Aquaponik: Wie funktioniert das?

Aquaponik bringt eine Fischzucht und eine erdelose Kultur in einem gemeinsamen geschlossenen Kreislauf zusammen. Die Ausscheidungen der Fische werden von Bakterien umgewandelt und zum Dünger der Pflanzen, die ihrerseits das Wasser reinigen, bevor es in die Becken zurückkehrt. Das Prinzip ist in drei Zeilen erklärt. Der tägliche Betrieb dagegen verlangt echtes Fachwissen.

So funktioniert dieses Zusammenspiel, vom Stickstoffkreislauf bis zum Weg des Wassers. Und so sieht es konkret auf einer professionellen Farm aus, wie auf jener, die wir im Département Moselle bauen.

Drei Kulturen in einem geschlossenen Kreislauf

Eine Aquaponikfarm führt genau genommen drei Kulturen in ein und demselben geschlossenen Kreislauf: die der Fische, die der Bakterien und die der Pflanzen. Fällt eine davon weg, bricht das Gleichgewicht zusammen.

Die Fische werden gefüttert und reichern das Wasser mit Ammoniak an, über ihre Ausscheidungen ebenso wie über ihre Atmung. Nitrifizierende Bakterien, die auf den Trägermaterialien eines Biofilters siedeln, wandeln dieses Ammoniak in Nitrat um. Die Pflanzen nehmen dieses Nitrat genauso auf, wie sie einen Dünger aufnehmen würden, und geben das Wasser sauber zurück. So schließt sich ein Kreislauf, in dem jeder vom anderen profitiert.

Was die konventionelle Landwirtschaft als synthetischen Dünger einkauft, erzeugen wir in unseren Becken, über das Futter der Fische und über ihre Ausscheidungen.

Der Stickstoffkreislauf, Motor des Systems

Ein Aquaponiksystem beruht auf dem Stickstoffkreislauf. Das von den Fischen ausgeschiedene Ammoniak ist für sie schon in sehr geringer Dosis giftig. In der nicht ionisierten Form, die die Kiemenbarriere überwindet, liegen die für die Regenbogenforelle angesetzten Sicherheitswerte im Bereich von Hundertstel Milligramm pro Liter. Der Spielraum für Fehler ist damit äußerst schmal.

Darauf folgen zwei bakterielle Schritte. Der erste wandelt dieses Ammoniak in Nitrit um, das ebenfalls giftig ist. Der zweite überführt dieses Nitrit in Nitrat, jene Stickstoffform, die Pflanzen am besten aufnehmen und die Fische in weit höheren Konzentrationen vertragen. Indem die Pflanzen dieses Nitrat verbrauchen, reinigen sie das Wasser und schließen den Kreislauf.

Nitrat ist im Zuchtbecken unerwünscht und zugleich genau die Stickstoffform, die Pflanzen am besten verwerten. Der Abfall des einen wird zur Ressource des anderen.

Was die Genanalysen verändert haben

Lehrbücher haben diese beiden Schritte lange zwei bestimmten Bakteriengattungen zugeschrieben, Nitrosomonas und dann Nitrobacter. Molekularanalysen, die seit gut zehn Jahren an echten Biofiltern der Aquakultur durchgeführt werden, zeichnen ein reicheres Bild. Die Gattung Nitrospira beherrscht dort meist die Nitritoxidation, während Nitrobacter mitunter völlig fehlt. Eine 2017 veröffentlichte Arbeit an einem Biofilter einer Forellenzucht fand davon keine einzige Sequenz.

Dieselben Untersuchungen haben ammoniakoxidierende Archaeen nachgewiesen sowie sogenannte Comammox-Bakterien, die beide Umwandlungsschritte allein bewältigen. Die Zusammensetzung dieser Lebensgemeinschaft unterscheidet sich von Anlage zu Anlage, je nach Temperatur, pH-Wert, Stickstofffracht und Salzgehalt.

Für den Betrieb ändert das in der Praxis nichts. Entscheidend ist nicht, diese Mikroorganismen zu benennen, sondern ihnen ein besiedelbares Trägermaterial, sauerstoffreiches Wasser und eine ausreichende Alkalinität zu bieten.

Der Weg des Wassers, Schritt für Schritt

In einer professionellen Anlage folgt das Wasser einem festen Weg, der sich in sich selbst schließt. Es verlässt die Zuchtbecken beladen mit Schwebstoffen und durchläuft dann eine mechanische Filtration, meist einen Trommelfilter, der die Feststoffe zurückhält, bevor diese sich zersetzen und dem Kreislauf Sauerstoff entziehen.

Anschließend erreicht es den Biofilter, wo die oben beschriebene Stickstoffumwandlung stattfindet. Von dort wird es in die Kulturflächen verteilt, je nach Sorte auf Schwimmflöße für Blattgemüse oder in Kulturrinnen. Von den Wurzeln gereinigt, kehrt es schließlich in die Becken zurück, nachdem Temperatur, gelöster Sauerstoff und pH-Wert kontrolliert wurden.

Auszugleichen sind nur die Verluste durch Verdunstung und durch die Transpiration der Pflanzen, also in der Größenordnung von 1 bis 3 % des Gesamtvolumens pro Tag. Der geschlossene Kreislauf führt somit rund 95 % des Wassers zurück, während eine bewässerte Freilandkultur es fast vollständig verliert. Diese Wassereinsparung ist der erste Vorzug einer professionellen Aquaponik in einem Klima, in dem die Bewässerung zur Einschränkung wird.

Das Einfahren, oder warum eine Farm langsam startet

Diese Bakterien siedeln sich nicht auf Kommando an. Je nach Bedingungen dauert es drei bis acht Wochen, bis eine stabile Population steht. Fachleute nennen diese Phase das Einfahren. Die ammoniakoxidierenden Organismen besiedeln den Biofilter fünf bis sieben Tage nach der ersten Stickstoffzufuhr, die nitritverarbeitenden übernehmen eine Woche später, und als reif gilt das System erst, wenn das Nitrit wieder bei null liegt und das Nitrat stetig ansteigt.

Mehrere Hebel verkürzen diese Phase. Den Biofilter mit Filtermaterial aus einer bereits laufenden Anlage zu impfen bleibt bei Weitem am wirksamsten. Eine Temperatur im oberen Bereich der bakteriellen Spanne, eine hohe Alkalinität und eine regelmäßige Ammoniakzufuhr tragen ebenfalls dazu bei.

Diese Startphase erklärt, warum eine Aquaponikfarm später produziert als ein hydroponisches Gewächshaus, das schon mit seiner ersten Kultur liefert.

pH-Wert und Eisen, ein ständiger Kompromiss

Beim pH-Wert stehen sich die drei Bereiche am deutlichsten entgegen. Die Pflanzen bevorzugen klar saures Wasser, etwa 5,5 bis 6,5. Die nitrifizierenden Bakterien arbeiten oberhalb von 7 besser. Die Fische vertragen eine breitere Spanne. In der Aquaponik führt man das System deshalb in einem Kompromiss zwischen 6 und 7, in dem niemand sein Optimum erreicht, aber jeder ordentlich funktioniert.

Dieser pH-Wert hält sich nicht von selbst. Die Nitrifikation ist eine säuernde Reaktion, und das von den Fischen abgegebene Kohlendioxid bildet eine schwache Säure, sodass das System natürlicherweise nach unten driftet. Der Betrieb puffert im Wechsel mit Calcium- und Kaliumcarbonat. Das korrigiert die Übersäuerung und schließt im selben Zug die beiden strukturellen Lücken der Aquaponik, Kalium und Calcium, die das Fischfutter nicht liefert.

Bleibt das Eisen. Oberhalb von pH 7 fällt es in einer Form aus, die die Wurzel nicht mehr aufnehmen kann, und an den jungen Blättern zeigt sich eine Chlorose. In den ersten Monaten wird deshalb chelatiertes Eisen zugeführt, in der Größenordnung von 1 bis 2 Milligramm pro Liter, danach nach Bedarf. Diese Zusätze sind löslich und für die Fische unbedenklich, und ihre Kosten fallen gegenüber den Volldüngern einer hydroponischen Anlage kaum ins Gewicht.

Was eine Farm erzeugt, und wie sie dimensioniert wird

Eine Aquaponikfarm vereint zwei Berufe, die Fischzucht und den erdelosen Gemüsebau. Die Wahl der Arten richtet sich zuerst nach der Temperatur, denn Fische in einem gemeinsamen Kreislauf müssen dieselbe Spanne teilen. In gemäßigtem Klima treffen sich Regenbogenforelle und Bachsaibling bei etwa 13 bis 16 °C und lassen sich ohne Weiteres zusammen halten. Der Zander, der deutlich wärmeres Wasser verlangt, gehört in eine eigene Einheit. Deshalb trennt eine Farm, die für mehrere Arten ausgelegt ist, ihre Zuchthallen.

Auf der Pflanzenseite nutzen Kulturen mit kurzem Zyklus und hohem Stickstoffbedarf das System am besten, so etwa Salate und Kräuter. Bei den Sommerfrüchten lassen sich ebenso Tomate, Paprika, Aubergine, Zucchini oder Erdbeere erzeugen, wobei die entkoppelte Aquaponik für diese Kulturen oft besser geeignet ist.

Die Dimensionierung schließlich rechnet sich nicht in Kilogramm Fisch, sondern in der täglich verabreichten Futtermenge. Die FAO setzt für Blattgemüse 40 bis 50 Gramm Futter je Quadratmeter Kulturfläche und Tag an, für Fruchtgemüse 50 bis 80 Gramm. Die Fischproduktion ergibt sich dann aus dieser Menge und aus dem Futterverwertungsindex, der bei der Forelle in moderner Haltung nahe bei 1 liegt. Ein Aquaponiksystem auszutarieren heißt also, in Stoffströmen zu denken und nicht in Beständen.

Was das System verbraucht, und was es unmöglich macht

Beim Wasser ist der Vorteil am deutlichsten, aus den oben genannten Gründen. Die eigentliche Herausforderung ist dagegen die Energie. Eine Aquaponikfarm ist sehr energieintensiv, vor allem beim Strom, denn Pumpen, Belüftung und Filtration laufen ohne Unterbrechung, dazu kommen je nach Fall Heizung oder Kühlung. Es gibt Wege, diesen Posten zu senken, von der Photovoltaik im Eigenverbrauch über Wärmepumpen bis zur Rückgewinnung von Abwärme eines benachbarten Standorts. Diesen Weg gehen wir in unserem Projekt.

Das Grundstück wird umgekehrt zweitrangig. Da die Kultur ohne Boden auskommt, eignen sich eine Brache, ein magerer Boden oder eine Parzelle am Stadtrand bestens. So lässt sich die Farm ganz nah an den Orten des Verbrauchs ansiedeln.

Ein letzter Punkt unterscheidet die Aquaponik grundlegend von den anderen erdelosen Kulturen. In einem Kreislauf, in dem Fische, Bakterien und Pflanzen voneinander abhängen, ist keine synthetische Behandlung denkbar. Ein Antibiotikum für die Fische würde den Biofilter sterilisieren und sofort einen Ammoniakpeak auslösen. Ein Insektizid auf den Kulturen würde in die Becken gelangen. Der Pflanzenschutz beruht deshalb auf dem Einsatz von Nützlingen, auf der Klimaführung im Gewächshaus und auf einer täglichen Beobachtung der Bestände. Eine aquaponische Erzeugung ist damit von Haus aus frei von Pestiziden und Antibiotika, was sie ohne Diskussion auf die Seite der nachhaltigen Landwirtschaft stellt.

Unser Ansatz in Vic-sur-Seille

Wir setzen diese Grundsätze in unserem Projekt einer Aquaponikfarm im großen Maßstab in Vic-sur-Seille im Département Moselle um. Drei Fischzuchthallen, vier Produktionsgewächshäuser, ein Forschungsgewächshaus und eine Verarbeitungswerkstatt werden um einen einzigen Wasserkreislauf herum angeordnet.

Das Produktionsziel liegt bei rund sechzig Tonnen Fisch und fünfunddreißig Tonnen Gemüse pro Jahr, also nahezu fünfundsiebzig Tonnen Nettolebensmitteln. Diese Größenordnung wurde als richtiges Maß gewählt. Unser Modell ist nicht das der Megafarmen, sondern das eines Betriebs in menschlichem Maßstab, groß genug, um bei der Versorgung eines Einzugsgebiets ins Gewicht zu fallen, maßvoll genug, damit jede und jeder die eigenen Pflanzen und Fische kennt und sich täglich um sie kümmert. Unsere Erzeugung wird im Umkreis von hundert Kilometern um die Farm verkauft, und die Fachleute der Region, die wir getroffen haben, warten mit Ungeduld auf dieses lokale Angebot.

Das Projekt befindet sich derzeit in der Phase der Finanzierungsrunde, mit bereits bewilligten Fördermitteln aus dem französischen Investitionsprogramm France 2030, und auch Sie können sich daran beteiligen, damit der Bau 2027 starten kann. Diese erste Farm ist auf Wiederholbarkeit angelegt und wird den folgenden Farmen in anderen Einzugsgebieten als Vorbild dienen.

Wie funktioniert das nun wirklich?

Das Prinzip lässt sich in einem Satz zusammenfassen. Futter kommt in den Kreislauf, es ernährt Fische, deren Ausscheidungen Bakterien in einen Dünger umwandeln, den die Pflanzen aufnehmen, und das so gereinigte Wasser fließt zurück in die Becken.

Alles Weitere liegt in der täglichen Führung dieses Gleichgewichts, in der richtigen Fütterung der Fische, in der Überwachung der Wasserparameter, im Blick auf die Gesundheit der Bestände und der Kulturen. Diese Arbeit übernimmt ein Team von rund zehn Personen, unterstützt von erprobten automatisierten Systemen, die ihm den Alltag erleichtern.

So verfügt unser Betrieb über zwei einander ergänzende Produktionen auf einer einzigen Infrastruktur, ohne von synthetischem Dünger abzuhängen, und mit fünfmal weniger Wasser als eine Landwirtschaft im Freiland. Das macht die Aquaponik zu einem der konkretesten Hebel der Agrarwende und der Ernährungssouveränität, weil sie eine lokale und nachhaltige Erzeugung näher an die Orte des Verbrauchs bringt, im Sinne kurzer Lieferketten. Ausführlich behandeln wir das in unserem Artikel Aquaponik, Hydroponik, Aeroponik: Wo liegen die Unterschiede?.

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