Aquakultur im Kreislauf
Vom Fisch zur Mikroalge zum Fisch
Frédéric Lapierre, Uwe Waller


Der Fisch auf unserem Teller stammt möglicherweise aus einer Aquakultur, denn – die Fischzucht hat die Fischerei bald abgelöst. Damit scheint auf den ersten Blick das Problem der Überfischung gelöst. Schaut man jedoch genau hin, erkennt man, dass sich mit der Aquakultur neue Probleme auftun. Neue Konzepte gibt es schon. Und die sind ganz schön grün!

Professor Uwe Waller zeigt einer Gruppe Studierenden stolz den Fischtank mit glasklarem Wasser, in dem viele, noch sehr kleine Doraden schwimmen. Er muss mit lauter Stimme sprechen, denn es herrscht Betriebsamkeit in der großen Forschungshalle der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar). Außer den Zuhörern sind auch andere Studenten und Mitarbeiter in der Halle, nehmen Proben, kümmern sich um die Instandhaltung oder beschäftigen sich mit der Technik der Anlagen. Es fällt schnell auf, dass eine landbasierte Fischzucht mehr als ein überdimensioniertes Liebhaber-Aquarium ist. Erfolgreiche Aquakultur bedarf viel Erfahrung und daher auch stetiger Forschung.

Der Mensch versteht und nutzt Ökosysteme. Er konnte sich so, den teilweisen harschen Bedingungen trotzend, über der gesamten Erde ausbreiten. Er entwickelte aus seinem Wissen Ackerbau und Viehzucht, deckte seinen Bedarf an Lebensmitteln selbst und konnte dadurch seine Abhängigkeit von der Natur senken. Mit der Industrialisierung und der weltweit wachsenden Bevölkerung nimmt auch sein Einfluss auf unseren Planeten zu. Die Landwirtschaft beeinflusst und verdrängt zunehmend natürliche Ökosysteme. Bei der Versorgung mit Fisch griff der Mensch dagegen lange auf die Seen, Flüsse und Ozeane zurück: Die natürlichen Bestände erschienen unerschöpflich. Wie Erdöl oder Kohle sah man Fisch und Meeresfrüchte als nahezu kostenlose Ressource. Die Stagnation der Fischereierträge seit dem Ende des letzten Jahrhunderts (Abb. 1) durch Überfischung zeigt deutlich die Konsequenz dieses Irrglaubens.

Abb. 1: Das Wachstum der Weltbevölkerung und die Versorgung mit Fischen, Krebs- und Weichtieren aus der Fischerei
und der Aquakultur [1]



Abb. 2: Globale Versorgung mit Fischen, Krebs- und Weichtieren pro Individuum aus Fischerei und Aquakultur [1] [2]



Die Aquakultur etablierte sich


Die stürmische Entwicklung der Aquakultur in den letzten 50 Jahren war eine Reaktion auf den sich abzeichnenden Niedergang der Fischerei. Dennoch stieß die Idee einer Fischzucht auf viel Kritik und Skepsis. Aufwändig und kostenintensiv sei es Lebewesen zu züchten, von denen doch noch genug im Wasser herumschwimmen, - sagte die Fischerei. Heute, insbesondere mit der Abnahme der natürlichen Bestände in den Weltmeeren, sinkt jedoch das Angebot, während die Nachfrage nach Fisch auf dem Teller aufgrund wachsender Weltbevölkerung immer weiter steigt. Die Preise für Wildfang gingen in die Höhe, sodass Aquakultur nicht nur ökologisch gewünscht wurde, sondern nun auch erstmals wirtschaftlich konkurrieren konnte (Abb. 2).

Fischzucht in Teichen, Fließkanälen oder Netzgehegen etablierte sich zunächst als kostengünstiges Konzept mit einfacher Technik. Die Fische werden in, oder mit, Wasser aus natürlichen Gewässern von klein auf bis zum Schlachtgewicht aufgezogen. Da es mehr Tiere sind, als das natürliche Ökosystem ernähren könnte, müssen sie ihren Bedürfnissen entsprechend mit Fischfutter versorgt werden. Die Ausscheidungen der Fische werden in die Natur entlassen. Diese konventionellen Kultivierungssysteme sind offen gegenüber der Umwelt und werden daher als linear bezeichnet.

Das Fischfutter besteht aus Fischmehl und Fischöl, Soja- und Weizenproteinen, Vitaminen, Mineralien und Bindemitteln, mit denen es zu Pellets geformt wird. Das Fischöl liefert die wertvollen Omega-3-Fettsäuren, die Docosahexaensäure (DHA) und Eicosapentaensäure (EPA), die auch für die menschliche Ernährung essentiell sind. In der Natur werden diese mehrfach ungesättigten Fettsäuren in erster Linie von Mikroalgen (z.B. Isochrysis galbana, Nannochloropsis salina, Phaeodactylum tricornutum) produziert, welche über den Weg der Nahrungskette von den Fischen aufgenommen und dort akkumuliert werden. Fischmehl und -öl für das Futter werden aus kleinen heringsartigen Fischen gewonnen, die z.B.  vor den Küsten von Peru gefangen werden (Abb. 3). Die Nachfrage nach diesen wertvollen Rohstoffen der Futtermittelindustrie ist sehr groß, die Bestände jedoch begrenzt. Dadurch kommt es zu immer weiter steigenden Preisen.

Abb. 3: Fischmehl und Fischöl wird hauptsächlich in Peru produziert. Global geht die Produktion in den letzten Jahren zurück [1].



So stellt sich die Frage, ob die Aquakultur tatsächlich eine echte Alternative zur Fischerei darstellt, wenn doch die Futtermittelverfügbarkeit mit dem natürlichen Angebot an Fischprodukten gekoppelt ist. Diese Abhängigkeit wurde besonders im Winter 2015/16 deutlich: ein außergewöhnlich starker El Niño, eine Störung des Passatwindsystems im äquatorialen Pazifik, führt zum wiederholten Mal zu einem Einbruch des natürlichen Fischvorkommens vor der südamerikanischen Westküste. Heute mehren sich die Hinweise, dass die globale Klimaänderung zu einer Zunahme extremer El Niño Phänomene führt. Dies macht zukünftige Engpässe in der Futtermittelproduktion für die Aquakultur vorhersehbar [3].

Nicht nur der Einsatz von Fischmehl und Fischöl in der Produktion der Futtermittel wirft Fragen auf; auch die offene Systemgrenze in der konventionellen Aquakultur führt zu Problemen. Die Fische defäkieren phosphathaltige (PO43-) Feststoffe und Harnstoff (auch Urea genannt, CH4N2O) und scheiden über ihre Kiemen nicht nur Kohlendioxid (CO2) sondern auch Ammonium (NH4+) aus. Dieses wird im Wasser von nitrifizierenden Bakterien in Nitrit (NO2-) und Nitrat (NO3-) umgewandelt. Ein übermäßiger Eintrag dieser Stickstoff (N) und Phosphor(P) -haltigen Nährstoffe in Ökosysteme führt zur Eutrophierung. Die zusätzlichen Nährstoffe führen dazu, dass das Wachstum von Algen im Wasser im hohem Maße zunimmt. Durch diese Algenblüten werden die Ökosysteme in Binnen- und Küstengewässern aus dem Gleichgewicht gebracht.

Zu allem Überfluss stellen diese Stoffe knappe Ressourcen dar. Stickstoff und Phosphat werden dringend für Pflanzendünger in der Landwirtschaft benötigt. Der Bedarf an Düngemitteln wächst und wird mit der zunehmenden Weltbevölkerung weiter wachsen. Das natürliche Vorkommen reicht bei weitem nicht mehr aus, sodass mittlerweile mit einem hohen Energie- und Erdgaseinsatz atmosphärischer Stickstoff zu Stickstoffdünger verarbeitet wird. Phosphat wird mühsam aus Mineralien gewonnen, ist also eine endliche Ressource. Man prognostiziert, dass Engpässe in der Düngemittelversorgung zu Krisen in der Lebensmittelversorgung führen werden.

Diese und weitere Probleme der konventionellen Aquakultur, seien es die Schutzlosigkeit bei extremen meteorologischen Ereignissen, das Auftreten von Krankheiten, der Befall mit Parasiten oder giftige Planktonblüten, lassen diese Form der Fischzucht unattraktiv erscheinen. Dies bewog Prof. Waller schon vor vielen Jahren nach alternativen Produktionsformen zu suchen, die nach dem Vorbild der Natur als Kreislauf gestaltet sind. In der Forschungshalle der htw saar stehen bereits seit mehreren Jahren experimentelle Kreislaufanlagen zur Kultivierung von Meeresfischen, salztolerante Pflanzen (Halophyten) und Mikroalgen – circa 400 km vom nächsten Meer entfernt.

Vom linearen Produktionssystem zum Kreislauf

Seit Mitte der 1990 Jahre rückt die Kreislaufaquakultur in das Rampenlicht, bei der die Kenntnisse über die marinen Stoffkreisläufe genutzt werden. Die Grundlage ist ein weitgehend in sich geschlossenes System zur Zucht von Fischen, Krebs- und Weichtieren. Der Fokus dieser sogenannten rezirkulierenden Aquakultursysteme (RAS) liegt auf der Reinigung und Wiederverwertung des Prozesswassers [4]. In einem RAS werden die Stoffe, die mit dem Futter in das System hinein gegeben werden und nicht im Fisch verbleiben, die sogenannten Reststoffe, durch eine ausgeklügelte Reinigungstechnik aus dem Prozesswasser entfernt (Tafel 1). Das künstliche Meerwasser wird vor Ort mit einer Mineralsalzmischung angesetzt. Dieses System ist daher weitgehend unabhängig von natürlichen Gewässern und veränderlichen Umweltbedingungen. So können Meeresfische unter kontrollierten Bedingungen weit von der nächsten Küste entfernt gezüchtet werden (Abb. 4).

Abb. 4: Die Wolfsbarsche (Dicentrarchus labrax) können in dem Produktionsbecken ihrem natürlichen Schwarminstinkt nachgehen. Das Wasser ist frei von Verunreinigungen.
(© Neomar GmbH)



1) Produktionsbecken
In diesem Tank leben die Fische. Hier werden sie gefüttert. Die Wasserqualität, Temperatur, Salzgehalt, pH-Wert, O2, CO2 und die Nährstoff-Konzentration kontrolliert.
2) Trommelfilter
In einer rotierenden Trommel werden grobe Partikel aus dem Wasser gefiltert.
3) Biofilter
In diesem Anlagenteil sitzen nitrifizierende Bakterien, die das Ammonium in Nitrit und Nitrat umwandeln.
4) Abschäumung
Aufsteigende Bläschen nehmen hier kleinste Partikel , die das Wasser trüben mit nach oben, wo sie mit dem Schaum aus dem System entfernt werden. Zudem werden hier mit geringen Mengen Ozon (O3) Schmutzstoffe oxidiert.
5) Denitrifikation
Die Nitrifikation (3) reichert Nitrat im Prozesswasser an, welches einen negativen Einfluss auf die Fischgesundheit hat. Mit denitrifizierenden Bakterien wird Nitrat über Nitrit in gasförmigen Luftstickstoff umgewandelt, der das System verlässt.

Tafel 1: Es gibt verschiedene Arten der Kreislaufaquakultur. Dargestellt ist das System der Forschungsgruppe der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (Grafik: Christian Steinbach). Das Konzept wurde und wird heute in kommerziellen Anlagen umgesetzt.

Die Entkopplung der Aquakultur von der Umwelt hat gegenüber den konventionellen, offenen Systemen klare Vorteile. Eine Eutrophierung wird durch die Kreislaufführung des Wassers verhindert. Vor allem wird jedoch die Produktionssicherheit erhöht: Zum einen, weil meteorologische, hydrologische oder biogene Gefahren (z.B. Krankheitserreger, Parasiten wie die Lachsläuse, toxisches Phytoplankton) keinen Einfluss auf die Zucht haben, zum anderen, weil die Wasserqualität genauestens kontrolliert und geregelt werden kann. Die Lebensbedingungen sind optimal an die Arten angepasst. Die konstanten Produktionsbedingungen minimieren den Futtereinsatz und damit den Einsatz von Ressourcen. Ein weiterer Bonus einer kreislaufgeführten Aquakultur ist der im Vergleich zur Zucht anderer Tiere geringe Frischwasserbedarf (Abb. 5).

Abb. 5: Der Wasserverbrauch für die Erzeugung von Futtermittel und Tierhaltung.*) Fisch aus einer kreislaufgeführten Aquakultur
Der Wasserverbrauch bei Fisch ist deutlich am geringsten [7][8]



Die Entfernung von Nitrat steht bei rezirkulierenden Aquakultursystemen besonders im Fokus. Nitrifizierende Bakterien werden in einem sogenannten Biofilter bewusst eingesetzt (Tafel 1, Prozess 3), um das für Fische giftige Ausscheidungsprodukt Ammonium in das weniger schädliche Nitrat umzuwandeln. In einem zweiten Biofilter (Tafel 1, Prozess 6) muss dann das Nitrat mithilfe von denitrifizierenden Bakterien unter Sauerstoffausschluss zu gasförmigen Stickstoff (N2) umgewandelt werden. Dieser wird an die Umgebungsluft abgegeben und ist zunächst ökologisch unbedenklich.

Die Eutrophierung durch rezirkulierende Aquakultursysteme ist im Vergleich zur konventionellen Fischzucht dank aufwändiger Wasseraufbereitung minimiert, wenn die anfallenden Reststoffe entsorgt werden. Die Aufbereitungsprozesse in Kreislaufanlagen bedingen jedoch einen höheren technischen, energetischen und finanziellen Aufwand. Zudem ist der Kreislauf noch nicht vollständig geschlossen; auch in diesem System werden Fischmehl und Fischöle aus der Fischerei benötigt. Und zuletzt werden die Nährstoffe, die von den Fischen ausgeschieden werden, weiterhin nicht genutzt.

Mit Mikroalgen das künstliche Ökosystem schließen

Photosynthese ist der Prozess der Wandlung von Sonnenenergie in Stoffwechselenergie. Dadurch können Pflanzen Biomasse erzeugen, also wachsen. Man spricht von photoautotropher Produktion. Pflanzen benötigen für ihr Wachstum neben Kohlenstoffdioxid, Wasser und Sonnenlicht auch Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphat. In der Natur bekommen sie diese Nährstoffe dank des natürlichen Stoffkreislaufes des Ökosystems. Der Mensch nutzt diesen Kreislauf bereits seit tausenden von Jahren in der Landwirtschaft; indem er Exkremente aus der Viehzucht zur Ergänzung des natürlichen Nährstoffangebots für Nutzpflanzen verwendet, kann er zusätzliche Futter- und Lebensmittel erzeugen.

Wie bereits aufgeführt, stellen Nährstoffe eine knappe Ressource dar, müssen jedoch in einer geschlossenen Fischzucht mit hohem Aufwand entfernt werden. Daher erscheint es sinnvoll, das Kreislaufprinzip, welches man bereits aus der Landwirtschaft kennt, auf die Aquakultur zu übertragen; sprich, mit den Nährstoffen aus dem Prozesswasser der Fischzucht Nutzpflanzen zu düngen.

Während Prof. Waller seinen Studenten von diesem Prinzip erzählt, führt er sie in das kleinere der beiden Gewächshäuser neben der Forschungshalle. Dort wachsen die sogenannten Halophyten wie z.B. Meerfenchel (Crithmum maritimum), Queller (Salicornia dolichostachya), und Strand-Wegerich (Plantago coronopus) (Abb. 6). Diese Gewächse wachsen in der Natur an salzreichen Standorten. Sie haben spezielle Fähigkeiten, die es ihnen ermöglichen, moderate Salzwasserkonzentrationen in ihrer Wachstumsumgebung zu tolerieren. Daher haben sie gar keine Probleme mit dem Salzwasser aus der Kreislaufaquakultur [5][6]. Waller reißt ein paar Blättchen der Crithmum maritimum ab und verteilt sie unter den Studierenden. Diese probieren sie zögerlich, der Geschmack scheint ihrer Mimik nach zu urteilen zunächst gewöhnungsbedürftig. In Restaurants werden diese ungewöhnlichen Aromen jedoch durchaus geschätzt. Zudem wird ihre mögliche Nutzung als Nahrungs- oder Futtermittel in süßwasserarmen Ländern untersucht.

Abb. 6: Sandkulturen mit Halophyten. Das nährstoffreiche Wasser aus der Aquakultur wird in den Wurzelbereich der Halophyten geleitet, unten gesammelt und direkt in die Anlage zurückgepumpt.



Im Nährstoffkreislauf der Natur spielen Halophyten im Vergleich zu Mikroalgen eine untergeordnete Rolle (Abb. 7). Mikroalgen rückten in den letzten Jahren immer mehr in den Fokus der Biotechnologie. Sie liefern Grundstoffe für Kosmetika, Pharmazeutika und Lebens- und Nahrungsergänzungsmitteln. Zudem ist der hohe Ölgehalt verschiedener Algenarten, wie z.B. der Mikroalge Nannochloropsis salina, ein perfekter Rohstoff für die Produktion eines klimaneutralen Biodiesels. Diese photoautotrophen Organismen sind dabei unabhängig von fruchtbaren Böden, wachsen im Vergleich zu Nutz- und Energiepflanzen schneller und verbrauchen dementsprechend weniger Fläche.

Abb. 7: Der Stickstoffkreislauf. Oxidation und Reduktion von Stickstoff(N) werden von Bakterien durchgeführt. Mikroalgen nehmen in erster Linie Nitrat auf um Aminosäuren zu bilden. Larven und kleine Fische ernähren sich von Zooplankton, welches sich wiederum von Mikroalgen(Phytoplankton) ernähren.

Die Kultivierung von Mikroalgen ist jedoch auch eine Herausforderung für die Biotechnologie. Als photoautotrophe Organismen brauchen sie Licht, um sich zu vermehren und sie müssen mit Nährstoffen versorgt werden. Die Kulturen müssen daher ständig gemischt werden. Dafür wurden sogenannte Photobioreaktoren entwickelt (Abb. 8 und 9), in denen Mikroalgen in Wasser schweben.


Abb. 8: Probenentnahme eines Mitarbeiters an einem sogenannten Flatpanel Airlift Photobioreaktor. Durch die spezielle Form des Reaktors und aufsteigenden Blasen werden die Algen gut durchmischt.

Abb. 9: In einem tubulären Photobioreaktor werden die Algen im Kulturmedium durch durchsichtige Röhren gepumpt. Die Mikroalgen durchmischen sich in den Kurven besonders gut.

Die Biomasse in den Reaktoren erhöht sich durch die Teilung der Algenzellen, also die Zunahme der Zellzahl und damit der Dichte der Kultur. Die Bioreaktoren werden idealerweise bei der Zelldichte betrieben, an der die Biomasse am schnellsten zunimmt. Die Zelldichte wird von Rahmenbedingungen wie Sonnenlichteintrag, Turbulenz und Reaktortyp bestimmt. Um die notwendige Zelldichte aufrecht zu erhalten, wird aus den Reaktoren täglich ein berechnetes Wasservolumen entnommen, welches genau den täglichen Zuwachs an Mikroalgen enthält. Der Reaktor wird dann wieder mit Nährlösung aufgefüllt. Diese Art des Betriebes nennt man semi-kontinuierlich (Abb. 10). Prof. Waller und sein Team versuchen in einem nächsten Schritt die Photobioreaktoren nicht mehr mit künstlichem Kulturmedium, sondern direkt mit dem nährstoffreichen Prozesswasser aus Kreislaufanlagen für die Aquakultur zu speisen. Das Nitrat und Phosphat aus diesem Wasser düngt heute die Mikroalgen. Die Menge produzierter Algen – und analog die Anzahl der Reaktoren – wird dabei von der Masse der verfügbaren Nährstoffe bestimmt. Die Mikroalgen ersetzen somit einen Teil der aufwändigen und energiehungrigen Wasseraufbereitung, die in Tafel 1 dargestellt wurde. Ziel ist die Reinigung des Prozesswassers der Fischzucht allein durch die Kopplung mit der Algenkultivierung.

 

Abb. 10: Die Zunahme der Zellzahl und damit der Dichte einer Algenkultur erfolgt zunächst exponentiell, wird aber begrenzt durch die zunehmende gegenseitige Beschattung der Algenzellen. Für eine optimale Biomasseproduktion wird der Photobioreaktor „semi-kontinuierlich“ betrieben. Das bedeutet, durch eine tägliche Entnahme des Zuwachses, wird die Biomassekonzentration am Punkt des größten Zuwachses (Betriebskonzentration) gehalten.


Durch die Prozessintegration werden Reststoffe aus der Fischzuchtanlage verwertet und es entsteht mit der Biomasse auch ein zusätzliches Produkt. Um die Mikroalgen zu nutzen, müssen diese jedoch zunächst aus dem Kulturmedium getrennt werden. Filtration, Sedimentation, Zentrifugation und Flotation sind hier gängige Verfahren, mit großen Schwankungen im Energie-, Material-, Kosten- und Flächeneinsatz. In den letzten Jahren bekamen Mikroalgen mediale Aufmerksamkeit, insbesondere durch ihr Potenzial als Rohstoff für Biodiesel. Zum derzeitigen Stand der Technik benötigen jedoch alle diese Verfahren zur Trennung der Mikroalgen vom Medium mehr Energie, als nachher im Algendiesel steckt.

Abb. 11: Die Methoden im Vergleich. Bei der rezirkulierenden Aquakultur (B) werden, im Gegensatz zu der konventionellen Fischzucht (A), die Nährstoffe aus dem Wasser entfernt. Eine integrierte Algenkultivierung (C) ermöglicht einen quasi geschlossenen Kreislauf.



Im Hinblick auf die schrumpfende Verfügbarkeit von Fischmehl und –öl wäre dagegen die Verwendung von Mikroalgen in der Futtermittelproduktion für die Aquakultur eine nicht nur sehr wünschenswerte sondern notwendige Option. Die Wahl der Mikroalgen ist dabei entscheidend. Die Mikroalge Nannochloropsis salina hat zum Beispiel mit 27 % einen hohen Fettgehalt. Der täglich anfallende Dünger aus einer Aquakulturanlage liefert genug Stickstoff um die Menge an Algen zu kultivieren, dass aus dieser doppelt so viel Fett gewonnen werden kann, wie der Fischbesatz an einem Tag benötigt. Durch die Verwendung der Proteine in den Mikroalgen könnte auch der Eiweißbedarf der Fische gedeckt werden. Für eine optimale Versorgung der Tiere ist es allerdings nicht ausreichend, dass der Fett- und Proteinanteil stimmt, die Zusammensetzung ist ebenso wichtig. Insbesondere die wertvollen Omega-3-Fettsäuren EPA und DHA müssen den Fischen im richtigen Verhältnis zur Verfügung stehen. Nannochloropsis enthält EPA. DHA könnte über die Arten Pavlova sp. und Isochrysis sp. zugeführt werden, welche dafür bekannt sind einen hohen Anteil ebendieser ungesättigten Fettsäure zu produzieren. Es lässt sich erahnen: Die optimale Versorgung von Fischen mit Mikroalgenprodukten ist noch nicht gefunden. Der genaue Bedarf der Tiere ist komplex. Die Forschung benötigt noch Zeit um herauszufinden mit welchen Algen Futtermittel ergänzt werden können.

 

Zum Abschluss seiner kleinen Führung steht Prof. Waller mit der Gruppe Studierenden im größeren der beiden Gewächshäuser, in dem sich die Photobioreaktoren befinden. Die Algen wachsen grün und wohlgenährt heran. Es bleibt spannend, wie sich die Ernährungsproblematik im Hinblick auf globale Erwärmung, wachsende Weltbevölkerung und Ressourcenverknappung in den nächsten Jahrzehnten entwickelt wird – es ist allerdings beruhigend zu wissen, dass an ökologischen Alternativen, nach dem Vorbild der Natur, geforscht wird.

Zusammenfassung

Nährstoffe wie Nitrat und Phosphat werden bei der konventionellen Aquakultur aus Netzgehegen in die Umwelt entlassen. Die dadurch verursachte Eutrophierung destabilisiert das Ökosystem. Andererseits stellen diese Nährstoffe knappe und wertvolle Ressourcen dar. Bei der rezirkulierenden Aquakultur an Land werden die von den Fischen nicht verwerteten Reststoffe aus dem Prozesswasser, in dem sich die Fische befinden, entfernt und können einer Verwertung zugeführt werden. Um ein künstliches Ökosystem zu schaffen, bzw. den Kreislauf komplett zu schließen, werden im nächsten Schritt die Ausscheidungen der Fische als Dünger für Mikroalgen oder Halophyten genutzt. Die täglich produzierten Algen könnten als Futter den Fett- und einen Teil des Proteinbedarfes des Fischbesatzes decken. Ein so geschlossenes System könnte einen großen Beitrag zu einer nachhaltigen Nahrungsmittelversorgung leisten.

Summary – Integrated recirculation aquaculture systems

In conventional net cage aquaculture waste products from animals are released in the surrounding water bodies. Waste from fish cultivation is fertilizer for algae. The discharge of nutrients causes eutrophication that may strongly disturb ecosystems. On the other hand, fertilizer is a valuable and limited resource in biomass production. In land-based recirculation aquaculture systems water treatment and waste management allows the use of these nutrients to fertilize an integrated production of microalgae. The microalgae can be used in aquafeed to substitute fishoil and fishmeal. If this system can be develop to commercial scale, it will greatly improve sustainability of aquaculture and have a major impact on the global food safety.

Glossar

Algen- und Planktonblüten: Massenhaftes Auftreten von mikroskopisch kleinen Organismen. Primär sind dies photosynthetische Algen, auch Phytoplankton genannt. Dazu gehören jedoch auch deren primäre Fraßfeinde, das Zooplankton. Die Begriffe werden meist synonym gebraucht. In gifitigen Planktonblüten werden  vor allem Hepatotoxine und Neurotoxine gefunden, die Leber und Nervenzellen schädigen.
El Niño: Alle paar Jahre tritt ein extremes El-Niño-Phänomen im pazifischen Ozean auf der Höhe des Äquators auf. Ursache ist eine verstärkte Erwärmung des Oberflächenwassers im südlichen Pazifik, die das globale Wetter beeinflusst. An der Westküste von Südamerika führt sie zu einer Abnahme der Passatwinde, die dort das warme Oberflächenwasser von der Küste weg in Richtung Australien und Indonesien schieben. Das vor der Küste liegenbleibende, warme Oberflächenwasser verhindert das Aufsteigen von nährstoffreichem kaltem Tiefenwasser und verringert somit die Primärproduktion an der Basis des Ökosystems. Niedrigere Erträge der Fischerei sind daher die Folge.
Eutrophierung: Bezeichnung aus der Ökologie für eine Anreicherung von Nährstoffen in einem Ökosystem. Hierdurch kommt es zu einer Zunahme von photosynthetisch aktiven Organismen, einer Algenblüte. Unter ungünstigen Bedingungen führt das erhöhte Biomassevorkommen zu einem verstärkten mikrobiellen Abbau mit starker Sauerstoffzehrung. Sauerstoffmangel führt dann zum Tot der im Wasser lebenden Tiere, dem sogenannten Kippen eines Gewässers.
Nitrifikation: Bezeichnung für die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH3) bzw. Ammonium-Ionen (NH4+) zu Nitrit (NO2-) und Nitrat (NO3-). Für dies Reaktion ist Sauerstoff erforderlich.
Denitrifikation: Bezeichnung für die bakterielle Reduktion von Nitrat (NO3-) zu Luftstickstoff (N2). Diese Reaktion benötigt organische Kohlenstoffverbindungen als Energiequelle und findet nur in Abwesenheit von Sauerstoff statt.
Photoautotrophie: Fähigkeit eines Lebewesens, energiereiche, organische Verbindungen mit Licht als Energiequelle aus energiearmen, anorganischen Verbindungen (CO2 und H2O, Nährsalze)aufzubauen. Pflanzen sind die bekanntesten Vertreter.

Literatur

[1] Food and Agriculture Organization for the United Nations, www.fao.org
[2] UN World Population Prospects, http://esa.un.org/unpd/wpp/
[3] W. Cai, S. Borlace, M. Lengaigne, P. van Rensch, M. Collins, G. Vecchi, A. Timmermann, A. Santoso, M.J. McPhaden, L. Wu, M.H. England, C. Wang, E. Guilyardi, F.-F. Jin, Increasing frequency of extreme El Niño events due to greenhouse warming, Nature Climate Change, 2014
[4] J. Orellana, U. Waller, B. Wecker, Culture of yellowtail kingfish (Seriola lalandi) in a marine recirculating aquaculture system (RAS) with artificial seawater, Aquacultural Engineering (2014)
[5] A.K. Buhrmann, U. Waller, B. Wecker, J. Papenbrock, Optimization of culturing conditions and selection of species for the use of halophytes as biofilter for nutrient-rich saline water, Agricultural Water Management, 2015
[6] U. Waller, A. Buhmann, A. Ernst, V. Hanke, A. Kulakowski, B. Wecker, J. Orellana, J. Papenbrock, Integrated multi-trophic aquaculture in a zero exchange recirculation aquaculture system for marine fish and hydroponic halophyte production, Aquaculture International (2015)
[7] M.M. Mekonnen, A.Y. Hoekstra, The green, blue and grey water footprint of farm animals and animal products, Value of Water Research Report Series No. 48, UNESCO-IHE (2010)
[8] Ergebnisse der neomar GmbH, Dr. B. Wecker, http://www.neomar.de (2015)

Autoren

Frédéric Maurice Lapierre studiert seit 2011 an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes. Er absolvierte seinen Abschluss im Fach Erneuerbare Energien/Energiesystem-technik im Jahr 2015. Seit 2014 arbeitet er am Institut für Physikalische Prozesstechnik im Bereich Fluide Kreislaufsysteme unter der Leitung von Prof. Uwe Waller. Sein Schwerpunkt ist die Kultivierung und Nutzung von Mikroalgen. Derzeit strebt er einen Masterabschluss im Fach Engineering und Management an. Zwei weitere Publikationen von ihm sind in Arbeit.

Kontakt:
Email: Frederic.lapierre@hotmail.de
Telefon: 015206541627








Prof. Dr. rer. nat. Uwe Waller studierte in Berlin und Kiel und promovierte in Mariner Biologie an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Er leitete 15 Jahre das Kieler Aquarium am IFM-GEOMAR. Für die Weiterentwicklung der Kreislauftechnologie für marine Fischzucht erhielt er den Preis „marine Technologie 2001“ der K.E.R.N.-Region. Seit 2009 ist er Professor für Aquakultur mit dem Schwerpunkt verfahrenstechnischer Kreislaufprozesse an der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes

Kontakt:
Email: uwe.waller@htwsaar.de
Telefon: 0681 5867416