Halophyten

Biologische Prozesswasserreinigung in landbasierten marinen Kreislaufanlagen durch die integrierte Kultur von Halophyten

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Einleitung

Eine sichere sowie nachhaltige Tierproduktion in Aquakulturen erfordert neue Methoden und Technologien. Eine Schlüsseltechnologie, die heute schon in verschiedenen Bereichen der Aquakultur eingesetzt wird, ist der Fluid-Kreislauf. Ein Fluid-Kreislauf besteht aus dem Haltungsraum (Becken,Tank) und einer Wasseraufbereitung die das Wasser (Prozesswasser) reinigt, das heißt partikuläre und gelöste Stoffwechselendprodukte entfernt (Stickstoffverbindungen, Phosphat, Kohlenstoffdioxid) und dem System die Stoffe wieder zuführt, die während der Wachstumsprozesse der Organismen verbraucht werden (Sauerstoff, Karbonat). Den Stand der Technik repräsentieren zurzeit Anlagen (Fluid-Kreisläufe), die ohne Austausch von Prozesswasser betrieben werden. Es werden lediglich Fehlmengen, die in verschiedenen Gliedern der Prozesskette der Wasseraufbereitung entstehen, ausgeglichen. Der Wasserbedarf moderner Kreislaufanlagen beträgt heute unter 1 % des Systemvolumens pro Tag. Dennoch besteht ein ökologisches sowie ökonomisches Interesse, das Prozesswasser aufzubereiten bzw. wiederzuverwerten. Ein möglicher Recyclingvorgang ist durch eine Verbindung mit einem Pflanzenbioreaktor für Halophyten (salztolerante Pflanzen) möglich. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die grundsätzliche Auslegung eines weitgehend in sich geschlossenen Fluid-Kreislaufs mit integrierter Nährstoffverwertung durch Pflanzenproduktion (Lebensmittel) in Halophyten-Reaktoren (Lysimeter).

Abbildung 1: Prinzipielle Komponenten des primären und sekundären Fluid-Kreislaufs.

 

Aufgrund der Fokussierung der IPP-Arbeitsgruppe auf marine Fische und Krebstiere werden für die Eliminierung von Stickstoff sowie Phosphat Nutzpflanzen, Halophyten, eingesetzt, die den Salzgehalt in fluiden Seewasserkreisläufen tolerieren. Die Halophyten werden in einem Festbett aus Pflanzsubstrat in so genannten Lysimetern kultiviert, die als sekundäre Komponenten in einem Gewächshaus aufgestellt sind.
Halophyten sind als vermarktungsfähiges Nahrungsmittel eine vielversprechende Ergänzung zur Produktion mariner Fische oder Krebstiere in Fluid-Kreisläufen, die vergleichbar hohe Preise erzielen. Fluide-Kreisläufe mit integriertem Stoffrecycling werden in Zukunft einen Stand der Technik in der Aquakultur definieren. Neben der Umweltverträglichkeit erreichen diese Anlagen eine bessere Wirtschaftlichkeit. Die Realisierbarkeit des Konzepts wird in diesem Projekt untersucht.

Aufgabenstellungen

In dem Projekt werden Grundlagen zur Produktion von Halophyten in einem sekundären Fluid-Kreislauf, quasi in einem künstlichen Ökosystem, in Verbindung mit der Produktion von Meeresfischen, z.B. Wolfsbarschen (Dicentrarchus labrax) in einem Fluid-Kreislauf erarbeitet. Langfristiges Ziel ist es, die Prozesswasserströme landbasierter Fischfarmen vollständig wiederzuverwerten und gleichzeitig ein vermarktungsfähiges, qualitativ hochwertiges Lebensmittel zu produzieren. Bei erfolgreicher Durchführung des Projektes wird angestrebt, eine kommerzielle Pilotanlage für die prozesswasserbasierte Produktion von Halophyten (300 qm) zu errichten.

Durchgeführte Arbeiten

Abbildung 2: Blick auf zwei technisch identische Fluid-Kreisläufe in der Forschungshalle Völklingen (HTW). Links: Fluid-Kreislauf für das Landmark-Projekt. Rechts: Fluid-Kreislauf für das Halophyten-Projekt.

 

Die Kreislaufanlage (Abbildung 1) in Völklingen gliedert sich in einen primären und in einen sekundären Kreislauf für die Haltung von Fischen, z.B. Wolfsbarsche (Dicentrarchus labrax). Der primäre Kreislauf hat die Aufgabe, aquakulturtypische Nährstoffflüsse für den Betrieb der Pflanzenreaktoren (sekundärer Kreislauf) aufzubauen. Das mit Nährstoffen beaufschlagte Prozesswasser aus dem Primärkreislauf wird über eine Schlauchleitung zu den Lysimetern geführt und von den Halophyten bzw. der Substratbiologie verwertet (sekundäre Komponenten). Das biologisch aufbereitete und nährstoffarme Prozesswasser wird nach der Passage der Lysimeter wieder in den Primärkreislauf geleitet.
Folgende Arbeiten wurden durchgeführt:

  • Auslegung eines Fluid-Kreislaufs (Abbildung 2) und seiner internen Komponenten zur Wasseraufbereitung unter Berücksichtigung einer hinreichenden Prozesswasserqualität sowohl für die primären Zuchttiere (Fische) als auch für die sekundären Organismen (Halophyten).
  • Konstruktion, Aufbau und Automatisierung des experimentellen Fluid-Kreislaufs in der Forschungshalle Völklingen. Erprobung und Besatz mit Fischen (Wolfsbarsch, Dicentrarchus labrax) (Abbildung 2).

 

Abbildung 3: Das Gewächshaus mit den Lysimetern. Bild rechts: Plantago coronopus auf der linken Seite, Aster tripolium auf der rechten Seite des Gewächshauses.

 

  • Aufbau eines Gewächshauses, Konstruktion und Installation des sekundären Fluid-Kreislaufs mit den Lysimetern auf dem Außengeländer der Forschungshalle Völklingen (Abbildung 3 und Abbildung 4).
  • Bepflanzung der Lysimeter und Messungen zur Nährstoffaufnahme aus dem Prozesswasser des primären Kreislaufes und der Biomasseproduktion im sekundären Lysimeter-Kreislauf.
  • Datenerhebung zur Bewertung des primären und sekundären Kreislaufs.

 

Abbildung 4: Aufstellung der Lysimeter im Gewächshaus. Zu sehen ist im Vordergrund die Prozesswasserzufuhr mit Durchflussmesser und der Rücklauf über den Pumpensumpf.

 

Während der ersten Projektphase wurden in wiederkehrenden intensiven Messphasen die Konzentrationen von Ammonium/Ammoniak, Nitrit, Nitrat und Phosphat an verschiedenen Messpunkten im Fluid des primären und sekundären Kreislaufes photometrisch gemessen. Zusätzlich wurden die Messwerte der Sonden für Temperatur, Sauerstoff, Salzgehalt, Redoxpotential und pH-Wert automatisch über die SPS protokolliert. Das Wachstum der Pflanzen wurde als Gewichtszunahme (Frischmasse) des Blatt- und Sprossmaterials (oberirdische Pflanzenteile) bestimmt. Hierfür wurden jeden Monat drei Pflanzen pro Art geerntet und das Frischgewicht ermittelt.
Abbildung 5 (linke Grafik) zeigt die Biomassezunahme der Strandaster während der ersten experimentellen Phase. Das Wachstum in den Sommermonaten war hervorragend. Nach der fünfmonatigen Wachstumsphase zeigte die Strandaster (Aster tripolium) eine deutliche Zunahme im Gewicht des Blatt- und Sprossmaterials. Das Gewicht der Strandastern, Aster tripolium, nahm von anfänglich 21.7 g ± 5.9 g auf 945.0 g ± 346.7 g zu.
Um die Filterleistung der Halophyten bewerten zu können, wurden regelmäßig Nährstoffkonzentrationen im Prozesswasser des Zu- und Ablaufs am Lysimeter gemessen. Abbildung 5 (rechte Grafik) zeigt die Häufigkeitsverteilungen für den relativen Abbau der mit dem Futter zugeführten Nährstoffe am Beispiel des im Prozesswasser gelösten Stickstoffs. Es wird deutlich, dass nicht während des gesamten Zeitraums der Stickstoff abgebaut wurde. Innerhalb weniger Tage nahm die Stickstoffkonzentration im zurückgeführten Prozesswasser sogar zu (positive Werte in Abbildung 5, rechte Grafik). Im Mittel wurde über den Zeitraum beinahe die Hälfte des Stickstoffs aus dem Prozesswasser durch die Passage des sekundären Halophyten-Kreislaufs entfernt (negative Werte in Abbildung 5, rechte Grafik). An manchen Tagen wurde bis zum Doppelten der mit dem Futter zugeführten Stickstoffmenge abgebaut. Die Werte in Abbildung 5 liegen bei -2.
Stellt man die Stickstoffaufnahme durch die produzierte Pflanzenbiomasse der im Pflanzenreaktor zurückgehaltenen Stickstoffmenge gegenüber, wurden 15% des Stickstoffs in der Pflanzenbiomasse (A. tripolium) zurückgehalten. Der Hauptteil der Rückhaltung (30%) müssen momentan noch auf substratgebundene Prozesse zurückgeführt werden (Abbildung 5, rechte Grafik). Der Pflanzenreaktor war offensichtlich zu klein, um die Nährstoffflüsse zu verarbeiten und wird in den weiteren Projektphasen auf 30 qm erweitert, um die Nährstoffretention zu optimieren.

Abbildung 5: Linke Abbildung: Biomassezuwachs der Strandaster (A. tripolium) in der ersten experimentellen Phase. Rechts: Abschätzung der Leistungsfähigkeit des Pflanzenreaktors anhand der mit dem Futter täglich eingebrachten Stickstoffmenge und der über den Biomassezuwachs der Aster aufgenommenen Menge. Der Anteil der Substratbiologie ergibt sich aus der Differenz des Gesamtabbaus und der durch die Pflanzenbiomasse (oberirdische Pflanzenteile) gebundenen Stickstoffmenge.

 

 

Projektmitarbeiter

Dipl. Biol. Anne Buhmann, Dipl. Biol. Verena Hanke, B.Eng. Benjamin Schmitt, Prof. Dr. J. Papenbrock, Prof. Dr. Uwe Waller, Dr. Bert Wecker

 

Fördermittelgeber

Deutsche Bundesstiftung Umwelt

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Beteiligte Hochschulen und Unternehmen

Erwin Sander Elektroapparatebau GmbH
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Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover

IMARE Bremerhaven

 

Sponsoren

SIEMENS
Veolia Water Solutions & Technologies HYDROTECH

 

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