrahlung zeitweise Temperaturen von über 30 °C erreicht werden können, eine enge Temperaturregulierung/Klimatisierung jedoch sehr kostenaufwendig und wenig nachhaltig ist. Auch andere robuste 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 (z. B. Forellen in Skandinavien).

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, ggf. mit Dünger angereichert) umspült 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. 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. 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.

Stickstoffkreislauf

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. Durch die Zersetzung von nicht gefressenem Futter und durch Faeces (Kot) 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.

erdloser Anbau

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.

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). Dies erhöht die ökologische Nachhaltigkeit dieser Systeme ausmacht.

Aquaponik Schema

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 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 à 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.

Kühlfalle

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. Die Nutzung von Abwärme und auch die Verwertung der im Produktionsprozess anfallenden organischen Reststoffe (Filterschlamm, Pflanzenteile, Schlachtabfälle) in einer Biogasanlage können die Wirtschaftlichkeit erhöhen.

Tomaten in Aquaponik

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.

Obwohl die Idee Fischhaltung und Pflanzenzucht zu verbinden nicht neu ist, erlebt die Aquaponik als Produktionsmethode durch die technischen Neuerungen  in jüngster Vergangenheit einen Aufschwung. Besonders in den USA gibt es mittlerweile eine große Zahl kleinerer und mittlerer Produzenten. Genaue Zahlen, wie hoch das Produktionsvolumen in Aquaponik-System weltweit einzuschätzen ist, gibt es allerdings nicht und die Methode kommt nicht flächendeckend zum Einsatz. Die Produktion dürfte zurzeit im Vergleich zu konventionellen Systemen noch als äußerst gering einzustufen sein.

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