Das Wort Aquaponik ist ein Mix aus den Begriffen Aquakultur und Hydroponik. Aquakultur ist die kontrollierte Aufzucht von Wasserbewohnern wie Fischen, Muscheln, Krebsen und Algen. Der Fachbegriff Hydroponik wiederum steht für die Kultivierung von Pflanzen ohne Erde in Hydrokultur. Aquaponik steht für eine kombinierte Aufzucht von Fischen und Pflanzen in einem Kreislaufsystem. Es handelt sich um eine sogenannte integrierte Aquakultur, bei der das Wasser aus der Fischhaltung aufbereitet und wiederverwendet wird, um angebaute Pflanzen mit Nährstoffen zu versorgen. Solche Systeme, die mehrere Spezies verschiedener Stufen der Nahrungskette vereinen, werden auch als integrierte multitrophische Aquakultur (IMTA) bezeichnet.
Die Idee der Kombination von Organismen in der Landwirtschaft ist nicht neu. In vielen Ländern Südostasiens ist die Teichaquakultur seit alters her essenzieller Bestandteil der Landwirtschaft. Schon vor tausend Jahren ließen chinesische Bauern in ihren Reisfeldern Karpfen schwimmen. Mit der zunehmenden Bedeutung der urbanen Landwirtschaft rücken moderne Aquaponik-Systeme zunehmend in den Fokus. Denn in den Städten lässt sich Abwärme für die Beheizung der Fischbecken nutzen, und die Produktion findet nahe dem Konsumenten statt. So versprechen sich Agrarforscher, sowohl Fische als auch Gemüse unter effizienterer Nutzung der vorhandenen Nährstoffe zu produzieren.
Moderne Aquaponik-Anlagen beanspruchen keine landwirtschaftlichen Nutzflächen. Unabhängig vom Klima lässt sich an vielen Standorten der Erde produzieren. So kann man mit diesem ressourcensparenden Verfahren natürliche Fischbestände schonen, Düngemittel einsparen, den Wasserverbrauch reduzieren und die Abwasserbelastung senken. Letzteres ist insbesondere ein Problem bei Anlagen, in denen nur Fische gehalten werden.
Zu den Herausforderungen dieser Technologie zählen die anfänglich höheren Investitionen, das notwendige Fachwissen über Fische, Pflanzen und Mikroorganismen, die das Brauchwasser reinigen. Hinzu kommen technische Kenntnisse, Kosten für Wasser, Strom und Personal sowie die tägliche Kontrolle der Anlage. Auch gilt das bisher für die Fütterung notwendige Fischmehl nicht als nachhaltig. Trotzdem sind sich viele Experten einig: Die Aquaponik hat das Potenzial, bestimmte Nahrungsmittel nachhaltiger und klimafreundlicher zu produzieren. Wissenschaftler untersuchen, wie effizient die Systeme sind und arbeiten daran, sie zu optimieren.
Zu den Vorreitern der Aquaponik in Deutschland zählt das Berliner Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei. In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) finanzierten Forschungsprojekt „Tomatenfisch“ haben Wissenschaftler dort eine Pilotanlage entwickelt, in der sie Buntbarsche und Tomaten gemeinsam aufziehen.
Das Prinzip der Tomatenfisch-Anlage steht hier beispielhaft für ein typisches Aquaponik-System: In Fischtanks werden Tilapien gehalten, wärmeliebende, robuste und schnellwachsende Süßwasserfische aus der Familie der Buntbarsche, die ursprünglich in Afrika vorkommen. Die Anlage besteht aus einem geschlossenen Kreislauf, in dem eine Aquakultur-Anlage und eine Hydroponik-Einheit miteinander verschaltet sind. Die Reinigung des Wassers aus den Fischtanks erfolgt zuerst durch einen Lamellenfilter und dann durch einen Biofilter, der mit Mikroorganismen besiedelt ist. Die Mikroben wandeln das Ammonium aus den Ausscheidungen der Fische in Nitrat um. Dieses Nitrat ist neben Phosphat ein perfekter Pflanzendünger. Ohne diesen biologischen Reinigungsschritt würde das gesamte Aquaponik-System nicht funktionieren. Eine Pumpe lässt das Brauchwasser von den Fischen in die Hydroponik-Einheit strömen.
Die Aquaponikanlage "Tomatenfisch" des IGB
In der Hydroponik-Einheit erfolgt die Aufzucht der Pflanzen. Hier fließt das nährstoffhaltige Wasser durch Rinnen und umspült kontinuierlich die Pflanzenwurzeln. Neben Tomaten eignen sich Auberginen, Gurken und Paprika für die Aufzucht in Hydrokultur. Diese stark zehrenden Pflanzen benötigen wesentlich mehr Nährstoffe als niedrigzehrende Pflanzen wie zum Beispiel Salat und Kräuter. Die Kunst in der Aquaponik ist es, die Aquakultur und die Hydroponik aufeinander abzustimmen.
Die Tomatenfisch-Anlage in Berlin kann auch bei der Ressourceneffizienz punkten: Das von den Pflanzen über die Blätter ausgeschiedene Wasser in der Gewächshausluft wird von sogenannten Kühlfallen angesaugt und abgekühlt. Dabei kondensiert der Wasserdampf und fließt als reines Wasser in die Fischtanks zurück. So müssen nur 3% des Wassers am Tag ausgetauscht werden. Insgesamt entstehen nur 220 Liter Abwasser je Kilogramm Tilapia. Zum Vergleich: Bei der Anzucht von Forellen in herkömmlicher Aquakultur sind es bis zu 200.000 Liter je Kilogramm Fisch. Zudem versorgen die Pflanzen die Fische mit Sauerstoff. Im Gegenzug nutzen die Pflanzen das von den Fischen ausgeschiedene Kohlendioxid für ihr Wachstum. Ein weiterer Vorteil: Die Anlage lässt sich sowohl im großen Stil in Farmen als auch im handlichen Regentonnen-Format betreiben, geeignet etwa für Städte.
Das Tomatenfisch-Projekt ist nur eines von zahlreichen unterschiedlichen Aquaponik-Systemen. Viele dieser Konzepte sind jedoch noch nicht ausgereift. Die Forschungsaktivitäten der vergangenen Jahre haben gezeigt, dass einfache Aquaponik-Systeme sich insbesondere für die Aufzucht von niedrigzehrenden Pflanzen und robusten Fischarten eignen. Um eine vielfältige und profitable Nahrungsmittelproduktion zu erreichen, experimentieren Forschende mit Mehrkreislaufsystemen und unterschiedlichen Formen der Kopplung oder Entkopplung der Einheiten
Mehr als 30 Institutionen forschen in Deutschland im Bereich Aquakultur und Aquaponik. Zu den Akteuren zählen insbesondere Universitäten, Fachhochschulen, außeruniversitäre Einrichtungen sowie Forschungsbetriebe des Bundes. Die Landesanstalten für Landwirtschaft forschen zudem im Auftrag der Bundesländer. Einen Kern ihrer Aktivitäten bilden neue Futtermittel für die Fische oder technische Verbesserungen. Geforscht wird dazu auch in Kiel am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung oder am Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) in Berlin. Denn das Futter verursacht hohe Fixkosten beim Betrieb der Anlagen. Das Futter besteht in der Regel aus Fischmehl und -öl; diese werden aufgrund der hohen Nachfrage immer teurer.
Rostocker Forscher der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät wollen Aquaponik in Mecklenburg-Vorpommern etablieren. Gefördert durch das BMBF im Rahmen der Maßnahme „Agrarsysteme der Zukunft“ entwickeln Forschende an der Hochschule Kaiserslautern eine Polyaquakultur-Anlage, in der auch Mikroalgen kultiviert werden. Eine eigene Forschungs- und Versuchsanlage betreibt die Fachhochschule Südwestfalen in Soest und auch die Gesellschaft für Marine Aquakultur mbH in Büsum. Die TU Berlin arbeitet seit mehreren Jahren an ihrer Roof Water Farm. Am Bremerhavener Alfred-Wegener-Institut, einem außeruniversitären Helmholtz-Zentrum, ist das Zentrum für Aquakulturforschung (ZAF) untergebracht. Hier steht umweltbewusste, nachhaltige Aquakultur im Fokus. Im Rahmen des BMBF-Ideenwettbewerbs „Neue Produkte für die Bioökonomie“ entwickelt ein Team der Universität Leipzig eine stark automatisierte Mikro-Aquaponik-Anlage. Diese soll für jedermann nutzbar und erschwinglich sein. In dem von 2018 bis 2020 geförderten Projekt namens „Greenhub“ zielen die Forscher auf eine Kleinstanlage im Mehrkreislaufprinzip.
Auch das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) fördert Forschungsaktivitäten zum Thema Aquaponik. So entwickelt die Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie (EMB) in Lübeck gemeinsam mit der Gesellschaft für Marine Aquakultur in Büsum in Kooperation mit Forschern aus Malawi eine solargestützte Aquakultur-Anlage für einen dort heimischen Fisch in Kombination mit Gemüseanbau. Forscher aus Deutschland waren auch an dem EU-Verbundprojekt „INAPRO“ beteiligt. Ausgestattet mit einem Budget von mehr als 9 Mio. Euro haben 17 Partner aus sieben Ländern die technische und wirtschaftliche Machbarkeit der Tomatenfisch-Aquaponik-Anlage des Leibniz-IGB im Großmaßstab erprobt.
Die kommerzielle Nutzung von Aquaponik-Systemen befindet sich hierzulande noch in den Kinderschuhen. In Berlin sitzt das 2012 aus der Taufe gehobene Start-up ECF Farmsystems GmbH, in Waren an der Müritz der 1952 gegründete, größte Binnenfischereibetrieb Deutschlands, die Fischerei Müritz-Plau GmbH. Die Müritzfischer betreiben derzeit eine Demonstrationsanlage auf ihrem Gelände. Basis der Aktivitäten beider Unternehmen sind die Vorarbeiten des Leibniz-IGB. So betreut ECF inzwischen europaweit Projekte, von der Planung über den Bau bis zur schlüsselfertigen Übergabe des maßgeschneiderten Aquaponik-Systems. Das Berliner Unternehmen erhielt erst kürzlich von Schweizer Investoren eine Wachstumsfinanzierung in Millionenhöhe. Ebenfalls aus Berlin stammt die TopFarmers GmbH, die sich nicht als Technologielieferant sieht, sondern ihre Anlagen selbst betreibt. Die Urban Fresh Food GmbH mit Sitz in Leipzig wurde 2014 beim Leipziger Ideenwettbewerb für Existenzgründer (LIFE) für ihre Geschäftsidee prämiert. Erst 2018 stellte der traditionsreiche Kasseler Düngemittel- und Salzhersteller K + S Aktiengesellschaft einen Forschungscontainer vor, mit dem Aquaponik als ein mögliches neues Geschäftsfeld überprüft wird. Interessierte und Fachleute informiert der Bundesverband Aquaponik e.V. zum Thema. Europaweit agiert die Association of Commercial Aquaponic Companies (ACAC). Erst 2018 startete die Europäische Dachorganisation European Aquaponics Association (EUAA).
Die Weltbevölkerung wird weiter wachsen. Immer mehr Menschen wohnen in Städten. Integrierte Anlagen für die lokale Erzeugung von Nahrungsmittelpflanzen und Fisch in den Innenstädten großer Metropolen könnten helfen, die Versorgung mit Nahrungsmitteln zu verbessern. Zudem sind derartige Systeme auch in sehr trockenen oder landwirtschaftlich ungenutzten Landstrichen denkbar. Doch der wirtschaftliche Betrieb und die Handhabung dieser Anlagen stellen noch immer Herausforderungen dar. So gelten in Deutschland die in der Fischvermarktung erzielbaren Preise, die Energie- und Anlagenkosten sowie die Personalkosten als entscheidende Größen. Für die Auswahl der Fische und Pflanzen sowie den Betrieb der Anlage ist zudem spezifisches Wissen unumgänglich. Eine Nachhaltigkeitszertifizierung könnte nach Expertenmeinung die Markterschließung fördern.
In den kommenden Jahren werden die Systeme weiter technisch optimiert, um den Verbrauch von Wasser und Strom zu senken. Schon heute lassen sich die Anlagen mit erneuerbaren Energien betreiben. Ebenso könnte Abwärme aus Biogasanlagen oder Blockheizkraftwerken künftig genutzt werden. Leuchtmittel wie LEDs, die auf jede Pflanze hin optimierte Lichtspektren abstrahlen, könnten die Effizienz der Anlagen weiter steigern. Denkbar ist auch der Einsatz Künstlicher Intelligenz zur Systemsteuerung oder Prozessautomatisierung. Neue Management-Software lassen Entscheidungen zur Optimierung der Produktion, zum besseren Schutz der Umwelt, der Beurteilung der Produktqualität und zum Tierwohl fundierter treffen. Auch postindustriell geprägte Städte setzen auf Aquaponik, um insbesondere soziale und wirtschaftliche Nachteile zu mindern. Ein Modell für nachhaltige Produktionssysteme in Industriebrachen wird zum Beispiel in Dortmund erprobt.
Redaktion: Sebastian Delbrück, Philipp Graf
