Lehrbuch Der Aquaponik Für Die Tertiärbildung

ERGEBNIS 4: LEHRBUCH DER AQUAPONIK AQU@TEACH: Innovative educational techniques to promote learning among European students using aquaponics Hauptauthoren: Ranka Junge, Nadine Antenen Institution der Hauptauthoren: Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW) Beitragende Authoren: Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften: Fridolin Tschudi, Florentina Gartmann, Jena Jamšek University of Greenwich: Sarah Milliken, Benzion Kotzen Technical University of Madrid: Morris Villarroel, Fernando Torrent University of Ljubljana: Tjaša Griessler Bulc, Andrej Ovca, Franja Prosenc, Darja Istenič, Darja Ruglej, Marija Tomšič Biotechnical Centre Naklo: Uroš Strniša, Marija Gregori March 2020 Copyright © Partners of the Aqu@teach Project Aqu@teach is an Erasmus+ Strategic Partnership in Higher Education (2017-2020) led by the University of Greenwich, in collaboration with the Zurich University of Applied Sciences (Switzerland), the Technical University of Madrid (Spain), the University of Ljubljana and the Biotechnical Centre Naklo (Slovenia). This work is protected by a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International (CC BY-NC-SA 4.0) license. You are free to share — copy and redistribute the material in any medium or format — and adapt — remix, transform, and build upon — it, on condition that you give appropriate credit, provide a link to the license, and indicate if changes were made. If you remix, transform, or build upon the material, you must distribute your contributions under the same license as the original. You may not use the material for commercial purposes. INHALT 1. AQUAPONIK-TECHNOLOGIE ......................................................................................................................... 9 1.1 Einführung in die Aquaponik-Technologie ............................................................................................ 9 1.2 Die wichtigsten Komponenten von Aquaponik-Systemen .................................................................. 11 1.2.1 Aquakultur ........................................................................................................................................... 12 1.2.2 Die Hydroponik .................................................................................................................................... 13 1.3 Klassifikation der Aquaponik ............................................................................................................... 13 1.3.1 Einteilung nach Betriebsart: extensiv (mit integrierter Schlammverwendung) und intensiv (mit Schlammabtrennung) ................................................................................................................................... 15 1.3.2 Wasserkreislauf- Management ........................................................................................................... 16 1.3.3 Hydroponische Systeme, die in der Aquaponik verwendet werden ..................................................... 17 1.3.4 Raumnutzung: horizontale und vertikale Systeme .............................................................................. 20 1.4 Geschichte der Aquaponik................................................................................................................... 20 1.5 Beispiele für Aquaponik-Anlagen auf der ganzen Welt ....................................................................... 22 1.5.1 Europa ............................................................................................................................................. 22 1.5.2 Asien .................................................................................................................................................... 25 1.5.3 Amerika ............................................................................................................................................... 26 1.5.4 Australien ............................................................................................................................................ 26 1.6 Aktuelle Forschungsthemen in der Aquaponik ................................................................................... 26 1.6.1 Trends in der Technik ........................................................................................................................... 26 1.6.2 Trends in der Systemgestaltung .......................................................................................................... 28 1.6.3 Sozio-ökonomische Forschung............................................................................................................. 28 1.7 2. Referenzen........................................................................................................................................... 29 AQUAKULTUR ........................................................................................................................................ 33 2.1 Einführung in die Aquakultur............................................................................................................... 33 2.2 Technologie des Aquakultur-Kreislaufsysteme (RAS) .......................................................................... 34 2.2.1 Das Fischbecken .............................................................................................................................. 35 2.2.2 Feststoffabscheidung ...................................................................................................................... 37 2.2.3 Desinfektion ......................................................................................................................................... 38 2.2.4 Biofiltration.......................................................................................................................................... 39 2.2.5 Entgasung und Belüftung .................................................................................................................... 40 2.2.6 Pumpen................................................................................................................................................ 41 2.3 Management von Recirculating Aquaculture Systems (RAS) .............................................................. 41 2.3.1 Besatzdichte ........................................................................................................................................ 41 2.3.2 Überwachung ...................................................................................................................................... 42 1 2.4 Planung des Aquakultur-Kreislaufteils für ein Aquaponiksystem........................................................ 46 2.5 Referenzen........................................................................................................................................... 47 3. ANATOMIE, GESUNDHEIT UND WOHL DER FISCHE ..................................................................................... 48 3.1 Allgemeine äussere Anatomie ............................................................................................................. 48 3.1.1 Augen und Nase .................................................................................................................................. 49 3.1.2 Opercula und Kiemen .......................................................................................................................... 49 3.1.3 Haut ..................................................................................................................................................... 50 3.1.4 Flossen ................................................................................................................................................. 51 3.2 Allgemeine innere Anatomie ............................................................................................................... 53 3.2.1 Gehirn .................................................................................................................................................. 53 3.2.2 Herz ..................................................................................................................................................... 53 3.2.3 Das Verdauungssystem ....................................................................................................................... 54 3.2.4 Bauchfett ............................................................................................................................................. 54 3.2.5 Milz ...................................................................................................................................................... 54 3.2.6 Leber und Gallenblase ......................................................................................................................... 54 3.2.7 Schwimmblase ..................................................................................................................................... 54 3.2.8 Nieren .................................................................................................................................................. 55 3.2.9 Hoden und Eierstöcke .......................................................................................................................... 55 3.3 Atmungsphysiologie ............................................................................................................................ 55 3.4 Wohlbefinden der Fische ..................................................................................................................... 56 3.4.1 Einführung ........................................................................................................................................... 56 3.4.2 Die Gesetzgebung in der EU ................................................................................................................ 57 3.4.3 Spezifische Massnahmen zur Bewertung des Wohlergehens .............................................................. 58 3.4.4 Die HPI-Achse und die Stressreaktion .................................................................................................. 58 3.4.5 Operative Indikatoren des Wohlbefindens .......................................................................................... 59 3.5 Referenzen .................................................................................................................................................. 61 4. FÜTTERUNG UND WACHSTUM DER FISCHE ................................................................................................ 63 4.1 Allgemeine Einführung in die Fischfütterung ...................................................................................... 63 4.2 Energiebedarf ...................................................................................................................................... 64 4.3 Hauptwechselwirkungen zwischen Nahrungsaufnahme und Umweltfaktoren .................................. 65 4.3.1 Abiotische Faktoren ............................................................................................................................. 65 4.3.2 Biotische Faktoren ............................................................................................................................... 66 4.4 Zusammensetzung von Fischfutter und essentiellen Nährstoffen ...................................................... 67 4.5 Arten von Futtermitteln ...................................................................................................................... 69 4.6 Fütterungsstrategien ........................................................................................................................... 70 2 4.7 Futterautomaten ................................................................................................................................. 73 4.8 Produktionsplan und Überwachung .................................................................................................... 74 4.9 Entwicklung von Futtermitteln für die Aquaponik .............................................................................. 77 4.9.1 Fischwachstum und Stickstoffrückhaltung .......................................................................................... 77 4.9.2 Stickstoff-Quelle .................................................................................................................................. 78 4.9.3 Stickstoffaufnahme durch die Fische ................................................................................................... 78 4.9.4 Stickstoffverlust in Feststoffen ............................................................................................................ 79 4.9.5 In Wasser gelöster Stickstoff als Ammoniak........................................................................................ 79 4.10 Referenzen........................................................................................................................................... 80 5. NÄHRSTOFF-WASSER BILANZ ..................................................................................................................... 81 5.1 Makro- und Mikronährstoffe ............................................................................................................... 81 5.1.1 Die Elemente des Universums ............................................................................................................. 81 5.1.2 Makro- und Mikronährstoffe und ihre Rolle in Organismen ............................................................... 82 5.2 Die biogeochemischen Zyklen der Hauptnährstoffe in der Aquaponik ............................................... 84 5.2.1 Der Stickstoffkreislauf .......................................................................................................................... 84 5.2.2 Phosphor-Zyklus ...................................................................................................................................... 88 5.3 Pflanzenernährung .............................................................................................................................. 89 5.3.1 Essenzielle Nährstoffelemente ............................................................................................................ 89 5.3.2 Nährstoffverfügbarkeit und pH-Wert .................................................................................................. 93 5.3.3 Ernährungsstörungen bei Pflanzen...................................................................................................... 95 5.4 Nährstoffversorgung in der Aquaponik ............................................................................................. 100 5.5 Referenzen......................................................................................................................................... 103 6. HYDROPONIK ........................................................................................................................................... 107 6.1 Einführung in die Hydrokultur ........................................................................................................... 107 6.1.1 Die Prinzipien der Hydrokultur .......................................................................................................... 107 6.1.2 Vorteile der Hydrokultur .................................................................................................................... 107 6.1.3 6.2 6.2.1 Nachteile der Hydrokultur ............................................................................................................. 108 Hydroponische Systeme .................................................................................................................... 108 Medienbett-Hydroponik ................................................................................................................ 109 6.2.2 Nährfilmtechnik (NFT) ....................................................................................................................... 113 6.2.3 Tiefenwasserkultur (Deep water culture, DWC) ................................................................................ 114 6.2.4 6.3 Aeroponik ...................................................................................................................................... 115 Pflanzenanatomie, Physiologie und Anbaubedürfnisse .................................................................... 115 6.3.1 Anatomie der Pflanze .................................................................................................................... 115 6.3.2 Pflanzenphysiologie ....................................................................................................................... 117 3 6.3.3 Wachstums-Anforderungen .............................................................................................................. 119 6.4 6.4.1 Allgemeine Anbaupraktiken .............................................................................................................. 123 Setzlinge aus Samen ...................................................................................................................... 123 6.4.2 Setzlinge aus Stecklingen................................................................................................................... 125 6.4.3 Setzlinge unter Verwendung von Veredelung ........................................................................... 126 6.5 Fertigation ......................................................................................................................................... 126 6.6 Gewächshaus-Kontrollsysteme ......................................................................................................... 128 6.6.1 Licht ................................................................................................................................................... 128 6.6.2 Temperatur und Feuchtigkeit ............................................................................................................ 131 6.6.3 Kohlendioxid (CO2) ............................................................................................................................. 132 6.6.4 Luftzirkulation.................................................................................................................................... 132 6.6.5 Umweltkontrollsysteme..................................................................................................................... 132 6.7 Referenzen ................................................................................................................................................ 133 7. PFLANZEN FÜR DIE AQUAPONIK ............................................................................................................... 135 7.1 Einführung ......................................................................................................................................... 135 7.2 Pflanzenauswahl ................................................................................................................................ 137 7.2.1 Blattgemüse .................................................................................................................................. 137 7.2.2 Kräuter ............................................................................................................................................... 143 • Kühl halten, aber nicht zu kühl .......................................................................................................... 144 • Seien Sie konsequent ......................................................................................................................... 144 • Verringerung der Pflanzenschäden.................................................................................................... 144 • Eine Grösse passt nicht allen ............................................................................................................. 144 • Die Verpackung sollte den, mit Verfall entstehenden, Wasserverlust ausgleichen ........................... 144 • Kontrolle der Beleuchtung ................................................................................................................. 144 7.2.3 Fruchtpflanzen ................................................................................................................................... 149 7.2.4 Auswahl der Pflanzen für verschiedene Systeme............................................................................... 157 7.3 Ernteplanung ..................................................................................................................................... 159 7.4 Referenzen......................................................................................................................................... 162 8. INTEGRIERTE SCHÄDLINGSBEKÄMPFUNG................................................................................................. 164 8.1 Das Konzept der integrierten Schädlingsbekämpfung (IPM) ............................................................. 164 8.2 Präventionsmethoden im integrierten Pflanzenschutz ..................................................................... 167 8.2.1 Hygiene der Anbaubedingungen ....................................................................................................... 167 8.2.2 Tolerante und resistente Pflanzensorten ........................................................................................... 168 8.2.3 Angemessene Pflanzenabstände ....................................................................................................... 168 8.2.4 Ausreichende Versorgung mit Nährstoffen ....................................................................................... 169 4 8.2.5 Überwachung .................................................................................................................................... 169 8.2.6 Physische Verteidigung...................................................................................................................... 169 8.2.7 Unterstützung der natürlichen Gemeinschaft von krankheitsunterdrückenden Organismen ........... 171 8.2.8 8.3 Wenn alles andere scheitert ... ...................................................................................................... 172 Die häufigsten Schädlinge und Krankheiten ...................................................................................... 172 8.3.1 Identifizierung von Schädlingen und Krankheiten ............................................................................. 172 8.3.2 Häufige Pflanzenkrankheiten ............................................................................................................ 174 8.3.3 Gewöhnliche Pflanzenschädlinge ...................................................................................................... 176 8.4 8.4.1 Biologische Schädlingsbekämpfung................................................................................................... 180 Natürliche Feinde von Schädlingen ........................................................................................... 180 8.4.2 Beispiele für biologische Hilfsstoffe ................................................................................................... 183 8.5 Referenzen......................................................................................................................................... 189 9. ÜBERWACHUNG (MONITORING) .............................................................................................................. 191 9.1 Einführung in das Monitoring ............................................................................................................ 191 9.1.1 Wissenschaftliche Parameter ............................................................................................................ 191 9.1.2 Warum soll Aquaponik überwacht werden? ..................................................................................... 192 9.1.3 Verschiedene Ansätze der Überwachung .......................................................................................... 193 9.1.4 Klassifizierung der Monitoringparameter ......................................................................................... 194 9.1.5 Häufigkeit der Überwachung ............................................................................................................ 195 9.2 Wichtige Parameter in der Aquaponik .............................................................................................. 196 9.2.1 Technik .............................................................................................................................................. 196 9.2.2 Wasserqualität .................................................................................................................................. 200 9.2.3 Pflanzengesundheit ........................................................................................................................... 208 9.2.4 Fischgesundheit ................................................................................................................................. 212 9.2.5 Parameter von besonderem Interesse ............................................................................................... 216 9.3 Referenzen......................................................................................................................................... 217 10. LEBENSMITTELSICHERHEIT ..................................................................................................................... 219 10.1 Rechtlicher Rahmen ................................................................................................................................ 220 10.2 Risiken der Lebensmittelsicherheit in Aquaponik .................................................................................. 221 10.3 Gute landwirtschaftliche und hygienische Praktiken ........................................................................ 223 10.3.1 Standort, Gestaltung und Aufbau.................................................................................................... 224 10.3.2 Ausrüstung ...................................................................................................................................... 225 10.3.3 Hygiene am Arbeitsplatz ................................................................................................................. 226 10.3.4 Wasserversorgung ........................................................................................................................... 230 10.3.5 Fischfutter........................................................................................................................................ 230 5 10.3.6 Ernte und Verarbeitung ................................................................................................................... 231 10.3.7 Reinigung und Hygiene .................................................................................................................... 235 10.3.8 Schädlingsbekämpfung ................................................................................................................... 238 10.3.9 Abfälle und gefährliche Stoffe ......................................................................................................... 239 10.4 HACCP-System ................................................................................................................................... 239 10.5 Referenzen......................................................................................................................................... 244 11. FORSCHUNGSMETHODEN ...................................................................................................................... 246 11.1 Was ist Wissenschaft, was ist Forschung? Grundbegriffe ................................................................. 246 11.1.1 Allgemeine Definitionen .................................................................................................................. 246 11.1.2 Forschungsvokabular....................................................................................................................... 247 11.2 Grundlagen der wissenschaftlichen Forschungsmethodik ..................................................................... 249 11.2.1 Forschungsdesigns........................................................................................................................... 250 11.2.2 Vorläufige Schritte ........................................................................................................................... 251 11.2.3 Protokollgestaltung ......................................................................................................................... 254 11.2.4 Analyse der Ergebnisse .................................................................................................................... 258 11.2.5 Veröffentlichung des Forschungsberichts ........................................................................................ 260 11.3 Auf die Aquaponik angewandte wissenschaftliche Forschungsmethodik .............................................. 265 11.4 Referenzen .............................................................................................................................................. 269 12. ENTWERFEN UND BAUEN ....................................................................................................................... 270 12.1 Erste Schritte zur Entwicklung eines Aquaponik-Systems ................................................................. 270 12.2 Machbarkeitsstudie: Überlegungen zu Standort und Infrastruktur .................................................. 272 12.3 Das Fischbecken ................................................................................................................................ 273 12.3.1 Das Beckenvolumen......................................................................................................................... 274 Abbildung 2: Die Bedeutung des Beckenvolumens für Wassertemperaturschwankungen: (links) kleine Fischbecken weisen schnellere Wassertemperaturänderungen auf; (rechts) in grösseren Wasservolumen ist die Temperatur stabiler .................................................................................................................................. 274 12.3.2 Die Beckenform ............................................................................................................................... 274 12.3.4 Materialien ...................................................................................................................................... 276 12.3.5 Tankabdeckung ............................................................................................................................... 277 12.3.6 Wasserfluss...................................................................................................................................... 278 12.4 Feststoffabscheidung......................................................................................................................... 279 12.5 Der Biofilter ....................................................................................................................................... 282 12.5.1 Ist ein separater Biofilter erforderlich? ............................................................................................ 282 12.5.2 Auswahl des Biofilters ..................................................................................................................... 283 12.5.3. Entgasung und Belüftung ............................................................................................................... 284 12.6 Die Anzuchtbeete .............................................................................................................................. 288 6 12.6.1 Wasserfluss und Positionierung der Anzuchtbeete ......................................................................... 288 12.6.2 Baumaterial ..................................................................................................................................... 288 12.6.3 Konstruktion des Wasserzu- und -abflusses .................................................................................... 289 12.7 Anschlüsse, Wasserbewegung und Belüftung ................................................................................... 289 12.7.1 Klempnerei....................................................................................................................................... 289 12.7.2 Wasserfluss und Pumpen ................................................................................................................ 289 12.8 Betrieb einer Aquaponik.................................................................................................................... 292 12.8.1 Grundlegende Systemwartungs- und Betriebsverfahren................................................................. 292 12.8.2 Systemausfälle und Notfallsysteme................................................................................................. 295 12.9 Referenzen......................................................................................................................................... 295 13. URBANE AGRIKULTUR ............................................................................................................................ 296 13.1 Einführung in die urbane Agrikultur .................................................................................................. 296 13.2 Typologie kommerzieller urbaner Indoor-Betriebe ........................................................................... 298 13.2.1 Dach-Gewächshäuser ...................................................................................................................... 298 13.2.2 Freistehende Gewächshäuser .......................................................................................................... 300 13.2.3 Vertikale Betriebe und Pflanzenfabriken ......................................................................................... 300 13.2.4 Container-Farmen ........................................................................................................................... 305 13.3 Die Nachhaltigkeit kommerzieller urbaner Indoor-Farmen .............................................................. 306 13.3.1 Ökologische Nachhaltigkeit ............................................................................................................. 307 13.3.2 Wirtschaftliche Nachhaltigkeit ........................................................................................................ 307 13.3.3 Urbane Agrikultur und Kreislaufwirtschaft ...................................................................................... 310 13.4 Gesetzgebung und Führung............................................................................................................... 311 13.5 Geschäftsmodelle der urbanen Landwirtschaft ................................................................................ 313 13.5.1 Differenzierung ................................................................................................................................ 313 13.5.2 Diversifizierung ................................................................................................................................ 314 13.5.3 Niedrige Kosten ............................................................................................................................... 314 13.5.4 Rückgewinnung des Gemeingutes ................................................................................................... 314 13.5.5 Erlebnisangebot ............................................................................................................................... 314 13.5.6 Diskussion und Case Studies ............................................................................................................ 315 13.6 Schlussfolgerungen ............................................................................................................................ 321 13.7 Referenzen......................................................................................................................................... 322 14. VERTIKALE AQUAPONIK ......................................................................................................................... 325 14.1 Einführung ......................................................................................................................................... 325 14.2 Anzuchttürme .................................................................................................................................... 326 14.3 Gestapelte horizontale Beete ............................................................................................................ 332 7 14.4 A-Rahmen-Systeme ................................................................................................................................ 336 14.5 Grüne Wände .................................................................................................................................... 338 14.6 Schlussfolgerungen ............................................................................................................................ 341 14.7 Referenzen......................................................................................................................................... 342 15. SOZIALE ASPEKTE DER AQUAPONIK........................................................................................................ 344 15.1 Einführung ......................................................................................................................................... 344 15.1.1 Ernährungssicherheit ....................................................................................................................... 344 15.1.2 Lebensmittelwüsten ........................................................................................................................ 347 15.1.3 Ernährungssouveränität .................................................................................................................. 349 15.1.4 Alternative Nahrungsmittelnetze .................................................................................................... 349 15.2 Aquaponik und soziales Unternehmertum........................................................................................ 351 15.3 Aquaponik als pädagogisches Instrument ......................................................................................... 354 15.4 Aquaponik und Wohlbefinden .......................................................................................................... 355 15.5 Das Potential der Aquaponik für das Wohlbefinden älterer Menschen............................................ 357 15.5.1 Kognitive Verhaltenskompetenzen .................................................................................................. 358 15.5.2 Sensorisch-motorische Integration .................................................................................................. 359 15.5.3 Motorische Fähigkeiten ................................................................................................................... 360 15.6 Referenzen......................................................................................................................................... 363 8 1. AQUAPONIK-TECHNOLOGIE 1.1 Einführung in die Aquaponik-Technologie Als Folge des raschen Bevölkerungswachstums nehmen der Nahrungsmittelbedarf und die Urbanisierung zu, während die landwirtschaftliche Nutzfläche rapide abnimmt und unsere Ozeane überfischt werden. Um den zukünftigen Bedarf an Lebensmitteln zu decken sind innovative, platzsparende und ökologische Technologien zur Lebensmittelproduktion erforderlich. Die Aquaponik ist eine Polykultur (integriertes multitrophes Produktionssystem), die aus zwei Technologien besteht: Aquakultur (eine Fischzucht) und bodenunabhängiger (hydroponischer) Anbau von Gemüse. Das primäre Ziel der Aquaponik ist die Wiederverwertung der im Fischfutter und Fischkot enthaltenen Nährstoffe für den Anbau von Nutzpflanzen (Graber & Junge 2009; Lennard & Leonard 2004; Lennard & Leonard 2006; Rakocy et al. 2003). Die Integration der beiden Systeme zu einem beseitigt einige der nicht nachhaltigen Faktoren, welche bei einen unabhängigen Betrieb einer Aquakultur oder dem hydroponischen Anbau anfallen würden (Somerville et al. 2014). a) b) c) Abbildung 1: Grundlegende Stoffflüsse in der Aquakultur (a), Hydrokultur (b) und Aquaponik (c). 9 Fischexkremente können von Pflanzen entweder direkt oder nachdem Bakterien das Ammoniak in Nitrit und Nitrat umgewandelt haben, verwendet werden. Das Fischfutter versorgt die Pflanzen kontinuierlich mit Nährstoffen und löst damit die Notwendigkeit des Einleitens des Abwassers in die Umwelt und des Ersatzes von verbrauchten Nährstofflösungen oder, bei extensiv betriebenen Systemen, die Anpassung der Lösungen wie in der Hydrokultur. Mit stark reduzierter Notwendigkeit zusätzlichen Dünger für die Pflanzen einzusetzen, erhöht sich das Gewinnpotenzial des Systems. Die Aquaponik ist eine sich rasch entwickelnde, potenziell nachhaltige landwirtschaftliche Praxis, die eine Reihe von potenziellen Vorteilen bietet. Sie hat jedoch auch einige grosse Schwächen (Tabelle 1). Theoretisch könnte das Konzept sowohl auf regionaler als auch auf globaler Ebene zur Lösung einiger entscheidender Probleme unseres Planeten beitragen: Verfügbarkeit und Nutzung von Trink- und Bewässerungswasser, Verschmutzung von Oberflächengewässern durch die Tierhaltung und die Bewirtschaftung nicht erneuerbarer Düngemittelressourcen. Allerdings gibt es noch viele theoretische und praktische Hindernisse für die Verbreitung dieser vielversprechenden Technologie. Damit ist die Aquaponik eine ökologische und klimafreundliche Methode, um Nahrungsmittel zu produzieren und gleichzeitig die Nachfrage der Verbraucher nach einem nachhaltigen und gesunden Lebensstil zu erfüllen. Sofern die Investitionen nicht zu hoch sind, kann die Aquaponik auch ideal für Entwicklungsländer sein, da die Fische dringend benötigtes Protein und eine zweite Einkommensquelle bieten. Hochwertige Marktfrüchte, wie z.B. Gemüse, können mit Aquaponik in Gebieten angebaut werden, in denen mit konventionellen Anbaumethoden nur Getreide produziert werden kann. Da das System in der Regel in einem Gewächshaus eingeschlossen ist, ist die Aquaponik widerstandsfähig gegen Klima- und Wetteränderungen. Die Aquaponik wurde jedoch auch schon erfolgreich im Freien eingesetzt. Als preisgünstigere Variante können die Pflanzen mit einem einfachen Dach (das vor ungünstigem Wetter schützt und den Zugang von Vögeln und anderen Tieren verhindert) statt mit einem vollen Gewächshaus abgedeckt werden. Dies ist besonders für Entwicklungsländer in den Tropen sinnvoll. Trotz der Schwächen wird davon ausgegangen, dass die Aquaponik eine valable Option für eine zukünftige Produktionsmethode für lokal angebaute Lebensmittel ist, z.B. in einer städtischen Umgebung mit kleineren Produktionseinheiten, die für Wohnungen und Restaurants bestimmt sind. Für die Entwicklung dieser neuen Technologie sind sowohl Forschung als auch Bildung erforderlich. Insbesondere ist Forschung erforderlich, um das Produktionssystem in Richtung einer sicheren und wirtschaftlichen Produktion zu optimieren. Damit werden auch Perspektiven für die Schaffung neuer "grüner Arbeitsplätze" eröffnet. Die steigende Zahl der Aquaponic-Farmen wird den Aufstieg eines neuen Berufsstandes erforderlich machen: den Aquaponic-Farmer (Graber et al. 2014a). 10 Tabelle 1. Vorteile und Schwächen der Aquaponik (Diver 2006; Joly et al. 2015; Somerville et al. 2014) Vorteile Schwächen Schonung der Wasserressourcen Die Gründung ist im Vergleich zu anderen Technologien teurer Effiziente Nutzung der Nährstoffquelle (Fischfutter) Recycling von nicht erneuerbaren Ressourcen (wie Phosphor, Kalium) und auch von erneuerbaren, aber knappen Ressourcen (wie Wasser) Eine gründliche Kenntnis der beteiligten Organismen (Fische, Pflanzen, Bakterien) ist notwendig Kein Einsatz von chemischen Herbiziden oder Pestiziden, da die Wiederverwendung von Wasser innerhalb des Systems ihre Verwendung aufgrund ihrer negativen Auswirkungen auf die Fische oder die Pflanzen behindert. Die Anforderungen von Fischen und Pflanzen können unterschiedlich sein und Investitionen in ohne grosse Gewächshaustechnologien nicht an allen Standorten erfüllt werden. Sehr eingeschränkter Einsatz von Pestiziden biologischen Ursprungs Tägliches Management ist notwendig Höheres Niveau der Biosicherheit und weniger Schadstoffe Sie benötigt Strom, Versorgung mit Setzlingen und Fingerlingen (Jungfische) Geringere Betriebskosten (im Vergleich zu Aquakultur oder Hydrokultur separat) Kann auf nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen eingesetzt werden In den meisten europäischen Ländern ist der rechtliche Status der Aquaponik unklar (geschäftliche Tätigkeit, landwirtschaftliche Tätigkeit) Baumaterialien und Informationen sind weit verbreitet. Kann in verschiedenen Klimazonen und sowohl in ländlichen als auch in städtischen Gebieten betrieben werden und ermöglicht so die Produktion von Familiennahrung oder Cash Crops Kann die Produktivität des verfügbaren Raums erhöhen, da zwei Kulturen von der gleichen Fläche geerntet werden können (wenn die Fischbecken unter der Pflanzenproduktionseinheit angeordnet sind) 1.2 Die wichtigsten Komponenten von Aquaponik-Systemen Die "Hardware" eines Aquaponik-Systems besteht aus (i) dem Fischbecken, (ii) den Wasser- und Luftpumpen, (iii) einem Feststoffabscheider (Trommelfilter, Absetzer), (iv) dem Biofilter, (v) der Hydroponik und (vi) den Rohrleitungen, Dichtungen und Pumpen. Diese Elemente werden jeweils von verschiedenen Organismengruppen besiedelt. Die Primärproduzenten (Pflanzen) werden von den Konsumenten (meist Fische) getrennt, dabei bilden die allgegenwärtigen Mikroorganismen eine "Brücke" zwischen den beiden Hauptgruppen. 11 Abbildung 2. Hauptkomponenten eines aquaponischen Systems (neu gezeichnet nach Rakocy et al. 2006) 1.2.1 Aquakultur Unter Aquakultur versteht man die Aufzucht und Produktion von Fischen und anderen Wassertier- und Pflanzenarten in Gefangenschaft unter kontrollierten Bedingungen (Somerville et al. 2014). Die Aquakultur wird zu einer immer wichtigeren Quelle für die globale Proteinproduktion, während gleichzeitig der Druck auf die überfischten Ozeane verringert wird. Alle Aquakulturtechniken wie Freiwassersysteme, Teichkulturen und Durchflusssysteme setzen jedoch nährstoffreiches Abwasser in die Umwelt frei, was zu Eutrophierung und Hypoxie (Sauerstoffmangel) der Gewässer führt. In rezirkulierenden Aquakulturanlagen (RAS) wird dieses Abwasser behandelt und innerhalb des Systems wiederverwendet. Daher kann die Aquaponik auch als eine Form der RAS oder als eine Erweiterung der RAS betrachtet werden. Im Gegensatz zu Aquaponik verbrauchen jedoch RAS Systeme in der Regel mehr Energie und erzeugen mehr Fischschlamm, der separat behandelt werden muss. Abbildung 3. Die wichtigsten Arten von Aquakulturanlagen. Für Einzelheiten siehe Kapitel 2 12 1.2.2 Die Hydroponik Die Entwicklung der Hydroponik geht auf die Arbeit von Dr. William Gericke an der Universität von Kalifornien im Jahr 1929 zurück (Gericke 1937). Die Hydroponik hat in den letzten Jahrzehnten expandiert, vor allem, weil sie höhere Erträge ermöglicht, indem sie Schädlinge und bodenbürtige Krankheiten reduziert und die Anbaubedingungen so angepasst werden können, dass sie die optimalen Anforderungen der Pflanzen erfüllen und gleichzeitig die Effizienz des Wasser- und Düngemitteleinsatzes erhöht. Sie ermöglicht auch die Entwicklung der Landwirtschaft auf qualitativ minderwertigem Land (Somerville et al. 2014). Der so genannte konventionelle hydroponische Anbau hat jedoch auch Nachteile: er verwendet kostspielige und oft nicht nachhaltig gewonnene Mineraldünger für die Produktion von Pflanzen und verbraucht Energie. Hydroponische Systeme benötigen eine beträchtliche Menge an Makronährstoffen (C, H, O, N, P, K, Ca, S, Mg) und Mikronährstoffen (Fe, Cl, Mn, B, Zn, Cu, Mo, Ni), die für das Wachstum der Pflanzen unerlässlich sind. Die Nährstoffe werden den hydroponischen Lösungen in ionischer Form zugesetzt. C, H und O sind aus Luft und Wasser erhältlich. Die Konzentrationen der Nährstoffe müssen überwacht werden. Aquaponik-Systeme hingegen nutzen das an Fischabfällen reiche Wasser als Nährstoffquelle für das Pflanzenwachstum. Allerdings ist die Nährstoffzusammensetzung des Wassers nicht immer perfekt auf die Bedürfnisse der Pflanzen abgestimmt. Einige Nährstoffe sind oft mangelhaft, so dass sie hinzugefügt werden müssen, um ihre Konzentration anzupassen, z.B. Eisen, Phosphat und Kalium (Bittsanszky et al. 2016a). In den Kapiteln 3 und 6 wird mehr über Nährstoffe erklärt. 1.3 Klassifikation der Aquaponik Die Abgrenzung zwischen Aquaponik und anderen integrierten Technologien ist manchmal unklar. Palm et al. (2018) schlug eine neue Definition der Aquaponik vor, bei der der Grossteil (> 50%) der das Pflanzenwachstum unterstützenden Nährstoffe aus Abfällen stammen muss, die bei der Ernährung der Wasserorganismen entstehen. Sie schlagen vor, zwischen der Aquaponik im engeren Sinne (sensu stricto) und im weiteren Sinne (sensu lato) zu unterscheiden. Bei Aquaponik sensu stricto werden nur bodenunabhängige Systeme bzw. Hydroponik angewendet. Einige der neuen integrierten Aquakultursysteme, die Fisch- und Algenproduktion kombinieren, würden ebenfalls unter dieses Konzept fallen. Andererseits kann der Begriff Aquaponik im weiteren Sinne (sensu lato) auf Systeme angewandt werden, die Gartenbau- und Pflanzenbautechniken umfassen, die die Mineralisierungsprozesse, Puffer- und Nährstoffspeicherfunktion der verschiedenen Substrate, einschliesslich des Bodens, nutzen. Palm et al. (2018) schlagen für diese Aktivitäten den Begriff "Aquaponic Farming" vor. Die Aquaponik kann verschiedene Ziele oder Interessengruppen ansprechen, von Forschung und Entwicklung, Bildungs- und Sozialaktivitäten bis hin zur Subsistenzlandwirtschaft und kommerziellen Lebensmittelproduktion. Sie kann auf verschiedene Weise und in verschiedenen Umgebungen umgesetzt werden, z.B. auf arider und verunreinigter Erde, in Hinterhöfen, in der städtischen Landwirtschaft usw. Ein System kann zwar mehrere Ziele gleichzeitig erfüllen, darunter Begrünung und Dekoration, soziale Interaktion und Nahrungsmittelproduktion, aber normalerweise kann es nicht alle 13 diese Ziele gleichzeitig erreichen. Um für jedes der möglichen Ziele zufriedenstellend zu arbeiten, müssen die Komponenten eines Systems unterschiedliche, manchmal gegensätzliche Anforderungen erfüllen. Tabelle 2. Eine Klassifikation der Aquaponik nach verschiedenen Konstruktionsprinzipien mit Beispielen für jede Kategorie (nach Maucieri et al. 2018) Designaspekt Kategorien Beispiele Ziel oder Hauptakteur Kommerzieller Pflanzenbau ECF Farm Suffizienz im Haushalt Somerville et al. 2014 Bildung Graber et al. Junge et al. 2014 Soziales Unternehmen Laidlaw & Magee, 2016 Begrünung und Dekoration Schnitzler 2013 L gross (>1000 m2) Monsees et al. 2017 Grösse 2 M mittel (200-1000 m ) Graber et al. 2014 2 S klein (50-200 m ) Roof Water Farm XS sehr klein (5-50 m2) Podgrajšek et al. 2014 2 XXS-Mikrosysteme (<5 m ) Betriebsweise des Aquakulturteils WasserkreislaufManagement Art des Wassers Art des hydroponischen Systems Raumnutzung 2014 Maucieri et al. 2018 Nozzi et al. 2016 Umfassend (ermöglicht die Schlammverwendung in Anzuchtbeeten) integrierte Graber & Junge 2009 Intensiv (obligatorische Schlammabtrennung) Schmautz et al. 2016b Nozzi et al. 2018 Geschlossener Kreislauf ("gekoppelte" Systeme): Wasser wird in die Aquakultur zurückgeführt Graber & Junge 2009 Monsees et al. 2017 Offener Kreislauf oder End-of-Pipe ("entkoppelte" Systeme): nach der hydroponischen Komponente wird das Wasser entweder nicht oder nur teilweise in die Aquakulturkomponente zurückgeführt. Monsees et al. 2017 Süsswasser Schmautz et al. 2016b Klemenčič & Bulc 2015 Salzwasser Nozzi et al. 2016 Beete mit verschiedenen Medien Roosta & Afsharipoor 2012 Buhmann et al. 2015 Ebbe-Flut-System Nozzi et al. 2016 Grow bags Rafiee und Saad 2010 Tröpfchenbewässerung Schmautz et al. 2016b Kultivierung im tiefen Wasser (Flosskultur) Schmautz et al. 2016b Nährfilmtechnik (NFT) Lennard & Leonard 2006 Goddek et al. 2016a Horizontal Schmautz et al. 2016b Klemenčič & Bulc 2015 Vertikal Khandaker & Kotzen 2018 14 Die Auswahl eines geeigneten Aquaponik-Systems für eine bestimmte Situation sollte auf realistischen Einschätzungen (gegebenenfalls einschliesslich eines soliden Geschäftsplans) beruhen und zu einer massgeschneiderten Lösung führen. Folgt man der Klassifikation von Maucieri et al. (2018), die die Aquaponiksysteme in verschiedene Kategorien einteilt, ergeben sich mehrere unterschiedliche Möglichkeiten zur Auswahl eines geeigneten Aquaponiksystems (Tabelle 2). Jede Entscheidung muss im Rahmen des verfügbaren Budgets getroffen werden, und es soll möglich sein, ein System mit sehr geringen Kosten zu bauen. 1.3.1 Einteilung nach Betriebsart: extensiv (mit Schlammverwendung) und intensiv (mit Schlammabtrennung) integrierter Ein wichtiger Teil jedes Aquaponik-Systems ist der Fischtank, in dem die Fische gefüttert werden und wo sie über ihren Stoffwechsel Fäkalien und Ammoniak ins Wasser ausscheiden. Hohe Konzentrationen von Ammoniak sind jedoch für Fische giftig. Durch nitrifizierende Bakterien wird Ammoniak in Nitrit und dann in Nitrat, das für Fische relativ unschädlich ist und die bevorzugte Form von Stickstoff für den Anbau von Pflanzen ist, umgewandelt. Die extensive Produktion integriert sowohl den Biofilter als auch die Schlammentfernung direkt in die Hydrokulturanlage, indem Substrate verwendet werden, die das Wachstum des Biofilms angemessen unterstützen, wie z.B. Kies, Sand und Blähton. Bei der intensiven Produktion werden Biofilter und Schlammabtrennsystem separat betrieben. Beide Betriebsarten haben ihre Vor- und Nachteile. Während die integrierte Schlammverwendung eine vollständige Nährstoffrückführung ermöglicht, sind die negativen Aspekte das trübe Wasser und die eher geringe Biofilterleistung, die nur einen begrenzten Fischbesatz ermöglichen. Getrennte Schlammentfernung und Biofilter hingegen ermöglichen einen intensiven Fischbesatz von bis zu 100 oder mehr kg/m3. Zu den positiven Aspekten gehören klares Wasser, eine geringere BSB-Konzentration (biochemischer Sauerstoffbedarf), eine geringere mikrobielle Belastung und eine optimierte Biofilterleistung. Diese Systeme erlauben jedoch nur eine teilweise Nährstoffrückführung. Ein zusätzlicher Schlammbehandlungsschritt (on-site oder off-site), wie z.B. der Anschluss von Schlammverbrennungsanlagen oder Vermikompostierung, kann notwendig sein (Goddek et al. 2016b). Abbildung 4: Aquaponik-System mit integrierter Schlammnutzung 15 Abbildung 5: Mögliche Anordnung eines Aquaponik-Systems mit Schlammabscheidung 1.3.2 Wasserkreislauf- Management Geschlossene (gekoppelte) Systeme: Aquaponik kann als Kreislaufsystem aufgebaut und betrieben werden, wobei sich der Wasserfluss in beide Richtungen bewegt: vom Fischbecken zur Hydroponikanlage und umgekehrt. Das Wasser wird ständig vom RAS zur hydroponischen Einheit und zurück zum RAS zirkuliert. Systeme mit offenem Regelkreis: Andererseits gab es in letzter Zeit Entwicklungen hin zu einer unabhängigen Kontrolle über jede Systemeinheit, vor allem wegen der unterschiedlichen Umweltanforderungen an Fische und Pflanzen. Solche Systeme, bei denen Aquakultur, Hydrokultur und ggf. Fischschlamm-Remineralisierung unabhängig voneinander gesteuert werden können, werden als entkoppelte Aquaponiksysteme (decoupled aquaponic systems, DAPS) bezeichnet. Entkoppelte Aquaponiksysteme bestehen aus einem RAS, das über ein Einwegventil mit der Hydroponik (mit zusätzlichem Reservoir) verbunden ist. Das Wasser wird innerhalb jedes Systems separat rezirkuliert und wird bei Bedarf vom RAS zur Hydroponikanlage geliefert, fliesst aber nicht zurück (Goddek et al. 2016a, Monsees et al. 2017). Abbildung 6 zeigt eine schematische Darstellung der gekoppelten und entkoppelten Aquaponik. Im gekoppelten System (geschlossener Kreislauf), bestehend aus einem RAS (blau: Aufzuchtbecken, Klärbecken und Biofilter), das direkt mit der Hydroponik-Einheit (grün: NFT-Rinnen) verbunden ist, wird das Wasser ständig vom RAS zur Hydroponik-Einheit und zurück zum RAS zirkuliert. In dem entkoppelten (offenen) Aquaponiksystem, das aus einem RAS besteht, das über ein Einwegventil mit der Hydroponikeinheit (mit zusätzlichem Reservoir) verbunden ist, wird das Wasser innerhalb jedes Systems separat rezirkuliert und das Wasser wird bei Bedarf vom RAS zur Hydroponikeinheit geliefert, geht aber nicht zum RAS zurück. 16 Abbildung 6: Schematische Darstellung der gekoppelten (links) und entkoppelten (rechts) Aquaponik. 1.3.3 Hydroponische Systeme, die in der Aquaponik verwendet werden Nährfilm Technik (Nutrient Film Technology, NFT) Bei der Nährfilm Technik (Nutrient Film Technology, NFT) wird das gefilterte Wasser aus einem Fischtank in einem dünnen Film durch den Boden eines horizontalen PVC-Rohrs geleitet. Diese Rohre haben oben eingeschnittene Löcher, in denen Pflanzen so angebaut werden, dass ihre Wurzeln im unten fliessenden Wasser baumeln. Nährstoffe aus dem Beckenwasser werden von den Pflanzen aufgenommen, und da ihre Wurzeln nur teilweise untergetaucht sind, können sie auch mit Luftsauerstoff in Kontakt kommen. Tabelle 3. Vor- und Nachteile der NFT Vorteile Nachteile • Konstanter Wasserfluss • • Kleiner Auffangbehälter erforderlich Erfordert eine vorherige Filtration, um verstopfte Wurzeln zu verhindern • Teure Materialien • Leichte Wartung und Reinigung • • Benötigt kleinere Wassermenge Weniger stabiles System (weil weniger Wasser vorhanden) • Leichte hydroponische Infrastruktur, gut geeignet für die Landwirtschaft auf Dächern • Nur für den Anbau von Blattgemüse und Kräutern mit kleineren Wurzelsystemen geeignet • Empfindlich gegen Temperaturschwankungen 17 Abbildung 7: Nährfilmtechnik (NFT). Links - Strichzeichnung eines ganzen Systems. Rechts - Foto des Systems (Foto ZHAW) Medienbeet-Technik Mediengefüllte Beete sind die beliebteste Methode für die keinen Aquaponik-Anlagen. Diese Konstruktionen nutzen den Raum effizient, haben relativ geringe Anschaffungskosten und sind aufgrund ihrer Stabilität und Einfachheit auch für Anfänger geeignet. In Medienbeeten wird das Medium zur Unterstützung der Wurzeln der Pflanzen verwendet und fungiert als mechanischer und biologischer Filter. Tabelle 4. Vor- und Nachteile der Medienbeettechnik Vorteile Nachteile • Biofiltration: Medium dient als Substrat für nitrifizierende Bakterien • Einige Medien und Infrastrukturen sind sehr schwer: nicht immer für die Dachwirtschaft geeignet • Wirkt als Filtermedium für die Feststoffe • Kann in grösserem Massstab unhandlich und relativ teuer werden • Die Mineralisierung findet direkt im Wachstumsbeet statt. • Wartung und Reinigung sind schwierig • • Das Substrat kann von einer breiten Palette von Mikroflora besiedelt werden, von denen einige positive Auswirkungen haben können. Verstopfung kann zu Wasserkanalisierung, ineffizienter Biofiltration und damit auch zu einer ineffizienten Nährstoffversorgung der Pflanzen führen. • Medien können verstopfen, wenn die Fischbesatzdichte die Tragfähigkeit der Betten übersteigt, was eine separate Filtration erforderlich machen kann. • Die Wasserverdunstung ist in Medienbeeten mit mehr sonnenexponierter Oberfläche höher • Wenn die Ebbe - und Flutmethode angewandt wird, ist die Dimensionierung wichtig, und es wird ein grosser Sumpfbehälter benötigt. 18 Abbildung 8: Medienbetttechnik. Links - Allgemeines Schema eines ganzen Systems. Rechts - Ein Beispiel aus ZHAW-Wädenswil (Foto: Robert Junge) Tiefwasser- oder Flosskultur (Deep Water Culture, DWC) Bei der Tiefwasserkultur (Deep Water Culture, DWC) wird ein Polystyrol-Floss verwendet, das auf etwa 30 cm Wasser schwimmt, um Pflanzen zu züchten. Das Floss hat Löcher, in denen Pflanzen in Netztöpfen wachsen, so dass ihre Wurzeln ins Wasser getaucht sind. Das Floss kann auch so platziert werden, dass es direkt auf dem Fischtank schwimmt, oder es kann Wasser aus dem Fischtank in ein Filtersystem und dann in Kanäle mit einer Reihe von Flössen gepumpt werden. Ein Belüfter versorgt sowohl das Wasser im Tank als auch das Wasser, das das Floss enthält, mit Sauerstoff. Da die Wurzeln kein Medium haben, an dem sie haften können, kann dieses System nur für den Anbau von Blattgrün oder Kräutern verwendet werden, nicht aber für grössere Pflanzen. Es ist das beliebteste System für kommerzielle Zwecke, da es schnell und einfach zu ernten ist. Tabelle 4. Vor- und Nachteile der Tiefwasserkultur Vorteile Nachteile • Konstanter Wasserfluss • Separater Biofilter erforderlich • Kleiner Auffangbehälter erforderlich • Benötigt eine hohe Wassermenge • Einfache Wartung und Reinigung • Schwere Infrastruktur • Vorrichtung zur Wurzelbelüftung erforderlich 19 Abbildung 9: Tiefwasser- oder Flosskultur. Links - Zeichnung eines ganzen Systems. Rechts - Salat wächst in einem Styropor-Floss mit im Wasser schwebenden Wurzeln 1.3.4 Raumnutzung: horizontale und vertikale Systeme Die meisten Aquaponiksysteme verwenden horizontale Anbautanks oder -beete, die den traditionellen Ackerbau an Land zur Produktion von Gemüse nachahmen. Im Laufe der Jahre sind jedoch neue Technologien für die »grüne Wände« und vertikale Zuchtanlagen entstanden und entwickelt worden, die, wenn sie mit dem Aquakulturteil des Aquaponiksystems verbunden sind, die Möglichkeit bieten, mehr Pflanzen vertikal statt horizontal zu züchten, und so die Systeme produktiver machen (Khandaker & Kotzen 2018). Horizontale Systeme haben den Vorteil, dass sie das Tageslicht effizient nutzen und auch im Winter ohne zusätzliche Beleuchtung funktionieren können. Daher haben sie einen geringen elektrischen Energieverbrauch. Die anfänglichen Investitionskosten sind mittelgross/klein, insbesondere wenn der Grundstückspreis niedrig ist. Vertikale Systeme stellen eine optimale, platzsparende Lösung dar und eignen sich daher sehr gut für städtische Einrichtungen, sei es zur Dekoration oder zur hyperlokalen Lebensmittelproduktion. Sie benötigen jedoch für eine gutes Wachstum Pflanzenlampen über den Anzuchtbeeten. Ausserdem benötigen sie weniger Wasserpumpen, aber dafür eine höhere Leistung, was alles zusammen einen höheren Stromverbrauch bedeutet. Die anfänglichen Investitionskosten sind ebenfalls hoch. 1.4 Geschichte der Aquaponik Das Konzept der Verwendung von Fischexkrementen zur Düngung von Pflanzen gibt es seit Jahrtausenden, wobei frühe Zivilisationen in Asien und Südamerika diese Methode nutzten. Die bekanntesten Beispiele sind die "stationären Inseln" oder die aztekischen Chinampas, die in flachen Seen in Mittelamerika (1150-1350 v. Chr.) eingerichtet wurden, und das Reisfisch-Aquakultur-System, das vor etwa 1500 Jahren in Asien eingeführt wurde und auch heute noch genutzt wird. Sowohl das Reisfisch-Aquakultur-System als auch die Chinamas wurden von der FAO als weltweit wichtiges landwirtschaftliches Kulturgut-System (Koohafkan & Altieri 2018) aufgeführt. In Europa reichen die frühen RAS bis in die späten 1970er Jahre zurück (Bohl 1977). Zur gleichen Zeit hatte Naegel (1977) bereits die Integration der Hydrokultur in den Wasser- und Nährstoffkreislauf der RAS getestet. Die zeitgenössische Aquaponik in den USA begann mit der bahnbrechenden Forschung 20 von Todd, auf die in Love et al. (2014) Bezug genommen wird, zusammen mit Studien von Goldman et al. 1974, Ryther et al. 1975 über die Wiederverwendung von Nährstoffen aus Abwasser für die Pflanzen- und Tierproduktion. Vor den technologischen Fortschritten der 1980er Jahre hatten die meisten Versuche, Hydrokultur und Aquakultur zu integrieren, nur begrenzten Erfolg. In den 1980er und 1990er Jahren gab es Fortschritte bei der Systemauslegung, der Biofiltration und der Ermittlung des optimalen Fisch-Pflanzen-Verhältnisses, die zur Schaffung geschlossener Systeme führten, die die Wiederverwendung von Wasser und die Nährstoffanreicherung für das Pflanzenwachstum ermöglichen. Die Pioniere der Aquaponik, die viele Anhänger inspiriert haben, waren: - Dr. Mark McMurtry (McMurtry et al. 1990) begann Mitte der achtziger bis Anfang der neunziger Jahre an der North Carolina State University mit der Arbeit an der Aquaponik. Er nannte die Methode 'Integriertes AquaVegeculture System' (IAVS). Die heutigen Ebbe- und Flutsysteme, wie sie von Praktikern in Hinterhöfen bevorzugt werden, sind von diesem Modell abgeleitet. - Dr. James Rakocy entwarf 1980 das vielleicht am häufigsten kopierte Design, das AquaponicSystem der University of Virgin Islands (UVI) (Rakocy et al. 2003; Rakocy et al. 2004). Er hat wichtige Kennzahlen und Berechnungen entwickelt, um die Produktion von Fisch und Gemüse zu maximieren und gleichzeitig ein ausgewogenes Ökosystem zu erhalten. - In Australien hat Dr. Wilson Lennard auch Schlüsselberechnungen und Produktionspläne für andere Arten von Systemen erstellt (Lennard & Leonard 2004; Lennard & Leonard 2006). - In Kanada zeigte Dr. Nick Savidov (Savidov & Brooks 2004), dass Aquaponik-Systeme bei Einhaltung einiger Schlüsselnährstoffmengen eine signifikant höhere Produktion von Tomaten und Gurken als hydroponische Systeme aufwiesen. Diese Forschungsdurchbrüche, wie auch viele andere, haben den Weg für verschiedene PraktikerGruppen und Unternehmen geebnet, die weltweit zu spriessen beginnen. Die Aquaponik-Forschung hat jedoch erst nach 2010 richtig Fahrt aufgenommen (siehe die vergleichende Zahl der wissenschaftlichen Veröffentlichungen über Hydrokultur, Aquakultur und Aquaponik in Abbildung 10). Es besteht jedoch ein grosser Unterschied zwischen dem, worüber die Welt "redet", und dem, was derzeit erforscht wird. Junge et al. (2017) prägten den Begriff "Hype-Ratio" als Indikator für die Popularität eines Themas in den öffentlichen Medien im Vergleich zur Wissenschaft. Sie wird als Suchergebnisse in Google geteilt durch die Suchergebnisse in Google Scholar berechnet. Die Aquaponik hat eine 'Hype-Ratio' von über 1000, was deutlich höher ist als beispielsweise die Hydrokultur (über 100) und die Aquakultur (etwa 20). In dieser Hinsicht kann die Aquaponik als "eine neue Technologie" und ein neues wissenschaftliches Thema bezeichnet werden. 21 Abbildung 10: Die Anzahl der veröffentlichten Arbeiten über Hydrokultur*, Aquakultur* und Aquaponik*‡ von 1978 bis 2015 (Die Daten wurden am 17. September 2016 aus der Scopus-Datenbank gesammelt). ‡ Bitte beachten Sie, dass der Massstab für Aquaponic* zwei Grössenordnungen niedriger ist als der für Hydrokultur* oder Aquakultur* (von Junge et al. 2017). 1.5 Beispiele für Aquaponik-Anlagen auf der ganzen Welt Inzwischen existieren auf allen Kontinenten viele Aquaponik Anlagen. Tabelle 6 fasst mehrere Systeme und ihre Hauptmerkmale zusammen. 1.5.1 Europa In den Jahren 2014-2018 finanzierte die Europäische Union die COST-Aktion FA1305 "EU Aquaponics Hub", die die Zusammenarbeit der Mitgliedsländer bei der Erforschung von Aquaponiksystemen als relevante Technologie für die nachhaltige Produktion von Fisch und Gemüse in der EU beinhaltete. Die Website der Aktion ist eine sehr gute Informationsquelle mit Links zu Faktenblättern, Veröffentlichungen und Videos von Ausbildungsorten. Dieselbe Gruppe führte eine Untersuchung über die Nutzung der Aquaponik in Europa durch und betonte, dass die meisten Einheiten klein und forschungsbezogen sind (Villarroel et al., 2017). Eine Karte fast aller bekannten Aquaponikeinrichtungen in Europa wurde in Google Maps veröffentlicht. Die Karte enthält die Standorte aller Forschungsinstitute (blau) und Unternehmen (rot), die derzeit aktiv an der Aquaponik arbeiten. Sie kann nicht direkt bearbeitet werden, aber Forscher und Unternehmen, die hinzugefügt werden möchten, können ihre Angaben an [email protected] senden. Wie aus der Karte ersichtlich ist, ist die Zusammenarbeit der Industrie unerlässlich, damit die Aquaponik ihr Versprechen als ein lebensfähiges System der lokalen Lebensmittelproduktion in der EU erfüllen kann. Auf der Karte sind derzeit 50 Forschungszentren und 45 Unternehmen aufgeführt, was auf ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Forschung und Entwicklung hindeutet. 22 Abbildung 11: Karte der Aquaponik-Anlagen in Europa Abbildung 12: Links - Dach-Wasserbauernhof (Foto: Grit Bürgow). Rechts - Landwirtschaftliches Bildungszentrum Strickhof (Foto: Roger Bolt) 23 Tabelle 6: Zusammenfassung einiger Aquaponik-Systeme auf der ganzen Welt Land Zweck und Art Fisch Pflanzen Autor(en) Australien Forschung Hinterhof-System (Ebbe und Flut) Murray-Dorsch Kopfsalat Lennard & Leonard 2004 Barbados Forschung Hinterhof-System (Ebbe und Flut) Roter Tilapia Basilikum und Okra (Wachstumsmediu m: Kokosnussschale) Connolly & Trebic 2010 Amerikanische Jungferninseln Forschung Kommerzielles System (Flosskulturen) Tilapia Basilikum, Okra Rakocy et al. 2003 China Grosses kommerzielles System (Teiche) Umgebung für das natürliche Laichen einheimischer Fische Reis, Canna-Blüten Duncan 2014 Deutschland, Berlin Forschung, Demonstration, Bildung (NFT- und NGS*-Kanäle) Forelle Erdbeeren, Pak Choi, Minigurken, Salate Roof Water Farm Hawaii Grosses kommerzielles System Tilapia Salate Kunia Farms Ungarn, Kaposvar Soziale Einrichtung (Medienbeete, NFT) Wels Kräuter, Kopfsalat, Tomaten, Erdbeeren Passive Aquaponics Island Forschung Kleines kommerzielles System (Medienbeete, Flosskulturen, NFT) Tilapia Tomaten, Bohnen, Kopfsalat Thorarinsdottir 2015 Iran Forschung Basierend auf dem UVIModell (Flosskulturen, Medienbeete) Karpfen, Graskarpfen und Silberkarpfen Tomaten Roosta & Afsharipoor 2012 Slowenien, Naklo Berufliche Bildung Basierend auf dem Modell 'Wädenswil'. (Medienbeete, Flosskulturen, NFT) Karpfen Salate Podgrajšek et al. 2014 Vereinigte Arabische Emirate Grosses kommerzielles System (Flosskulturen) Tilapia, Barramundi Salate Smith 2015 Vietnam Forschung Hinterhof-System (Medienbeete) Tilapia Canna-Blüten, Wasserspinat, Salate Trang &Brix 2014 * Neues Anbausystem: www.ngsystem.com 24 Country Island: Das Aquaponiksystem von Svinna-verkfraedi Ltd. besteht aus drei 4 m3 Fischbecken, einem Trommelfilter, einem Biofilter, einem Sumpfbecken und NFT-Kanälen. Der hydroponische Teil wurde für den Anbau von Tomaten, Bohnen und Salat verwendet. Das Unternehmen testet verschiedene hydroponische Systeme (Zuchtbetten, Flosskulturen, NFT-Kanäle) und hat kürzlich das System um Flusskrebse erweitert, um den Schlamm aus den Fischbecken zu nutzen (Thorarinsdottir 2015). Ungarn: Ein Passiv-Aquaponik-Haus im Sozialunternehmen "Somogy County Association of Disabled Persons" wurde von der ungarischen Firma Passive Aquaponics gebaut. Das Haus wird mit Gas (70%) in Kombination mit einer Kompostheizung (30%) beheizt. Die Welse (Silurus glanis) werden in kleinen Becken aufgezogen. Mit Blähton gefüllte Hydrokulturanlagen werden zum Anbau von Kräutern (Basilikum, Minze), Salat, Tomaten, Paprika, Erdbeeren und sogar Bananenpflanzen verwendet. Deutschland: Roof Water Farm in Berlin ist ein Demonstrationsprojekt für innovative städtische Wasserwirtschaft und Lebensmittelproduktion. Der Schwerpunkt liegt auf der hygienisch sicheren Nutzung von Regen-, Grau- und Schwarzwasser in Kombination mit dezentralen Wasseraufbereitungstechnologien für die aquaponische und hydroponische Nahrungsmittelproduktion. Die Schweiz: Im landwirtschaftlichen Bildungszentrum Strickhof im Kanton Zürich wurde im 2012 ein experimentelles Aquaponik-System hauptsächlich für Bildungszwecke gebaut. Es wurde auf der Rückseite eines alten Gewächshauses auf einer Fläche von ca. 36 m2 errichtet und besteht aus einem 3 m3 Fischbecken, fünf NFT-Kanälen und zwei Ebbe-Flut-Tischen mit Flosskulturen. 1.5.2 Asien China: Unseres Wissens nach befindet sich das grösste jemals gebaute Aquaponik-System am TaihuSee. Der See verfügt über eine umfangreiche Aquakulturindustrie, welche die Eutrophierung und damit Probleme mit Algenblüten verursacht hat. Diese Situation veranlasste die Forscher, nach neuen Lösungen zu suchen. Sie beschlossen, eine Technologie namens Aqua Biofilter auszuprobieren, die die Nährstoffe, welche die Algenblüten verursachen, entfernen soll. Das Ergebnis ist ein 1,6 Hektar grosses Aquaponik-System, das für den Reisanbau in Fischteichen genutzt wird (Duncan 2014). Vietnam: Trang und Brix (2014) errichteten ein Aquaponiksystem im Mekong-Delta, einem der produktivsten Aquakulturgebiete Vietnams. Sie bauten drei geschlossene, integrierte AquaponikSysteme im Pilotmassstab im Freien (3 x ca. 2 m3) und zeigten, dass diese im Vergleich zu traditionellen Fischteichen erhebliche Wassereinsparungen und Nährstoffrecycling ermöglichen und den Fischzüchtern zusätzlichen Gewinn bringen können. Iran: An der Vali-e-Asr Universität von Rafsanjan wurde ein experimentelles Aquaponik-System auf der Grundlage des UVI-Modells entworfen, um die Auswirkungen der Blattanwendungen einiger Mikround Makronährstoffe auf das Tomatenwachstum und den Ertrag im Vergleich zu einem Hydrokultursystem zu untersuchen. Das Aquaponik-System besteht aus drei separaten und identischen Aquaponik Einheiten. Jede Einheit verfügt über ein Fischaufzuchtbecken, ein Klärbecken, ein Filterbecken, ein Entgasungsbecken und eine Pflanzenbeetanlage (Roosta & Afsharipoor 2012). Vereinigte Arabische Emirate: Ende 2013 wurde eines der weltweit grössten kommerzielle AquaponikSysteme von Paul Van der Werf von der Earthan-Gruppe aus Queensland gebaut. Die Farm besteht aus einem 4.500 m2 grossen Schuppen, der etwa 40 Tonnen Tilapia produziert. Die Einrichtung führt auch ein Pilotprojekt für ein Zuchtprogramm für juvenile Barramundi durch. Die Systeme nutzen Abwasser 25 eines nahe gelegenen Lebensmittelherstellers, das sonst in der Wüste entsorgt würde. Die einzige Verwundbarkeit des Systems besteht darin, dass ohne Verdunstungskühlung die Temperaturen im Gewächshaus 68°C erreichen können (Smith 2015). 1.5.3 Amerika Barbados hat ein tropisch-ozeanisches Klima mit geringen Temperaturschwankungen (ca. 20-32 °C) aufgrund der abkühlenden östlichen Passatwinde aus dem Atlantik. Ein experimentelles AquaponikSystem mit einem Volumen von ca. 6m3 wurde 2009 mit dem Ziel gebaut, Parameter zur Verbesserung des Systems zu erhalten und Management-Empfehlungen mit dem Ziel der Optimierung der Fisch- und Pflanzenbiomasse zu geben (Connolly & Trebic 2010). Amerikanische Jungferninseln: Das kommerzielle Aquaponik-System der University of the Virgin Islands (UVI) ist zum Vorbild für viele nachfolgende Systeme geworden. Das System hat sich über einen längeren Zeitraum gut bewährt und produziert seit 4 Jahren kontinuierlich Tilapia. In dieser Zeit wurden zwei Versuche durchgeführt, um die Produktion von Basilikum und Okra zu untersuchen, die sich als deutlich höher als die Produktion im Kontrollfeld herausstellte (Rakocy et al. 2003). Hawaii: Kunia Country Farms nahm 2010 den Betrieb auf und ist heute eine der grössten AquaponikFarmen und Produzent von Blattgemüse im Bundesstaat Hawaii. Ihr System besteht aus drei Fischbecken, die Tilapia enthalten, achtzehn Tiefwasserkulturen mit Styroporschwimmern und einem Sumpfbecken. In jeder Tiefwasserkultur kann von 1650 bis 3300 Pflanzen beherbergen. Das gesamte System hat ein Wasservolumen von ca. 380 m3. Da der elektrische Bedarf der Anlage gering, aber in Hawaii immer noch sehr teuer ist, planen sie den Bau einer 20 KW Photovoltaikanlage, die genügend Sonnenenergie erzeugt, um die Farm netzunabhängig zu machen. 1.5.4 Australien Lennard & Leonard 2004 verwendeten Murray-Kabeljau (Maccullochella peelii peelii) und Salat (Lactuca sativa), um die Unterschiede zwischen zwei Flutregimen zu testen: (a) reziproker Fluss und (b) konstanter Fluss. Ihr experimentelles System bestand aus 12 identischen Aquaponik Einheiten. Jede Einheit verfügte über ein Fischbecken, einen Biofilter und einen Medienbeet. Beide Systeme zeigten gute Leistungen, aber das System mit konstantem Durchfluss zeigte bessere Ergebnisse in Bezug auf den Salatertrag. 1.6 Aktuelle Forschungsthemen in der Aquaponik 1.6.1 Trends in der Technik Wie wir oben gesehen haben, hängt die Gestaltung erfolgreicher Aquaponik-Systeme von der Benutzergruppe ab. Eine ertragreiche, bodenlose Produktion erfordert einen hohen Einsatz von Wissen und Technologie (Pumpen, Belüftungseinrichtungen, Logger) und ist daher meist für den kommerziellen Betrieb geeignet. Es ist jedoch durchaus möglich, Low-Tech-Aquaponik-Systeme zu entwerfen und zu betreiben, die weniger Know-how erfordern und dennoch respektable Ergebnisse liefern. Dieser implizite Kompromiss (High-Tech/Low-Tech) und die breite Palette von Anwendungen der Aquaponik haben Konsequenzen für die weitere Entwicklung für die Technologie, für das 26 Systemdesign und für die sozioökonomischen Aspekte. Die Aquaponik-Technologie wird sich vermutlich in zwei Hauptrichtungen entwickeln: zum einen in Richtung Low-Tech-Lösungen (wahrscheinlich hauptsächlich in Entwicklungsländern und für nicht-professionelle Anwendungen) und zum anderen in Richtung hocheffizienter High-Tech-Installationen (vorwiegend in entwickelten Ländern und mit professionellen/kommerziellen Partnern) (Junge et al. 2017). Während die Technologie selbst keine Grenzen für die Fläche des Betriebs setzt (weil sie modular aufgebaut sein kann), wird die Grösse städtischer Betriebe bestimmt durch (i) die Charakteristik der verfügbaren Fläche, die in einer Stadt notwendigerweise fragmentiert ist (Brachflächen, ungenutzte oder leerstehende Gebäude und Dächer); und (ii) die Zwänge, die durch die Wirtschaftlichkeit der Pflanzenproduktion entstehen. Als Faustregel gilt, dass die für den kommerziellen Betrieb erforderliche Fläche etwa 1000 m2 beträgt. Hobby- und Hinterhofanlagen können natürlich viel kleiner sein. Aquaponik-Farmen können durch die Erhöhung der Anzahl von Betriebseinheiten (oder Modulen) oder durch eine vertikale Ausrichtung wachsen/erweitert werden, obwohl sie nicht zu stark skaliert werden können, ohne dass die Bau- und Energiekosten stark ansteigen. Die Grössenordnung der städtischen Aquaponik-Farmen wird wahrscheinlich zwischen 150 m2 und 3000 m2 liegen, aufgrund von Platz-, Wirtschafts- und Managementbeschränkungen. Dies könnte jedoch ausreichen, um den Grundbedarf an einem Sortiment von Frischgemüse für einen Teil der städtischen Bevölkerung zu decken. Aquakulturbetriebe in Stadtrandgebieten könnten grösser sein und so modifiziert werden, dass sie auch inländische Aquakultursysteme umfassen oder nährstoffreiche Abwässer, kompostierten Fischschlamm und/oder Biokohle in ländlichen Gebieten wiederverwenden. Die Aquaponik-Technologie selbst kann als unausgereift angesehen werden, da es noch Punkte gibt, die gelöst werden müssen. Die einfache Verknüpfung einer modernen Aquakulturanlage mit einer modernen Hydrokulturanlage berücksichtigt eine Reihe der Faktoren, wie Probleme mit verstopften Trommelfiltern, ineffizienten Feststoffabscheidern, akute Ausfälle bei der Sauerstoffversorgung, schlecht konzipierte Feststoffabscheider und verstopften Wasserleitungen, nicht. Auch wenn der Einfluss von Pflanzenbeeten (NFT, Tröpfchenbewässerung, Tiefwasserkultur) in Hydrokultursystemen bereits gut bekannt ist, muss die Wahl dieser Beete in Aquaponiksystemen weiter untersucht werden, da diese Auswirkungen auf Produktivität und Betrieb haben. Auch in anderen Bereichen sind weitere Untersuchungen erforderlich. Da Mikroorganismen allgegenwärtig sind, spielen sie eine wichtige Rolle in allen Phasen der Aquaponikproduktion. Der Einfluss der Umweltbedingungen auf ihre Diversität, Populationsgrösse und Funktion sollte vermehrt untersucht werden, z.B. durch die Anwendung von Novel Generation of Sequencing Methoden (Schmautz et al. 2016a). Eine der zentralen Fragen ist auch die angemessene Schädlings- und Krankheitsbekämpfung. Probleme im Zusammenhang mit dem Pflanzenschutz in der Aquaponik wurden von Bittsanszky et al. (2016b) diskutiert. Sie kamen zu dem Schluss, dass angesichts der Tatsache, dass nur sehr wenige Instrumente für den Pflanzenschutz in der Aquaponik zur Verfügung stehen, der Schwerpunkt auf die Präventionsmassnahmen gelegt werden sollte, um die Infiltration von Schädlingen und Krankheitserregern zu minimieren. Andererseits müssen die derzeit für den ökologischen Landbau verfügbaren biologischen Schädlingsbekämpfungsmethoden an die Aquaponik angepasst werden (siehe Kapitel 10). Wenn die Aquaponik als erfolgreiche High-Tech-Methode für die Nahrungsmittelproduktion entwickelt werden soll, muss ein Schwerpunkt auf der Verringerung des Personalbedarfs liegen. Zwar ist ein Teil der Automatisierung bereits gut entwickelt (für Fischfütterung und Bewässerung, Online27 Überwachung und Alarme für viele Parameter, insbesondere Sauerstoff), doch muss sie noch verfeinert werden, um präzisere und arbeitseffizientere Abläufe zu ermöglichen, was die Entwicklung geeigneter Sensoren erfordert. Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Arbeitskraft könnte der Einsatz von Robotern sein. Vielseitige Systeme, ähnlich wie FarmBot, sollten für den Einsatz in der Aquaponik entwickelt werden. 1.6.2 Trends in der Systemgestaltung Während die Aquaponik das Potenzial hat, nachhaltig zu sein, sind umfassende Studien zur Lebenszyklusanalyse (LCA) von Aquaponik-Betrieben und -Produkten selten (Forchino et al. 2017; Maucieri et al. 2018). Es ist jedoch klar, dass die ökologischen Auswirkungen der Aquaponik durch die Erschliessung erneuerbarer Energiequellen, die Entwicklung von Tageslicht-Erntemethoden zur Vermeidung des Einsatzes von elektrischer Energie, die Verwendung von vorbehandeltem oder recyceltem Wasser oder Regenwasser und die Verbesserung der Klimakontrolle von Gewächshäusern weiter verbessert werden könnten. In einer städtischen Umgebung sollte die Aquaponik in die Gebäude integriert werden, um den Gas-, Wasser- und Energieaustausch zwischen Gewächshäusern und Gebäuden zu ermöglichen. Verbesserungen sind auch in Bezug auf die organischen Stoffkreisläufe erforderlich. Fischfutter ist der Hauptnährstoffeintrag und bestimmt weitgehend die Nachhaltigkeit des Betriebs. Aquaponik (genau wie RAS) erfordert eine optimale Ernährung der Fische, und die Fischfutter sollten aus nachhaltigen, lokal bezogenen Materialien (organisch, vegetarisch, Insekten) bestehen. Der Wasserkreislauf sollte weiter geschlossen werden, indem der Fischschlamm zur Wiederverwendung der Nährstoffe im Wasserkreislauf wiederverwendet wird oder indem Rotwürmer und/oder Insekten auf Pflanzenresten aufgezogen und diese als Fischfutter verwendet werden, wobei der restliche Fischschlamm und die Pflanzenabfälle kompostiert werden. Ziel ist es, ein Null-AbfallKonzept auf der Farm zu erreichen, um den Umwelt-Fussabdruck der Aquaponik zu reduzieren. Studien über Treibhausgasemissionen könnten dieses Bild vervollständigen. Schliesslich sollte die Möglichkeit des Einsatzes neuartiger Organismen (z.B. Wasserpflanzen, Meeresfische, Algen und Seegräser, Krustentiere usw.) weiter untersucht werden, um den ökologischen Kreislauf zu erweitern. Neue Aquakultur- und Pflanzenprodukte könnten auch Auswirkungen auf die wirtschaftliche Tragfähigkeit der Technologie haben, wie im folgenden Abschnitt erörtert wird. 1.6.3 Sozio-ökonomische Forschung Gegenwärtig ist die Aquaponik ein kleiner, aber aufstrebender Unternehmenssektor, der immer mehr Kapital anzieht. Obwohl die Nahrungsmittelproduktion das grundlegende Ziel des Betriebs ist, wird sie oft mit Besichtigungen und Bildung kombiniert, um die Rentabilität zu verbessern. Aufgrund ihres relativ neuartigen technologischen Querschnittsansatzes hat die Aquaponik innerhalb der bestehenden Regelungen in Europa keinen klaren rechtlichen Status (Joly et al. 2015). Während in den USA die Aquaponikprodukte als biologisch zertifiziert werden können, ist dies in Europa derzeit nicht möglich, da es sich um eine bodenlose Pflanzenproduktion handelt und die Fischbesatzraten hoch sind. Trotz des Potenzials, das die Aquaponik-Technologie für die gesellschaftliche Akzeptanz mit sich bringt, gibt es immer noch offene Fragen. Nur wenige Studien haben sich mit der gesellschaftlichen Akzeptanz befasst. Faktoren wie das Wissen, die Werte und die Überzeugungen der Verbraucher müssen alle in unterschiedlichen kulturellen und marktwirtschaftlichen Umfeldern verstanden werden. Wie wir oben gezeigt haben, ist die Aquaponik ein prominentes Thema in den sozialen Medien, aber über das Wissen 28 und Verhalten der Verbraucher ist wenig bekannt. Generell wissen wir nicht genug darüber, wie die Nachhaltigkeitsvorteile der Aquaponik im Vergleich zur Produktqualität wie Geschmack, Frische, Gesundheit und Preis den Verbrauchern vermittelt werden sollen (Newman et al. 2014). Bislang konzentrierte sich die meiste Forschung im Bereich der Aquaponik auf die Entwicklung funktioneller Einrichtungen. Eine Möglichkeit, die Rentabilität zu verbessern, könnte die Verbesserung der Effizienz sein. Die effiziente Nutzung alternativer Energiequellen, von Wasser und die Wiederverwertung organischer Abwässer spart Produktionskosten ein, muss aber vor dem Hintergrund höherer Investitionskosten bewertet werden. Um die kommerzielle Produktion zu steigern, müssen auch neuartige Geschäftsmodelle in Bezug auf die aufkommenden Ideen der zirkulären und lokalen Wirtschaft entwickelt werden, doch das Management von Schnittstellen erhöht die Komplexität. Hier müssen Fragen der Rahmenbedingungen für die Betriebskosten, der lokalen Logistik und der Determinanten des Gemüse- und Fischeinkaufsverhaltens behandelt werden. Neben der technologischen Effizienzsteigerung gibt es auch Fragen des Betriebsmanagements, und es könnte interessant sein, neue transportsensitive Sorten zu erforschen, um einen ausreichend hohen Marktpreis zu erzielen, indem ein Preiswettbewerb mit dem spezialisierten Gartenbau vermieden wird. Die Kombination einer neuen Technologie mit neuen Produkten erhöht jedoch auch die unternehmerische Unsicherheit. Aquaponik ist besonders nützlich für Pädagogen: selbst ein kleines Klassenzimmersystem bietet eine breite Palette von Möglichkeiten für den Unterricht auf verschiedenen Bildungsebenen, von der Grundschule bis zur Universität (siehe Kapitel 15). Die Aquaponik kann leicht in alle MINT-Fächer (Naturwissenschaften, Ingenieurwesen, Mathematik und Technik) integriert werden, um nicht nur biologische und ökologische Grundprinzipien, sondern auch Chemie, Physik und Mathematik zu demonstrieren. Eine Vielzahl von Kompetenzen und Fähigkeiten können durch den Betrieb von Aquaponiksystemen erworben werden, wie z.B. grundlegende Laborkenntnisse, Teamarbeit, Umweltethik, um nur einige zu nennen. Die hier skizzierte Breite der sozio-ökonomischen Aspekte zeigt, dass die Aquaponik nur durch eine breite Zusammenarbeit mehrerer zusätzlicher Schlüsselakteure über die Natur- und Ingenieurwissenschaften hinaus gedeihen wird. Dazu könnten zum Beispiel (i) Designer und Architekten gehören, die ästhetisch ansprechende Entwürfe liefern; (ii) Sozialwissenschaftler, die helfen, die Wahrnehmung und Akzeptanz von Aquaponik in einem breiteren Publikum zu verstehen; und (iii) Gesundheits- und Ernährungswissenschaftler, die untersuchen, wie Aquaponik-Produkte als gesunde und nachhaltig produzierte Lebensmittel in die Ernährung aufgenommen werden könnten. Rückkopplungsschleifen zu den Systementwicklern und Pflanzen- und Fischphysiologen müssen ebenfalls entwickelt werden, um die Systeme im Hinblick auf die Verbrauchernachfrage, die Nachhaltigkeit und den Nährwert der Produkte zu verbessern. 1.7 Referenzen Bittsanszky, A., Uzinger, N., Gyulai, G., Mathis, A., Junge, R., Villarroel, M., Kotzen, B. & Komives, T. 2016a. Nutrient supply of plants in aquaponic systems. Ecocycles 2 (2), 17-20. Bittsanszky, A., Gyulai, G., Junge R., Schmautz, Z. & Komives, T. 2016b Plant protection in ecocyclebased agricultural systems: Aquaponics as an example. In Proceedings of the 28th International Plant Protection Congress (IPPC), Berlin, Germany, 24–27 August 2016. Bohl, M. 1977. Some initial aquaculture experiments in recirculating water systems. Aquaculture 11 (4), 323-328. 29 Buhmann, A. K., Waller, U., Wecker, B. & Papenbrock, J. 2015. 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Aufgrund der Überfischung und des daraus resultierenden Rückgangs der Wildfischbestände hat die Aquakultur in den letzten Jahrzehnten immer mehr an Bedeutung gewonnen (Abbildung 1), und könnte in Zukunft noch mehr an Bedeutung gewinnen, da die Wildfischbestände unter dem immensen Druck des Klimawandels stehen (Gibbens 2019). Abbildung 2: Im Jahr 2016 machte die Aquakultur etwa 47% der gesamten weltweiten Fischproduktion aus (FAO 2018) Das Hauptziel jedes Aquakultur-Systems ist die Produktion, die Aufzucht und der Verkauf von Fisch und/oder andere wasserlebende Organismen (z.B. Krebse). Die grundlegende Situation der Fischzucht ist in Abbildung 2 dargestellt. Fische in ihrer aquatischen Umgebung erhalten Futter und Sauerstoff. Ihr Stoffwechsel wandelt diese in Ausscheidungen und CO2 um, welche, wenn sie sich im Wasser anreichern, für die Fische giftig sind. Verschiedene Fischzuchttechnologien bewältigen dieses Problem mit unterschiedlichen Strategien. Abbildung 2: Das Grundprinzip der Aquakultur. Fische, die im Wasser leben, erhalten Futter und Sauerstoff. Ihr Stoffwechsel wandelt diese in Ausscheidungen und CO2 um, die für die Fische giftig sind. Das Wasser wird zu Abwasser 33 Aquakulturanlagen können in vier Grundtypen eingeteilt werden: Fischteiche, Netzgehege, Durchflussund Kreislaufsysteme (Abbildung 3). «Offene» Aquakulturtechniken wie Netzgehege und Durchflusssysteme geben nährstoffreiches Abwasser in die Umwelt ab, was zu Eutrophierung und Sauerstoffmangel in den Gewässern führen kann. In Kreislaufanlagen (recirculating aquaculture system = RAS) wird dieses Abwasser behandelt und innerhalb des Systems wiederverwendet. Das RAS hat mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Aquakulturanlagen: Es ist ein vollständig kontrolliertes System, das weitgehend unabhängig von den örtlichen Bedingungen ist; es hat einen sehr geringen Wasserverbrauch mit geringen Abwasserströmen; und die Produktion kann das ganze Jahr über geplant und gezielt betrieben werden. Es gibt jedoch auch Nachteile, wie z.B. erhebliche Investitions- und Betriebskosten und ein hohes Betriebsrisiko aufgrund der ausfallgefährdeten Technologie. Die Auswahl der Arten fällt aufgrund des hohen wirtschaftlichen Drucks meist auf hochpreisige karnivore Arten, und das System ist völlig abhängig von Zufütterung (mehr Info dazu im Kapitel 4). In diesem Zusammenhang kann die Aquaponik als eine Form der RAS oder als eine Erweiterung der RAS betrachtet werden. Daher wird in diesem Kapitel der Aquakulturteil eines zirkulierenden Aquaponiksystems ausführlicher vorgestellt. Abbildung 3: Die wichtigsten Arten von Aquakulturanlagen 2.2 Technologie des Aquakultur-Kreislaufsysteme (RAS) Ein Aquakultur-Kreislaufsystem (recirculating aquaculture system, RAS) besteht aus Fischtanks und mehreren Filtereinheiten, die das Wasser reinigen. Bei einem klassischen RAS fliesst das Wasser dabei ständig von den Fischbecken durch das Filtersystem und dann zurück zu den Fischbecken (Abbildung 4). Aufgrund des Stoffwechsels der Fische enthält das Wasser, das die Becken verlässt, hohe Konzentrationen an Feststoffen, Nährstoffen und Kohlendioxid, während es im Vergleich zum einströmenden Wasser sauerstoffarm ist. Das Ziel der Filteranlagen ist es, die Konzentrationen von Feststoffen, Nährstoffen, Giftstoffen und Kohlendioxid zu verringern und den Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser zu erhöhen, bevor es in die Fischtanks zurückgeführt wird. Das Filtersystem besteht aus mehreren Stufen (Abbildung 4). Die erste Behandlungsstufe nach dem Abfluss ist die Feststoffabtrennung (Abbildung 4, Punkt 2), bei der die Feststoffe (Futterreste, Kot - und 34 Bakterienansammlungen) aus dem Wasser entfernt werden. Danach wird das Wasser mit UV desinfiziert (Abbildung 4, Punkt 6). Dieser Schritt wird in Fischzuchtanlagen nicht immer durchgeführt und kann auch nach dem Biofilter platziert werden. Das Wasser gelangt dann in den Biofilter (Abbildung 4, Punkt 3), wo Bakterien einen Teil der organischen Bestandteile verstoffwechseln und Ammoniak zu Nitrit und dann zu Nitrat oxidieren. All diese bakteriellen Stoffwechselreaktionen nutzen gelösten Sauerstoff (O2) und geben wie die Fische Kohlendioxid (CO2) an das Wasser ab. Daher muss der CO2-Gehalt im Wasser nach der Biofiltration gesenkt werden. Dies geschieht in der Entgasungseinheit, in der die Wasser-Luft-Fläche vergrössert wird, so dass das CO2 in die Luftphase gelangt (Abbildung 4, Punkt 4). Als letzter Schritt muss die Sauerstoffkonzentration im Wasser auf ein für die Fische geeignetes Niveau erhöht werden. Dies geschieht in der Sauerstoffanreicherungseinheit (Abbildung 4, Punkt 5). In den folgenden Abschnitten werden diese Systemkomponenten näher beschrieben. Abbildung 4: Hauptkomponenten eines Aquakultur-Kreislaufsystems (RAS) 2.2.1 Das Fischbecken Der Fischtank ist der Mastbereich für die Fische und daher ein Kernbestandteil eines RAS. Die "klassischen" Beckenkonstruktionen sind runde Becken und rechteckige Fliesskanäle. Einer der Hauptaspekte, der runde Becken gegenüber quadratischen Becken vorteilhaft macht, ist der Selbstreinigungseffekt, der durch ein kreisförmiges Hydraulikmuster erreicht werden kann (Abbildung 5). Die Strömung in den Fischbecken hat zwei Funktionen: (i) gleichmässige Verteilung des einströmenden Wassers und des Fischfutters; und (ii) Transport von Partikeln in die Mitte des Beckens. Die primäre rotierende Strömung ist die Strömung vom Einlass und dann im Uhrzeigersinn/gegen den Uhrzeigersinn um das Becken herum. Sie transportiert absetzbare Feststoffe zum Boden. Die primäre rotierende Strömung erzeugt eine sekundäre radiale Strömung und zusammen erzeugen sie ein selbstreinigendes Becken. 35 Abbildung 5: Rolle der primären und sekundären Strömungsmuster: Der Primärstrom sorgt für eine gute Wasserverteilung des Zulaufwassers und der Sekundärstrom trägt zur effektiven Entfernung von Feststoffen bei (adaptiert nach Timmons et al. 1999) Obwohl runde Tanks zahlreiche Vorteile gegenüber eckigen Tanks haben, macht ihr Hauptnachteil (geringe Flächeneffizienz) sie oft zu einer suboptimalen Lösung für einen RAS-Betrieb. Daher wurden in den letzten Jahrzehnten zahlreiche andere Tankformen entwickelt und getestet (weitere Einzelheiten werden in Kapitel 12 vorgestellt). Seitdem RAS an Popularität gewonnen hat und diese Systeme auch als gross angelegte Unternehmungen geplant sind (z.B. Nordic Aquafarms plant die Investition in eine 500 Millionen USD RAS-Farm in Belfast, Maine, USA), haben grosse Tankkonstruktionen zunehmend an Bedeutung gewonnen. Diese grossen Tanks sind oft (zumindest theoretisch) viel kosteneffizienter als die traditionellen kleineren Tanks (Abbildung 6). Die Strömungsbedingungen haben einen wichtigen Einfluss auf die Gesundheit der Fische. Mit Hilfe von Paneelen kann man verschiedene Wasserströmungen herstellen und so die Becken hydraulisch strukturieren. Auf diese Weise bleiben die Fische im optimalen Teil des Beckens (Abbildung 7). Abbildung 6: Ein grosses rundes Becken (6 m tief, 32,5 m Durchmesser) als Teil eines Lachs-RAS (Swiss alpine Fish AG) 36 Abbildung 7: Speziell für die Lachszucht entwickelter Fliesskanal, Swiss Alpine Fish AG, Lostallo, Schweiz Es ist wichtig zu wissen, dass Schwimmer schwimmen müssen, mit anderen Worten, sie brauchen eine Strömung. Die Geschwindigkeit der Strömung muss an die Fischart angepasst werden. Im Allgemeinen benötigen kleinere Fische eine geringere Strömungsgeschwindigkeit, die jedoch hoch genug sein muss, um sicherzustellen, dass die Feststoffabscheidung noch funktioniert. All dies wirkt sich auch auf die Qualität des Fischfleischs aus. 2.2.2 Feststoffabscheidung Es gibt mehrere Gründe für die Entfernung von Feststoffen. Zum einen wird die Wasserqualität durch die Reduzierung der organischen Feststoffe verbessert, was die Mineralisierung (aerobe Atmung!) reduziert und somit auch zur Stabilisierung des Sauerstoffgehaltes beiträgt. Zweitens kommt die Erhaltung der Wasserqualität auch der Futteraufnahme und der Bestandskontrolle zugute. Darüber hinaus wird durch die Feststoffentfernung auch die bakterielle Belastung reduziert, da die Nahrungsquelle für Mikroorganismen entfernt wird. Eine hohe Bakterienaktivität in der Wassersäule führt zu einem unnötigen Verbrauch von Sauerstoff. Ein weiterer Vorteil der Feststoffentfernung ist die Verhinderung der Verstopfung der Fischkiemen, die zu einem langsamen Wachstum oder sogar zum Fischsterben führen kann. Dies hängt jedoch von der Fischart ab. Filtrierende Fische sind, wie viele Karpfenarten, in ihrem natürlichen Lebensraum sogar auf eine bestimmte Menge an suspendierten Verbindungen angewiesen und können daher auch eine höhere Menge an suspendierten Feststoffen in der RAS vertragen als, zum Beispiel, Salmoniden. (Avnimelech 2014). Einer der wichtigsten technischen Gründe, warum Feststoffe entfernt werden müssen, ist die mögliche Verstopfung des Biofilters (vgl. Kapitel 9). Darüber hinaus wird die Wirksamkeit der Keimreduzierung durch Desinfektion (vgl. Kapitel 9) durch die Entfernung von Feststoffen erhöht. Die Feststoffe im Fischwasser haben unterschiedliche Grössen, und die Behandlungen zur Entfernung dieser Feststoffe variieren meist je nach ihrer Grösse (Abbildung 8). Die Abwasserbehandlung und Schlammentsorgung sind wichtiger Kostenfaktor der intensiven RAS. Eine RAS erfordert 300-1000 l Wasseraustausch und produziert 100-200 g Trockengewicht Schlamm für jedes kg produziertem Fisch. Um die Abwassermenge zu minimieren, ist es möglich, das Schlammwasser, das bei der Feststoffabtrennung entsteht, zu behandeln. Auf diese Weise kann auch mit einem Low-Tech-Filtrationssystem eine deutliche Reduzierung der endgültigen Abwassermenge erreicht werden. Weitere Einzelheiten zu den verschiedenen Systemen zur Feststoffabtrennung werden in Kapitel 12 vorgestellt. 37 Fakultative Reinigung Hauptreinigung Vorreinigung (fakultativ) Grober Filter Kartuschenfilter Sedimentation Rohrabsetzer, Vortex Microfilter Granular Filter Flotation 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Zu behandelnde oder zu entfernende Partikelgröße [μm] Abbildung 8: Verfahren zur Entfernung von Feststoffen und der Partikelgrössenbereich (in μm), wo die Verfahren am effektivsten sind (nachgezeichnet nach Timmons and Ebeling 2007) 2.2.3 Desinfektion Sowohl bakterielle als auch virale Erkrankungen können bei intensiver RAS ernsthafte Probleme verursachen. Die Desinfektion des Wassers mit Ozon oder UV-Bestrahlung sind die häufigsten Desinfektionsmethoden. UV-Licht (Abbildung 9) mit einer bestimmten Intensität kann die DNA von Bioorganismen wie Krankheitserregern und Einzellern zerstören. Beim RAS wird das UV-Licht meist in einem kurzen Rohrstück zwischen der mechanischen Filtereinheit (z.B. Trommelfilter) und dem Biofilter eingeschlossen. Die Intensität oder Dosis des UV-Lichts kann in µWs/cm2 (Energie pro Fläche) angegeben werden. Im RAS liegt die UV-Dosis, die zur Abtötung (Deaktivierung) von etwa 90% der Organismen benötigt wird, zwischen 2’000-10’000 µWs/cm2. Zur Abtötung aller Pilze und kleinen Parasiten kann jedoch eine Dosis von bis zu 200’000 µWs/cm2 erforderlich sein. Für eine maximale Effizienz ist es wichtig, das UV-Licht nach dem mechanischen Filtersystem zu platzieren, damit es nicht durch die suspendierten Feststoffe blockiert wird. Abbildung 9: UV-Reaktor (AKR UV Systems) 38 Die Zugabe von Ozon (O3) ist eine weitere effiziente Methode zur Reduzierung von Krankheitserregern und anderen unerwünschten Organismen in einem RAS. Bei Kontakt mit Wasser spaltet es sich in O2 und ein freies Sauerstoffradikal O. Dieses Radikal "greift" organische Substanzen an und oxidiert sie. Dies führt zum Abbau von Schwebeteilchen oder einigen Substanzen (Klärung der Wassertrübung, Farbbildung durch Huminsäuren). Ebenso werden auch die biologischen Zellwände der Organismen durch das Sauerstoffradikal angegriffen, wodurch Bakterien, Schwebe- und Fadenalgen abgetötet werden. Ozon ist jedoch sehr reaktiv und kann auch die nitrifizierenden Bakterien im Biofilter schädigen und die Fischkiemen angreifen, wenn es in zu grossen Mengen angewendet wird. Die Dosierung muss daher ständig überwacht werden. Chemische Mittel können gelegentlich verwendet werden, um die Keimkonzentration im Wasser zu verringern. Sehr häufig wird Wasserstoffperoxid (H2O2) das manchmal durch Peressigsäure (CH3CO3H) stabilisiert wird, verwendet. Eine Überdosierung kann jedoch schwerwiegende Auswirkungen auf die Fischgesundheit haben und die Filterbakterien schädigen. Nachteile Vorteile Tabelle 1: Vor- und Nachteile der Desinfektion mit UV, Ozon und Wasserstoffperoxid (H2O2) bei RAS Desinfektionsmittel UV Ozon H2O2 Funktioniert nur lokal im UVSehr wirksam bei der Abtötung Sehr wirksam bei der Abtötung Reaktor unerwünschter Organismen unerwünschter Organismen wie Kann ohne Schaden für die wie Krankheitserreger Krankheitserreger Spaltet komplexe Moleküle in Fische angewendet werden kleine, biologisch abbaubare Einfache Verwaltung Verbindungen auf Günstig Oxidiert Nitrit zu Nitrat Empfindlich gegen Komplizierte Dosierung Begrenzte Anwendung, wie Wassertrübung, unwirksam in Kann Fischen und Biofiltern Desinfektion von leeren Tanks Wasser mit hoher schaden und Geräten oder Senkung des Feststoffbelastung Das Ausschalten des Keimdrucks im Fischbecken. Die Lampen müssen ersetzt Eine Überdosierung kann den Ozonsystems kann zu werden (jedes Jahr) unterschiedlichen Nitritwerten Fischen schweren Schaden Wenn die Bestrahlungsdauer zufügen! führen und die Anzahl der zu kurz ist (d.h. das System hat nitrifizierenden Bakterien im Beschädigt auch den Filter eine zu hohe Durchflussrate), Biofilter verringern. ist die UV-Desinfektion Relativ teuer unwirksam. 2.2.4 Biofiltration Der Nitrifikationsprozess findet im Biofilter statt, um das giftige Ammonium in ebenso giftiges Nitrit und schliesslich in das ungiftige Nitrat zu oxidieren. Die nitrifizierenden Bakterien sind das Herzstück des Biofilters. Diese Bakterien wachsen auf der Oberfläche des Filtermediums. Die Medien können fest (z.B. Tropfkörper) oder beweglich (z.B. Fliessbettfilter) sein. Die nitrifizierenden Bakterien reagieren empfindlich auf Veränderungen der Wasserqualität im System (insbesondere pH-Wert und Temperatur), weshalb schnelle Veränderungen vermieden oder in langsamen Schritten vorgenommen werden sollten, da sonst grosse Mengen nitrifizierender Bakterien absterben können, was zu 39 Ammoniak- und Nitritspitzen im System führen würde. Da die nitrifizierenden Bakterien zudem aerob sind, sollte der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Biofilter immer auf einem bestimmten Schwellenwert gehalten werden (auch in Abhängigkeit von der Wassertemperatur). Die im Biofilter ablaufenden chemischen Reaktionen werden in Kapitel 5 erläutert. Weitere Einzelheiten zur Auswahl der richtigen Biofiltration finden Sie in Kapitel 12. 2.2.5 Entgasung und Belüftung Der Gastransfer zwischen der Flüssig- und der Gasphase findet statt, wenn eine Untersättigung in einer Phase vorliegt. Die Gaslöslichkeit ist abhängig von Druck, Temperatur, Salzgehalt und Gaspartialdruck. Der Transfer findet über die Kontaktflächen zwischen Gas und Flüssigkeit statt. Die Belüftung erhöht den Sauerstoffgehalt im Wasser. Beim Entgasen werden Gase wie z.B. Kohlendioxid aus dem Wasser entfernt. 2.2.5.1 Entgasung Gase, insbesondere Kohlendioxid aus der Atmung der Fische und Bakterien, sammeln sich im Systemwasser an. Diese können schädliche Auswirkungen auf die Fische haben, wenn die Konzentrationen zu hoch werden. Deshalb wird in der Regel eine Entgasungseinheit zur intensiven RAS hinzugefügt. Die Gasabführung (Entgasung) wird durch Vergrösserung der Kontaktfläche zwischen Wasser und Luft erreicht, entweder durch Belüftung der Wassersäule oder durch Berieselung mit Wasser durch die Luft. Verschiedene Biofilter haben bereits eine hohe Entgasungswirkung: In einem Rieselbettfilter passiert das Wasser die Luft, während in einem Bewegtbettfilter die Luft das Wasser durchströmt. Dadurch kann eine zusätzliche Entgasungseinheit überflüssig werden. 2.2.5.2 Sauerstoff-Anreicherung (Oxygenierung) Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff (O2) ist einer der wichtigsten Wasserqualitätsparameter im RAS und oft die erste Einschränkung in Notfallsituationen (z.B. bei Stromausfall, Pumpenausfall etc.). Es gibt zahlreiche Techniken zur Anreicherung von gelöstem Sauerstoff im Wasser. Die Gasaufnahme von Wasser (Belüftung) kann durch folgende Massnahmen verbessert werden: (i) Maximierung der Sauerstoff/Wasser-Kontaktfläche durch Verwendung von Wirbeln oder kleinen Blasen; (ii) Maximierung der Sauerstoff/Wasser-Kontaktzeit durch Verwendung kleiner Blasendurchmesser und/oder durch einen langsamen Wasserfluss; (iii) Erhöhung des Drucks (erhöht die Löslichkeit) Wasserspiegel, Druckbehälter; und (iv) Erhöhung des Partialdrucks von O2 (erhöht die Löslichkeit) reiner Sauerstoff. Hocheffizienter Sauerstoffeintrag Bei der intensiven RAS sind die Sauerstoffanreicherungstechnologien auf die Verwendung von reinem Sauerstoff angewiesen und nicht auf eine einfache Belüftung. Der Sauerstoff wird entweder vor Ort mit einem Sauerstoffgenerator erzeugt oder von einer externen Firma geliefert und in Flüssigsauerstofftanks ausserhalb der Aquakulturanlage gelagert. Sauerstoffzufuhr mit geringem Wirkungsgrad In extensiven Fischteichen ist ein Sauerstoffeintrag mit geringer Effizienz normalerweise ausreichend. Dies wird erreicht, indem (i) das Wasser kühl gehalten wird, da dadurch mehr Sauerstoff aufgelöst 40 wird, und (ii) die Wasserbewegung erhöht wird. Verschiedene Arten der Belüftung können dies unterstützen (siehe Kapitel 12). 2.2.6 Pumpen Eine Pumpe ist für die RAS das, was das Herz für den menschlichen Körper ist. Wenn es versagt, kann das Ergebnis katastrophal sein. Deshalb sollten beim Kauf einer Pumpe keine Kosten gescheut werden. Man kann drehzahlgesteuerte Pumpen verwenden, um den Durchfluss bei Bedarf zu reduzieren. Durch die Verwendung von mehreren parallel eingebauten Pumpen mit Rückschlagventilen kann die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls verringert werden. Vor dem Kauf einer Pumpe sollten die Druckverluste in den Rohren berechnet werden, zum Beispiel mit Hilfe dieses Online-Rechners: http://www.pressure-drop.com/Online-Calculator/. 2.3 Management von Recirculating Aquaculture Systems (RAS) 2.3.1 Besatzdichte Die Besatzdichte ist ein sehr wichtiger Faktor, der bei der Gestaltung eines RAS im Voraus entschieden werden muss. Die Besatzdichte kann auf unterschiedliche Weise definiert werden (Tabelle 2), und es ist wichtig, sich bewusst zu sein, wann und warum unterschiedliche Definitionen verwendet werden. Tabelle 2: Definitionen der Besatzdichte Individuendichte Biomassedichte Pro Fläche (#/m2) Pro Volumen (#/m3) Pro Fläche (kg/m2) Pro Volumen (kg/m3) Unabhängig von Beckentiefe. Für Bodenfische relevant Bei kleinen Fischen oft grösser, obwohl Biomassedichte kleiner ist. Bei grösseren Fischen oft grösser als bei kleineren (Rückenhöhe) Bei frei schwimmenden Arten relevant. Verschiedene Fischarten haben unterschiedliche optimale Besatzdichten. Die Dichte ist ein zentraler Faktor für das Wohlbefinden der Fische, obwohl dabei noch nicht alle biologischen Aspekte klar sind. Es gibt Fischarten, die bei unterschiedlicher Dichte ein unterschiedliches Verhalten zeigen. Zum Beispiel nimmt der Tilapia bei hoher Dichte ein Schwarmverhalten und bei niedriger Dichte ein Territorialverhalten an. Um zu verhindern, dass sich die Fische gegenseitig schädigen, müssen sie daher in einer bestimmten Dichte gehalten werden. Um den Raum effizient zu nutzen und Kannibalismus zu verhindern, sollte ein Fischbecken Fische von ungefähr gleicher Grösse enthalten. Dies bedeutet, dass (a) eine Aquakulturanlage mehrere Becken zur Unterbringung von Fischen verschiedener Grössenklassen haben sollte und (b) dass die Fischpopulation gelegentlich nach Grösse sortiert und in die Becken umverteilt werden muss. Niedrige und hohe Besatzdichten in Aquakulturanlagen haben mehrere Konsequenzen für das Management eines RAS (Tabelle 3). 41 Tabelle 3: Merkmale von Systemen mit hoher und mit niedriger Besatzdichte Einflussfaktor für Anlagen mit gleicher Jahresproduktion Hohe Besatzdichte Tiefe Besatzdichte Änderung Wasserparameter Schnellere Änderung Langsamere Änderung, träge. Reaktionszeit bei z.B. Pumpenausfall Kürzer = Stress für Fische Länger, somit ist der Anlagenbetrieb sicherer. Beckenvolumen für bestimmte Produktionsmenge Weniger Beckenvolumen für selbe Produktionsmenge nötig. Höher, kann mit tiefen Becken teilweise ausgeglichen werden. Beckenkosten und Leitungskosten grösser Benötigte Umwälzleistung absolut für bestimmte Produktionsmenge [m3/h] Identisch Identisch. Durch die Trägheit des Systems gibt es geringere Spitzen = kleinere Komponenten= günstigere Hardware Wasseraufbereitung Umwälzleistung relativ zum Beckenvolumen Hoch Tief Beckendurchmesser Kleinere Becken mit hoher Besatzdichte sind, abhängig von der Fischart, anfälliger auf Stress Längere Fluchtdistanzen von schreckhaften Fischen können mit grossen Becken erreicht werden 2.3.2 Überwachung Die Überwachungsverfahren sollten gemäss den in Abbildung 10 dargestellten Schritten definiert werden. RAS- oder Aquaponische Systeme sind kompliziert und bestehen aus vielen Teilen. Viele Dinge können schief gehen, so dass die Bediener ständig in Alarmbereitschaft bleiben müssen (Tabelle 4, siehe auch Kapitel 9). Funktioniert alles richtig? Ja Nein Alle Komponenten des Systems geprüft Welche Komponenten und welche Reihenfolge geprüft werden sollten? Was könnte schief gehen? Wie kann das Problem gelöst werden? Abbildung 10: Die logischen Schritte bei der Entwicklung eines Überwachungsverfahrens 42 Tabelle 4: Was kann schief gehen? Typ / System Ursachen Ausserhalb Ihrer Kontrolle Überschwemmungen, Tornados, Hurrikane, Wind, Schnee, Eis, Stürme, Stromausfälle, Vandalismus/Diebstahl Fehler des Personals Bedienungsfehler, übersehene Wartungsarbeiten, die zum Ausfall von BackupSystemen oder Systemkomponenten führen, deaktivierte Alarme Wasserstand im Tank Ablassventil offengelassen, Standrohr gefallen oder entfernt, Leck im System, gebrochene Abflussleitung, überlaufender Tank Wasserfluss Ventil geschlossen oder zu weit geöffnet, Pumpenausfall, Verlust der Saughöhe, Ansaugkorb verstopft, Rohrleitung verstopft, Rücklaufleitung bricht Wasserqualität Niedriger gelöster Sauerstoff, hoher CO2-Gehalt, übersättigte Wasserversorgung, hohe oder niedrige Temperatur, hoher Ammoniak-, Nitrit- oder Nitratgehalt, niedrige Alkalinität Filter Kanalisierung/verstopfte Filter, übermässiger Druckverlust Belüftungssystem Überhitzung des Gebläsemotors aufgrund von übermässigem Gegendruck, losem oder gerissenem Antriebsriemen, blockierten oder abgetrennten Diffusoren, Lecks in den Versorgungsleitungen Die oberste Priorität des Systemmanagements ist die Gesundheit der Fische und Pflanzen. Daher sollte die Überwachung nach den "lebenserhaltenden Prioritäten" (Tabelle 5) priorisiert werden. Tabelle 6 listet wichtige Punkte auf, die täglich überwacht werden sollten. Mittel Niedrig Priorität Hoch Tabelle 5: Priorisierung der Überwachung und Reaktion Parameter - Elektrische Leistung - Wasserstand - Gelöster Sauerstoff Reaktionszeit Sehr schnell (Minuten) Alarm erforderlich! - Temperatur Kohlendioxid pH-Wert Mittlere Reaktionszeit (Stunden) - Stickstoff-Verbindungen (Ammoniak, Nitrit, Nitrat) Totale suspendierte Stoffe (TSS) Langsam veränderliche Parameter (tägliche oder wöchentliche Überwachung) - 43 Tabelle 6: Wichtige Aspekte, die täglich überwacht werden sollten Elektrische Leistung Ein- und dreiphasige Versorgung, Systeme individuell über Sicherungen absichern Wasserstand Kulturtank (hoch/niedrig), Zulaufwannen für Pumpen (hoch/niedrig), Filter (hoch/niedrig) Belüftungssystem Druck am Gebläse (hoch/niedrig) Wasserfluss Pumpen, Fischtank, Bewegtbettfilter, Inline-Heizgeräte Temperatur Fischtank (hoch/niedrig), Heiz-/Kühlsysteme (hoch/niedrig) Sicherheit Temperaturmaximum-/Rauchsensoren, Einbruchsalarme 2.3.2.1 Einige Ratschläge zum Systemdesign und zur Sicherheit • Wählen Sie die Sensoren sorgfältig aus, beschriften Sie alles und halten Sie Reserveplätze für weitere Sensoren und Schaltkreise bereit. • Installieren Sie die Sensoren und die Ausrüstung dort, wo sie sichtbar und für Wartung und Kalibrierung leicht zugänglich sind • Denken Sie daran, dass Wasser und Elektrizität eine tödliche Kombination darstellen. Verwenden Sie daher niedrige Signalspannungen (5 VDC, 12 VDC oder 24 VDC oder AC), um sich und die Fische zu schützen • Kennzeichnen Sie die scharf und unscharf geschalteten Modi des Sensors deutlich, vorzugsweise mit LEDs an jeder Station, um den Sensorstatus anzuzeigen. 2.3.2.2 Einige Ratschläge für die Systemwartung • Ein gut vorbereitetes Wartungshandbuch, das für das Personal zugänglich ist • einen wöchentlichen/monatlichen/jährlichen Wartungsplan erstellen und Dateien mit wichtigen Serviceaufzeichnungen und Gerätehandbüchern führen • Tägliche/wöchentliche/monatliche Instrumenten-Checklisten pflegen • Regelmässige (und einige unangekündigte) Systemprüfungen durchführen, einschliesslich der Auslösung jedes Alarms, jeder Schaltung und der Überprüfung der Funktion der automatischen Sicherungssysteme und des Telefonalarms • Schulung des Personals im Umgang mit Routinealarmen • Stellen Sie sicher, dass das Personal mit dem gesamten Betriebssystem, einschliesslich Wasserversorgung, Belüftung und Notfall-Backup-Systemen, vertraut ist. 44 2.3.2.3 Wann ist die Wasserqualität zu überwachen? Die Fische verdauen je nach der Zeit, in der sie gefüttert werden, und die Menge an Kot hängt von der Menge des aufgenommenen Futters ab. So sind die höchsten Ammoniumwerte nach der letzten Fütterung (abends) und die niedrigsten Werte vor der ersten Fütterung (morgens) zu erwarten. Daher müssen Messungen der Wasserqualität am Ende der Fütterung durchgeführt werden, um Ammoniumspitzen aufzufangen (Abbildung 11). 2.3.2.4 Automatisierte Überwachungs- und Steuerungssysteme Die automatisierte Überwachung wird immer erschwinglicher. Es gibt verschiedene Datenerfassungsund Kontrollsysteme für Anwendungen in RAS und/oder Aquaponik, die im Handel erhältlich sind. Ein Überwachungssystem umfasst (i) Sensoren zur Messung der gewünschten Variablen, (ii) eine Schnittstelle zur Umwandlung der elektrischen Information in eine von einem Computer oder Mikroprozessor lesbare Form, (iii) einen Computer, (iv) Software zum Betrieb des Systems und (v) Anzeigen. Es ist wichtig, die Komponenten aufeinander abzustimmen, damit das Überwachungssystem funktioniert. Eine der wichtigsten Funktionen eines Überwachungssystems ist es, den Systembetreiber bei Störungen und Problemen zu alarmieren. Wenn kritische Variablen als ausserhalb der akzeptablen Grenzen empfunden werden, müssen Alarme gesendet werden. Es ist wichtig, das Überwachungs- und Alarmsystem so zu entwerfen und zu testen, dass nicht zu oft Fehlalarme gesendet werden. Zu häufige Fehlalarme machen es unwahrscheinlicher, dass der/die Bediener reagieren (Timmons et al. 1999). Alarme müssen so konstruiert und betrieben werden, dass die betreffenden Personen alarmiert werden. Optische und akustische Alarme können in Schlüsselbereichen innerhalb einer Einrichtung platziert werden, um die Mitarbeiter auf Probleme aufmerksam zu machen. Ausserhalb der normalen Arbeitszeiten müssen Fernalarme (in der Regel über SMS-Nachrichten) eingesetzt werden. Abbildung 11: Täglicher Zeitverlauf der NH4-N-Konzentrationen im RAS-Wasser. Blau = vor Biofilter; grau = nach Biofilter; gelb = Differenz zwischen blau und grau 45 2.4 Planung des Aquakultur-Kreislaufteils für ein Aquaponiksystem Bei der Aquaponik ist es sehr wichtig, dass der Nährstoffein- und -austrag über die gesamte Wachstumsperiode der Pflanze im Gleichgewicht ist. Dieses Gleichgewicht lässt sich hauptsächlich durch zwei verschiedene Ansätze steuern: • Ansatz 1: Ein bestehendes Aquakultur-Kreislaufsystem (RAS) wird zur Dimensionierung der entsprechenden Hydrokulturanlage mit Pflanzen verwendet (Abbildung 12). Dieser Ansatz wurde in der Übung in Modul 5 (Nährstoff-Wasserbilanz) behandelt. • Ansatz 2: Das RAS wird auf der Grundlage der gewünschten Anlage und Fischproduktion dimensioniert (Abbildung 13). Dies wird in der Übung in Modul 2 behandelt. Das Ziel der Dimensionierung des RAS-Teils eines Aquaponiksystems ist es, die verschiedenen Wasseraufbereitungsstufen so anzupassen, dass sowohl eine gute Wasserqualität für die Fische als auch eine ausreichende Nährstoffversorgung für die Pflanzen erreicht wird. Dabei ist es immer von Vorteil, wenn das System möglichst unbeeinflusst von jahreszeitlichen Schwankungen (Temperatur, gelöster Sauerstoff, Ammonium, Nitrit und Nitrat) ist. Generell kann man sagen, dass ein grosses Wasservolumen und niedrige Besatzdichten die Systeme stabiler machen. Es ist wichtig, dass das ganze Jahr geplant wird und dass die Unterschiede bei den Fisch- und Pflanzenarten sowie die Wachstumsstadien aller Arten berücksichtigt werden. Zur Unterstützung dieser Planung wird empfohlen, die "Planungsgrundlage für die Dimensionierung des Kreislauf-Aquakulturteils eines Aquaponic-Systemmodells" zu verwenden (Tschudi 2018). Abbildung 12: Dimensionierung der Pflanzennährstoffaufnahme auf der Grundlage bestehender RASDimensionen 46 Abbildung 13: Anlagen- und Fischproduktion und entsprechende Dimensionierung des RAS 2.5 Referenzen Avnimelech, Y. 2014. Biofloc Technology – A Practical Guide Book (3rd edition). The World Aquaculture Society, Baton Rouge. FAO 2018. The State of World Fisheries and Aquaculture 2018 - Meeting the sustainable development goals. Rome. Licence: CC BY-NC-SA 3.0 IGO. Gibbens, S. 2019. Climate change is depleting our essential fisheries. National Geographic online. Retrieved 15. February 2019. Somerville et al. 2014. Introduction to aquaponics. In Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli, A. Small-scale Aquaponic Food Production: Integrated Fish and Plant Farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, pp. 1-10. Timmons, M.B. & Ebeling, J.M. 2007. Recirculating Systems. Northeastern Regional Aquaculture Center, Ithaca, NY. Timmons, M.B., Riley, J., Brune, D., and Lekang, O.-I. 1999. Facilities Design. In CIGR–The International Commission of Agricultural Engineering (eds.) CIGR Handbook of Agricultural Engineering Volume II: Animal Production & Aquacultural Engineering. American Society of Agricultural Engineers, USA. pp 245-280. Tschudi, F. 2018. Planning basis for dimensioning the aquaculture part of an aquaponic system. Wädenswil: Zurich University of Applied Sciences, Research Group Aquaculture Systems, unpublished. 47 3. ANATOMIE, GESUNDHEIT UND WOHL DER FISCHE 3.1 Allgemeine äussere Anatomie In diesem Abschnitt stellen wir einige wichtige anatomische Merkmale von Fischen vor und stellen sie in Beziehung zu Funktion und Physiologie zu. Es gibt mehr als 20’000 Arten von Süsswasser- und Meeresfischen auf unserem Planeten, jede mit spezifischen Anforderungen und ökologischen Nischen, was zu spezifischen Körperanpassungen geführt hat. Viele Fische, insbesondere Knochenfische mit beweglichem Vorkiefer (Teleostei), haben jedoch einige gemeinsame Merkmale. Obwohl die Zahl der in der Aquakultur verwendeten Arten wahrscheinlich über 200 liegt, ist die Zahl der in der Aquaponik verwendeten Arten geringer und meist auf Süsswasserfische beschränkt (Tabelle 1). Tabelle 1: Zusammenfassung der in der Aquaponik verwendeten Fischarten, einschliesslich der in zwei internationalen Erhebungen über Aquaponikbetreiber genannten Fischarten (Love et al. 2014; Villarroel et al. 2016) Allgemeiner Name Art Familie Ordnung Tilapia Oreochromis niloticus Cichlidae Cichliformes Pangasius Pangasius pangasius Pangasiidae Siluriformes Karpfen Cyprinus carpio Cyprinidae Cypriniformes Regenbogenforelle Oncorhynchus mykiss Salmonidae Salmoniformes Felsenbarsch Morone saxatilis Moronidae (Wolfsbarsche) Perciformes Barsch Sander lucioperca Percidae Perciformes Blauer Sonnenbarsch Lepomis macrochirus Centrarchidae Perciformes Die meisten Fische folgen einem anatomischen Grundriss (Abbildung 1). In der Längsrichtung betrachtet gibt es drei Hauptregionen des Körpers: den Kopf, die Rumpfregion und den Schwanz (Canada Department of Fisheries and Oceans 2004). Im Hinblick auf mögliche Anomalien neigen Tierärzte dazu, sich auf Probleme im Zusammenhang mit den Augen, Flossen und der Haut zu konzentrieren. Abgesehen davon gibt es andere Teile der äusseren Anatomie, die für indirekte Messungen des Wohlbefindens der Fische, der Fischqualität und der Gesundheitsprobleme wichtig sind, und man sollte in der Lage sein, diese zu lokalisieren. Bei der Blutentnahme wird beispielsweise in der Regel eine Nadel unter die Seitenlinie im Schwanzbereich gespritzt, um die Schwanzvene zu finden. Zur Kennzeichnung von Individuen werden normalerweise passive integrierte TransponderTags (PIT-Tags) in den Muskel unter der Rückenflosse injiziert. Einige andere Plastikfarben können auf oder in der Nähe von Mund und Augen gespritzt werden, aber jede Art von Aussenanhängern verursacht oft Probleme, da sie die sehr empfindliche Haut beeinträchtigen und Infektionen verursachen können. Nicht zuletzt können Grundkenntnisse einiger artspezifischer Anatomie auch dazu beitragen, Fischbetrug beim kommerziellen Kauf zu vermeiden. 48 Abbildung 1: Grundlegende äussere Anatomie eines Fisches (aus http://anatomyhumanbody.us) 3.1.1 Augen und Nase Im Gegensatz zu einigen Zeichentrickfiguren haben echte Fische keine Augenlider, sie haben also keine Möglichkeit, ihre Augen zu "schliessen". So sind ihre Augen nicht nur jederzeit in direktem Kontakt mit dem umgebenden Wasser, was die Bedeutung für die Wasserqualität verdeutlicht, sondern sie sind auch ziemlich lichtempfindlich. Deshalb meiden viele Fische die direkte Sonneneinstrahlung und versammeln sich an schattigen Plätzen. Der mexikanische Höhlenfisch (Astyanax mexicanus) ist ein Beispiel für einen Blindfisch, aber die meisten Fische, die in der Aquaponik verwendet werden, können sehr gut sehen. Zu Lebzeiten wird die bilaterale Exophthalmie (die Ausstülpung beider Augen aus den Augenhöhlen) häufig als allgemeiner Indikator für eine Infektion verwendet. Eine einseitige Exophthalmie ist wahrscheinlich die Folge einer Prellung. Nach der Schlachtung wird das Weiss des Auges als Qualitätsindikator verwendet (siehe Verordnung (EG) Nr. 2406/96 des Rates). Ein hochwertiger Fisch hat zum Beispiel ein konvexes Auge mit einer schwarzen und glänzenden Pupille, während Fische mit einem konkaven Auge, grauer Pupille und einer "milchigen" Hornhaut zurückgegeben werden sollten. In der Nähe der Augen befinden sich zwei kleine Öffnungen (Nasen), die zu einem Bereich mit Geruchssensoren führen, der bei vielen Fischen recht empfindlich sein kann. Beispielsweise nutzen Salmoniden ihre Geruchssensoren während der Wanderung, um zu ihren ursprünglichen Brutgebieten zurückzukehren. Technisch gesehen muss, um etwas riechen zu können, während die Fische schwimmen eine Strömung in und aus den Nasenöffnungen hergestellt werden, aber im Gegensatz zu den Säugetieren führen die Löcher nicht in die Kehle. 3.1.2 Opercula und Kiemen Das Operculum ist eine knöcherne Hülle, die die Kiemen, die Lungen der Fische, abschirmt, die den eher begrenzten Vorrat an im Wasser gelöstem Sauerstoff einfangen. Die Häufigkeit, mit der sich die Operkula über einen bestimmten Zeitraum hinweg öffnen und schliessen, kann dazu verwendet werden, um zu überprüfen, ob die Fische richtig atmen oder möglicherweise übermässig gestresst sind. Bei betäubten oder toten Fischen "schauen die Tierärzte oft unter die Klappe", indem sie die Kiemen anheben, um die Kiemen zu untersuchen, die leuchtend rot und feucht und nicht mit Schleim bedeckt, weiss oder stinkend sein sollten. Die externe Beobachtung der Kiemen kann auch Aufschluss über mögliche bakterielle oder parasitäre Infektionen geben. Im Vergleich zu Säugetieren sind die 49 Kiemen also eher ein äusseres als ein inneres Organ, was erneut die Bedeutung der Wasserqualität (z.B. richtiger pH-Wert des Wassers) zum Schutz dieses empfindlichen und wichtigen Organs unterstreicht. Schliesslich sind die Kiemen neben der Sauerstoffaufnahme und der CO2 Freisetzung ein wichtiger Auslass für stickstoffhaltige Abfälle (Abbildung 2). Hoar & Randall (1984) berechneten, dass mehr als 80% des Ammoniaks (NH3) über die Kiemen ausgeschieden werden, während nur Spurenmengen als Urin ausgeschieden werden. Abbildung 2: Die Kiemen arbeiten nach dem Gegenstromprinzip: Wasser und Blut fliessen in entgegengesetzter Richtung. Dadurch kann der O2-Gehalt im Blut auf die gleiche Konzentration wie im umgebenden Wasser steigen (Quelle https://338373gasexchange.weebly.com/fish.html) 3.1.3 Haut Die Haut ist eines der wichtigsten Organe der Fische. Sie besteht aus drei grundlegenden Komponenten: der Dermis (innere Schicht), der Epidermis (äussere Schicht) und den Schuppen. Die Schuppen sind in die Dermis eingebettet, die für die Farbgebung verantwortlich ist. Der Schleim wird von der Epidermis gebildet und hilft, die Zellen zu schützen. Es hat antimykotische und antibakterielle Eigenschaften und spielt eine Rolle bei der Immunfunktion (Wainwright & Lauder 2017). Jede Art von Hautverletzung oder Schuppenverlust kann schwerwiegende Folgen für Fische haben, da die Heilung in einer wässrigen Umgebung lange dauern kann und Wunden sich mit Wasser vollsaugen können. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie versuchen, einen Papierschnitt an Ihrem Finger zu heilen, indem Sie ihn eine Woche lang in ein Glas Wasser tauchen. Der gesamte Heilungsprozess würde viel länger dauern und Sie wären stärker bakteriellen Infektionen ausgesetzt. Aus all diesen Gründen ist es eine gute Idee, beim Umgang mit lebenden Fischen Plastikhandschuhe zu verwenden, um ihre Haut nicht zu beschädigen. 50 Die Seitenlinie ist Teil des Hautorgans und besteht aus perforierten Schuppen mit Cilien (oder Flimmerhaare: härchenartige feine Plasmafortsätze von etwa 0,2 μm Durchmesser und 10 μm Länge, die primär der Bewegungserzeugung dienen), die mit dem Nervensystem verbunden sind und Informationen über die Wasserbewegung um den Fisch und den Druck (ein Sinnesorgan, das bei Säugetieren nicht vorkommt) liefern. Dies ermöglicht es den Fischen, nachts zu jagen oder sich in sehr undurchsichtigem Wasser zu bewegen, indem sie die Vibrationen um sie herum wahrnehmen. Die Seitenlinie hat auch kulinarische Bedeutung, da ein Schnitt entlang dieser Linie bei gekochtem Fisch den oberen, fleischigen Teil vom unteren, viszeralen Teil trennt. Schliesslich haben einige neuere Studien die Hautfarbe mit der Persönlichkeit des Fisches in Verbindung gebracht. Beispielsweise ist die Farbe der Dermis im Rückenbereich des Lachses (zwischen Rückenflosse und Kopf) dunkler oder weist bei aggressiveren Fischen mehr dunkle Flecken auf (Castanheira et al., 2017). 3.1.4 Flossen Die Flossen können als indirekte Indikatoren für die Gesundheit und das Wohlergehen der Fische verwendet werden. Wir wollen ein Ausfransen der Flossen (wenn sich die Haut zwischen den Strahlen löst), Flossenerosion (weisse Färbung an den Flossenspitzen), Nekrose (abgestorbene Zellen an den Flossen) oder verfärbte Stellen vermeiden, wobei letztere auf das Vorhandensein von Parasiten hinweisen können. Rückenflosse Normalerweise haben Fische eine Rückenflosse, aber sie können auch zwei haben (eine nach der anderen, wie beim Wolfsbarsch). Die Rückenflosse wird meist dazu verwendet, den Fisch in einer aufrechten Position zu halten. Sie wird durch Strahlen unterstützt, die oft erektil sind, damit die Fische sie je nach Signalanforderungen "öffnen oder schliessen" können. Tilapia hat eine grosse Rückenflosse mit spitzen Strahlen, die leicht unschuldige Hände schneiden kann, die sie aus dem Wasser greifen wollen. Die Anzahl der Strahlen pro Flosse kann auch zur Identifizierung der Fischarten verwendet werden. Zum Beispiel haben Regenbogenforellen zwischen 10-12 Strahlen auf ihrer Rückenflosse, während Bachforellen (die normalerweise nicht in Aquaponik gezüchtet werden) etwa 13-14 Strahlen haben. Fettflosse Es handelt sich um eine ziemlich kurze und fette Flosse, die bei Lachsen häufig vorkommt, deren Funktion aber unklar ist. Sie ist voller Fett und scheint sensorische Neuronen zu haben. Manchmal wird sie bei Zuchtlachsen abgeschnitten, um sie von Wildlachsen zu unterscheiden, aber Reimchen & Temple (2004) fanden heraus, dass Fische ohne Fettflosse eine höhere Schwanzschlagamplitude haben, was darauf hinweist, dass sie eine Rolle im natürlichen Schwimmverhalten spielt und dass das Abschneiden wahrscheinlich eine negative Auswirkung auf das Wohlbefinden hat. 51 Schwanzflosse Dies ist die grösste und kräftigste Flosse und ist direkt mit der Wirbelsäule verbunden. Sie wird verwendet, um den Fisch nach vorne zu schieben. Wie der Schwanz von Ferkeln kann er auch von anderen Fischen angeknabbert oder durch Reiben an verschiedenen Oberflächen erodiert werden. Der Schwanz ist auch für Messzwecke wichtig (Abbildung 3). Abgesehen vom Wiegen der Fische messen Aquakulturisten oft die Standardlänge (vom Maul bis zum Schwanzansatz) und die Gabellänge (vom Maul bis zur Gabel an der Schwanzspitze). Afterflosse Diese Flosse befindet sich hinter dem Anus und der Urogenitalporen auf der ventralen Seite des Fisches. Manchmal auch als Kloakenflosse bezeichnet, ist es auch wichtig, Fische beim Schwimmen zu stabilisieren, damit sie nicht auf die Seite rollen. Brust- und Bauchflossen In der Nähe des Operculums haben Fische Brustflossen, die in etwa den Armen von Landsäugetieren entsprechen, und darunter die Bauch- oder Beckenflossen, die in etwa den "Beinen" entsprechen. Bei einigen Fischen, im Allgemeinen denjenigen, die als "weniger entwickelt" gelten (d.h. die sich im Laufe der Zeit im Vergleich zu ihren Vorfahren weniger stark verändert haben), wie z.B. bei den Lachsen, liegen die Bauchflossen weiter unten in der Stammregion, während sie bei moderneren Fischen (wie z.B. Tilapia) näher beieinander liegen. Die Brustflossen helfen den Fischen, sich auf und ab zu bewegen, während die Bauchflossen wichtiger sind, um die Bewegung zu stoppen. Abbildung 3: Angaben bei Fischlängenmessungen. Für Standard-Gewichtsgleichungen wird die Gesamtlänge verwendet (Quelle: Abgeändert von https://artsdatabanken.no/Pages/F32936). 52 3.2 Allgemeine innere Anatomie 3.2.1 Gehirn Fische haben im Vergleich zu den terrestrischen Wirbeltieren kleine Gehirne. Das menschliche Gehirn wiegt beispielsweise etwa 1.4 kg und macht etwa 2 % der gesamten Körpermasse aus, während das Gehirn von Fischen nur 0.15 % ihrer Körpermasse ausmacht. Dennoch sind Fischgehirne im Gegensatz zu vielen Wirbeltieren recht anpassungsfähig und behalten die Fähigkeit zu Wachstum und Veränderung während des gesamten Lebens bei (sie behalten die Fähigkeit, neue Neuronen zu produzieren; Zupanc 2009). Fischgehirne haben drei Hauptregionen: das Vorderhirn (mit den Riechlappen und dem Telenzephalon), das Mittelhirn (optische Lappen) und das Hinterhirn (Kleinhirn). Fische haben keinen Neokortex, was nach Ansicht einiger Wissenschaftler notwendig ist, um sich des Schmerzes voll bewusst zu sein, aber es gibt andere wichtige Strukturen, die darauf hindeuten, dass sie Schmerzen empfinden können, wie die Amygdala, das Kleinhirn und das Pallium (äussere Schicht des Telencephalons; weitere Informationen siehe Braithwaite 2010). Abbildung 4: Allgemeine innere Anatomie der Fische (Quelle: http://www.vaz.ch/wissen/fischkunde/anatomie/index.html) 3.2.2 Herz Das Herz befindet sich direkt unter den Kiemen. Wie das Gehirn ist es ziemlich klein und relativ einfach im Vergleich zu den terrestrischen Wirbeltieren, die normalerweise nur wenige Gramm wiegen. Es hat die kontraktile Fähigkeit, Blut aus dem Körper zu sammeln und in einem Ein-Schleifen-System zu den Kiemen zu schicken, was weiter unten im Abschnitt über die Atmung kommentiert wird. Es handelt sich um einen einfachen Kreislauf mit einem Vorhof, einem Ventrikel und einem Konus, der direkt zu 53 den Kiemen führt. Es gibt keinen doppelten Kreislauf wie bei Säugetieren, bei denen das in die Lungen gesendete Blut zum Herzen zurückkehrt, um wieder in den Körper gepumpt zu werden. Bei Fischen "pumpen" die Kiemen das Blut in den Körper, ohne es zum Herzen zurückzuschicken. 3.2.3 Das Verdauungssystem Der allgemeine Aufbau des Verdauungssystems bei Fischen ist ähnlich wie bei anderen Wirbeltieren, mit Mund, Speiseröhre, Magen, Dünndarm, Dickdarm und Anus. Es gibt jedoch kaum eine Abgrenzung zwischen den verschiedenen Abschnitten des Dünndarms, noch gibt es eine Ileozäkalklappe (lat. Valva ileocaecalis), die den Dünndarm vom Dickdarm trennt. Fleischfressende Fische (wie Lachs) haben einen einfachen und kurzen Magen und einen kürzeren Darm als Pflanzenfresser (wie Karpfen oder Schleie), denen möglicherweise ein Magen fehlt und die einen längeren Darm mit mehr Pylorus caeca haben. Die Caeca sind Ableitungen des Verdauungstrakts, die dazu beitragen, die Gesamtoberfläche für die Verdauung zu vergrössern und essentielle Nährstoffe aufzunehmen. 3.2.4 Bauchfett Ein wichtiger Unterschied zwischen Wild- und Zuchtfischen ist die Menge an Bauchfett, die sich in letzterem ansammelt. Beispielsweise reichert Seebrasse aus der Aquakultur in der Regel mehr viszerales Fett an als wilde Seebrasse, während Fische, die länger gefastet werden, weniger Fett haben als Fische, die weniger Zeit gefastet haben (Mozanzadeh et al. 2017). 3.2.5 Milz Die Milz ist normalerweise ein dunkelrotes, kreisförmiges Organ, das mit dem Darm verbunden ist. Es hilft bei der Reinigung des Blutes, enthält weisse Blutkörperchen und ist ein wichtiger Teil des Immunsystems. 3.2.6 Leber und Gallenblase Die Leber ist ziemlich gross und rötlich, und Anfänger verwechseln sie manchmal mit dem Herzen. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Entgiftung aller organischen oder anorganischen Verunreinigungen, die in der Nahrung oder im Wasser gefunden werden, sowie bei der Beteiligung an der Proteinsynthese und der Fett- und Glykogenspeicherung. Unterhalb der Leber befindet sich die gelblich-grüne Gallenblase. Die meisten Fische haben keine unterscheidbare Bauchspeicheldrüse, sondern Brockmannsche Körper, eine Ansammlung von endokrinen Zellen, die entlang des Verdauungstrakts gefunden werden und Insulin produzieren können. 3.2.7 Schwimmblase Dieses Organ ist einzigartig für Fische. Sie kann gefüllt oder geleert werden, um den Auftrieb zu kontrollieren, und beeinflusst somit die zum Schwimmen benötigte Energiemenge. Es kann auch zum Erzeugen oder Empfangen von Tönen verwendet werden. Fische können entweder physostomisch (wie Forellen) sein, die ihre Schwimmblase über eine pneumatische Leitung, die mit dem Darm verbunden ist, füllen können, oder physoklistoid (wie Barsche), die keine direkte Verbindung zwischen der Speiseröhre und dem Eintritt in die Schwimmblase haben, so dass diese mit Hilfe einer Gasdrüse 54 gefüllt werden muss. Physostomische Fische sind besser auf plötzliche Änderungen der Wasserhöhe vorbereitet, während dies bei physoklistoiden Arten länger dauert. Bei allen Fischen ist es wichtig, die Schwimmblase in einem frühen Entwicklungsstadium mit Luft zu füllen, um ein korrektes Wachstum zu gewährleisten und Wirbelsäulendeformationen zu vermeiden (Davidson et al. 2011). 3.2.8 Nieren Die Nieren sind paarweise angeordnete Organe, die recht lang und schmal sind und dorsal zur Schwimmblase liegen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Homöostase des Blutes (d.h. bei der Aufrechterhaltung eines angemessenen Niveaus gelöster Ionen), was ihre beträchtliche Grösse erklärt. Wie bei Säugetieren werden sie zur "Reinigung" des Blutes benötigt, was besonders in einem wässrigen Medium wichtig ist, in dem die Konzentration verschiedener Ionen kontinuierlich überwacht werden muss. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass Fische aus Süss- und Salzwasser entgegengesetzte Methoden zur Aufrechterhaltung eines angemessenen Elektrolytniveaus im Blut angenommen haben. Süsswasserfische haben eine höhere Konzentration oder Ionen im Blut als im umgebenden Wasser. Daher müssen die Kiemen und Nieren dieser Fische aufgrund der Osmose arbeiten, um zu vermeiden, dass sie zu viel Wasser (H2O) aufnehmen und zu viele Ionen verlieren (sie trinken wenig und 'urinieren' viel). Im Salzwasser geschieht das Gegenteil: Fische trinken/nehmen mehr Wasser und urinieren wenig, da die Ionenkonzentration in ihrem Blut niedriger ist als die des umgebenden Wassers. In Aquaponik-Anlagen sollte darauf geachtet werden, dass die Nährlösung für die Pflanzen keine negativen Auswirkungen auf die Fische durch unangemessene Ionenwerte hat. Am Ende der Niere befindet sich eine Blase zur Speicherung des Urins, die jedoch im Vergleich zu Säugetieren sehr klein ist, vor allem, weil im Vergleich dazu nur wenig Urin produziert wird (wie bereits erwähnt, wird ein Grossteil der stickstoffhaltigen Abfälle über die Kiemen ausgeschieden). 3.2.9 Hoden und Eierstöcke Die meisten Fische, die in der Aquaponik verwendet werden, werden als Nahrungsmittel verwendet und werden nicht geschlechtsreif (die Zuchtfische werden in einer separaten Anlage gehalten). Es ist jedoch nützlich zu wissen, dass die sexuellen Fortpflanzungsorgane von Fischen intern sind und sich tief im Inneren der dorsalen Region des Fisches in der Nähe der Kopfniere zu entwickeln beginnen. Mit zunehmender Reife der Fische wachsen die Keimdrüsen in Richtung der Urogenitalpore in der Nähe des Afters drastisch an. Während der Zuchtsaison werden Samen oder Eier zur externen Befruchtung ausgestossen. 3.3 Atmungsphysiologie Die Luft, die wir atmen, besteht hauptsächlich aus Stickstoff (78%) und 21% Sauerstoff. Das Wasser, das die Fische "atmen", enthält ebenfalls Sauerstoff, jedoch in einer viel geringeren Konzentration von weniger als 1%. Da Wasser zudem 840 Mal dichter und 60 Mal zäher als Luft ist, ist es für Fische anstrengender, zu "atmen", um Sauerstoff zu gewinnen, etwa 10% ihrer Stoffwechselenergie. Im Vergleich dazu verwenden Landtiere nur etwa 2% ihrer Stoffwechselenergie, um Sauerstoff aus der Luft zu gewinnen. Zum Beispiel müssen Regenbogenforellen etwa 600 ml Wasser pro Minute und pro kg Gewicht an ihren Kiemen vorbeibewegen, während terrestrische Reptilien wie Schildkröten im Vergleich dazu nur 50 ml Luft pro Minute und 1 kg bewegen müssen. Obwohl die Kiemen von Fischen 55 recht effizient sind, kann es daher schwierig und manchmal lebensbedrohlich sein, genügend Sauerstoff aus dem umgebenden Wasser zu gewinnen. Fische fangen Sauerstoff mit Hilfe ihrer Kiemen ein, die in direktem Kontakt mit dem umgebenden Wasser stehen und dadurch sehr anfällig für Parasiten und bakterielle Infektionen sind. Die Gesamtoberfläche der Kiemen ist etwa 10-mal so gross wie die Oberfläche des gesamten Körpers. Kiemen sind auch wichtig beim Ionenaustausch (Aufrechterhaltung des Säure-Base-Gleichgewichts) und bei der Beseitigung von Abfällen, wie z.B. Ammoniak. So urinieren Fische im Wesentlichen über ihre Kiemen und atmen auch durch diese. Um Sauerstoff zu erhalten, wird Wasser in die Mundhöhle gesaugt und dann der Mund geschlossen, um das Wasser durch die beiden Opercula herauszudrücken. Diese Pumpbewegung erzeugt einen unidirektionalen Wasserfluss, im Gegensatz zum Ein- und Ausatmen durch dieselbe Öffnung bei Landsäugetieren. Einige Fische, wie z.B. Haie, können ihr Maul beim Schwimmen offenhalten, was anscheinend genug Wasser über die Kiemen fliessen lässt, um normal zu atmen. Wenn Ihre Becken es erlauben, können Sie versuchen, die Herzfrequenz Ihrer Fische indirekt zu messen, indem Sie die Frequenz der Operkula zählen - die Zeiten, die die Operkula während einer Minute öffnen und schliessen. Diese Messung kann als indirekter Indikator für das Wohlergehen der Tiere verwendet werden, da gestresste Fische eine erhöhte Operkularfrequenz haben. Die meisten Fische haben vier Kiemenbögen auf jeder Seite ihres Körpers (Abbildung 2). Jeder Bogen besteht aus einem Knochenstab, der von oben nach unten (ventral-dorsal) verläuft und aus dem die V-förmigen Primärfilamente nach hinten austreten. Die Primärfilamente oder Primärlamellen sind rot, da sie voller Blut sind. Jede primäre Lamelle hat sekundäre Lamellen, die sie senkrecht überqueren und einzelne Blutkörperchen tragen, um den Gasaustausch zu erleichtern (CO2 freisetzen und O2 über das Hämoglobin in den roten Blutkörperchen einfangen). Der Blutfluss läuft dem Wasserfluss entgegen, was seine Effizienz erhöht. Darüber hinaus können Fische den Satz von Primärfilamenten öffnen oder schliessen, um mehr Sekundärlamellen dem Wasser auszusetzen, wodurch sie effektiv tiefer atmen können. Nach dem Auffüllen mit Sauerstoff bewegen sich die Blutzellen weiterhin über die Arterien durch den Körper. 3.4 Wohlbefinden der Fische 3.4.1 Einführung Die Aquakultur ist eine der wenigen Arten der Tierzucht, die in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich gewachsen ist, international um etwa 10% jährlich (Moffitt & Cajas-Cano 2014). Mit zunehmender Produktionssteigerung und neuen Methoden, wie z.B. der Aquaponik, wurden wir jedoch Zeuge von mehr Problemen im Zusammenhang mit der Gesundheit und dem Wohlergehen der Fische. Auch wenn es überraschend erscheint, wurden seit 1990 mehr als 1300 wissenschaftliche Artikel zum Thema Fischgesundheit veröffentlicht (siehe Tabelle 2). Nicht alle diese Studien befassen sich mit kommerziell produzierten Arten, aber im Allgemeinen ist die Zahl für alle Fische vergleichbar mit oder höher als bei einigen anderen Arten wie Schafen, Pferden oder Geflügel. 56 Tabelle 2: Zusammenfassung der Veröffentlichungen zum Thema Tierschutz für verschiedene Arten von Nutztieren (basierend auf einer Suche im Web of Science für die Jahre 1990-2017) Art Artikel Fisch Forelle Schafe Rinder Schwein Pferd Geflügel 1295 550 1149 2417 2638 926 1078 Eine der ersten wissenschaftlichen Übersichten über das Wohlergehen von Fischen wurde von Conte (2004) von der Universität von Kalifornien in Davis erstellt, einige Jahre später folgten zwei Gruppen aus dem Vereinigten Königreich (Huntingford et al. 2006 und Ashley 2007). In seinem Bericht betont Conte (2004), dass die Fischzüchter bereits wissen, dass das Wohlergehen der Tiere wichtig ist und dass der Stress minimiert werden muss, da die Fische besondere Anforderungen an die Handhabung und die Umwelt stellen, ausserhalb derer sie nicht gedeihen oder überleben können. Das heisst, Fische sind im Vergleich zu Landtieren anspruchsvoller in Bezug auf die Wachstumsbedingungen und können leicht gestresst werden, so dass sie auch leicht sterben können. Huntingford et al. (2006) fassen die Hauptargumente für den Glauben zusammen, dass Fische Schmerzen empfinden können. Fische sind komplexe Wesen, die ein ausgeklügeltes Verhalten entwickeln, so dass die Autoren glauben, dass sie wahrscheinlich leiden können, auch wenn es in Grad und Art anders sein kann als beim Menschen. Bei dieser Überprüfung wurden schliesslich vier kritische Hauptbereiche für das Wohlergehen der Fische ermittelt: Es wird sichergestellt, dass die Fische nicht ohne Wasser oder Futter gehalten werden; es wird sichergestellt, dass die Erzeuger für eine gute Wasserqualität und Ausrüstung sorgen; dass ihre Bewegungen oder ihr Verhalten nicht eingeschränkt werden; und dass geistiges und körperliches Leiden vermieden wird. In seinem Rückblick beginnt Ashley (2007) mit einer Beschreibung der Branche und der kritischen Punkte, die das Wohlergehen der Fische beeinträchtigen können, einschliesslich der Fischdichte in den Käfigen und der Probleme mit der Aggression. Einige Arten, wie z.B. Tilapia, sind beispielsweise aggressiver, wenn sie bei niedriger Dichte gehalten werden, als bei höherer Dichte. Wichtig ist, dass Ashley (2007) eine 7-seitige Tabelle mit den wichtigsten Problemen beim Wohlergehen von Fischen liefert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es eine Menge wissenschaftliche Literatur über das Wohlergehen von Fischen gibt und mehrere kritische Bereiche identifiziert wurden. Was die Aquaponik betrifft, so gibt es nur sehr wenige Studien über das Wohlergehen von Fischen, die zusammen mit Pflanzen gezüchtet werden, aber wir können von anderen Studien über das Wohlergehen von Fischen lernen, die in kleinen Kreislaufsystemen gehalten werden. 3.4.2 Die Gesetzgebung in der EU In Europa muss jedes Tier, das zu landwirtschaftlichen Zwecken gehalten wird, die Richtlinie 98/58/EG erfüllen, ein Gesetz, das mehrere Mindestbedingungen für einen angemessenen Tierschutz für Wirbeltiere festlegt. Obwohl Fische technisch in dieser Richtlinie enthalten sind, sind sie aufgrund 57 unserer mangelnden Kenntnisse über das Wohlergehen der Fische praktisch ausgenommen, so dass es keine spezifischen Anforderungen an die Mindestbedingungen für Fische in der Aquakultur gibt. Seit 2006 wurden in Europa mehrere Berichte veröffentlicht, z.B. vom Europäischen Rat der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA), die wissenschaftliche Empfehlungen für die am häufigsten in der Aquakultur verwendeten Arten geben. Insgesamt scheint zumindest in Europa allgemeine Übereinstimmung darüber zu herrschen, dass Fische bei geringem Sauerstoffgehalt und wenn sie aus dem Wasser genommen werden, Stress ausgesetzt sind und dass chronischer Stress bei Fischen das Immunsystem beeinträchtigt und sie anfälliger für Krankheiten machen kann. 3.4.3 Spezifische Massnahmen zur Bewertung des Wohlergehens Studien zum Wohlbefinden von Fischen begannen später als für andere Nutztierarten, zum Teil, weil die Aquakultur eine jüngere Tierproduktionswissenschaft ist, und auch, weil vielen unklar war, ob Fische Schmerzen empfinden können. Bis vor kurzem wurden Fische nicht als empfindliche Tiere angesehen, aber diese Situation hat sich geändert. Sneddon (2003) war einer der ersten, der nachweisen konnte, dass Forellen Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren) im Gesicht und im Kiefer haben. Sie bewiesen, dass diese Rezeptoren auf Reize reagieren, die potenziell schädlich sind und Nervensignale an das Rückenmark und das Gehirn senden. Darüber hinaus scheinen sich die Forellen der Schmerzen bewusst zu sein, da sie bei der Verabreichung einer schädlichen Substanz ein komplexes Verhalten ändern, aber bei der Verabreichung von Morphium (das die Schmerzen im Wesentlichen beseitigt) zum normalen Verhalten zurückkehren. Diese Befunde wurden auch bei anderen Arten wie Goldfischen bestätigt, bei denen die Angst und Furcht abnimmt, wenn man ihnen Morphium (Nordgrün) et al. 2009 verabreicht. Andererseits argumentieren andere Wissenschaftler wie Rose (2002), dass Fische keine Schmerzen wie Menschen empfinden können, da ihnen ein Neokortex fehlt. Daher sind sie sich wahrscheinlich nicht in gleicher Weise ihrer Schmerzen bewusst wie wir, obwohl sie auf Schmerzen in ähnlicher Weise reagieren. Wie dem auch sei, beide Seiten sind sich einig, dass Fische gestresst sein können und dass sie eine komplexe physiologische Reaktion auf Stressoren entwickelt haben. Dawkins weist auch darauf hin, dass sich jeder um das Wohlergehen der Tiere kümmern sollte, ob er sich dessen bewusst ist oder nicht, einfach weil ein schlechter Tierschutz zu kranken und ungesunden Fischen führt, was negative Auswirkungen auf Landwirte und Verbraucher hat (Dawkins 2017). 3.4.4 Die HPI-Achse und die Stressreaktion Die Kaskade neuroendokriner Aktivitäten, die bei Fischen freigesetzt werden, nachdem sie auf einen Stressor aufmerksam geworden sind, sind den Reaktionen, die bei anderen Wirbeltieren beobachtet werden, sehr ähnlich. Wie bei Säugetieren wird die unmittelbare neuroendokrine Reaktion als primäre Reaktion bezeichnet und besteht aus Nervensignalen, die Adrenalin und Noradrenalin aus den Chromaffinzellen (an der Kopfniere) freisetzen, deren Äquivalent bei Säugetieren das Nebennierenmark ist (Abbildung 5). Nach der primären Reaktion gibt es eine langsamere sekundäre Reaktion, die 2-15 Minuten dauert, um die Hypothalamus-Hypophysen-Interrenal-Achse, oder HPI Achse zu aktivieren (Sumpter et al. 1991) (diese wird bei Säugetieren als Hypothalamo-HypophysenNebennieren-Achse oder HPA bezeichnet. Der Hypothalamus produziert Corticotropin-Releasing-Hormon (CRH), das die Produktion von adrenocorticotropem Hormon (ACTH) durch die vordere Hypophyse, auch Adenohypophyse genannt, 58 stimuliert. ACTH wird in den Blutkreislauf freigesetzt und simuliert die Produktion von Cortisol durch das Nebennierengewebe (auch mit den Nieren bei Fischen assoziiert), was der Nebennierenrinde bei Säugetieren entspricht (Okawara et al. 1992). Die sekundäre Reaktion umfasst eine Erhöhung der Herzfrequenz, eine grössere Sauerstoffaufnahme durch die Kiemen und eine Erhöhung der Glukosekonzentration im Plasma durch Glukogenolyse (Pickering & Pottinger 1995). Sowohl das primäre als auch das sekundäre Reaktionssystem tragen zur Aufrechterhaltung der Homöostase nach einem Stress bei, indem sie dem Gehirn Energie und erhöhten Sauerstoffgehalt zuführen, so dass sich der Körper anpassen und zur normalen Stoffwechselfunktion zurückkehren kann. Obwohl es keine einfache Beziehung zwischen Stress und Wohlbefinden gibt, wissen wir, dass sie miteinander verbunden sind und dass die Reaktion auf einen Stressor dazu dienen kann, eine Vorstellung über den Grad der Herausforderung zu vermitteln. Vor diesem Hintergrund ist es immer vorzuziehen, mehrere Indikatoren gleichzeitig zu berücksichtigen, darunter Wachstumsindizes, die Reaktion des Immunsystems und andere physiologische Indikatoren. Abbildung 5: Die HPI-Achse bei Fischen und die Kaskade der Reaktionen auf einen Stressor (CRH = Corticotropin freisetzendes Hormon, ACTH = adrenocorticotropes Hormon) (Quelle Villarroel M). 3.4.5 Operative Indikatoren des Wohlbefindens Ein neuer Ansatz zur Analyse von Fischen wurde in der Praxis wurde in Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern, die den Tierschutz untersuchen, und Unternehmen, die sich um mehr Effizienz bemühen, entwickelt. Gemeinsam entwickeln sie operative Wohlfahrtsindikatoren (OWI). Ein gutes Beispiel für Lachs ist das von Noble et al. (2018) vorgestellte Handbuch, das den Züchtern erklärt, wie sie auf kommerzieller Ebene die unmittelbare Umgebung, verschiedene Fischgruppen und einzelne Fische bewerten können. Wie bereits erwähnt, wurden viele wissenschaftliche Artikel über das Wohlergehen von Fischen veröffentlicht, von denen die meisten auf Beobachtungen aus dem Labor basieren. OWI sind praktische Indikatoren, die auf dem Bauernhof verwendet werden und leicht erklärt und wiederholt werden können. Die OWI lassen sich in zwei grosse Gruppen einteilen: die eher umweltbezogenen und die fischbezogenen. Letzteres kann auf Gruppen von Fischen oder einzeln angewendet werden. Schliesslich können einzelne Indikatoren auch Laboranalysen umfassen, die per 59 se weniger operativ sind, aber kurzfristig nützliche Informationen liefern können (siehe Abbildung 6). Das OWI kann eine Vorstellung vom aktuellen Stand der Produktion im Hinblick auf die Bedürfnisse der Fische und ihr Wohlergehen vermitteln. Parallel dazu können sie dazu dienen, bewährte Verfahren zu entwickeln und kritische Punkte zu identifizieren, die sich negativ auswirken können. Abbildung 6: Zusammenfassung der in Fischzuchtbetrieben verwendeten Betriebsindikatoren, einschliesslich der Indikatoren, die je nach Umgebung und Tier variieren. Die tierbasierten Indikatoren können auf Gruppen von Fischen oder auf Einzelpersonen basieren, und individuelle Indikatoren können Laboranalysen umfassen. Im Allgemeinen verwenden Aquakulturbetriebe die Fütterung als indirekten Indikator für das Wohlergehen. Das heisst, man nähert sich dem Aquarium und versorgt es mit Futter, und die Fische reagieren, indem sie an die Oberfläche gehen und fressen, was ein gutes Zeichen ist. Wenn die Fische nicht zum Fressen kommen, haben sie aus irgendeinem Grund ihren Appetit verloren und es werden weitere Informationen benötigt. Obwohl es viele Geräte gibt, die man kaufen kann, um Fische automatisch zu füttern, ist es empfehlenswert, die Fische mindestens einmal täglich von Hand zu füttern, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie es ihnen geht. Wenn die Fische nicht fressen, wirkt sich das auf ihre Gewichtszunahme aus, die ebenfalls relativ leicht zu messen ist. Ein weiterer, in Fischzuchtbetrieben üblicher Betriebsindikator ist der Konditionsfaktor: 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑜𝑜 = 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐾𝐾𝐾𝐾𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿ℎ𝐾𝐾 [𝐿𝐿] 𝐺𝐺𝐾𝐾𝐿𝐿𝐿𝐿𝑙𝑙𝑙𝑙ä𝐾𝐾𝐿𝐿𝐿𝐿 3 [𝐿𝐿𝑐𝑐3 ] Konditionsfaktor zeigt den Ernährungszustand an Bavčević et al. 2010 und gibt einen Hinweis auf die Menge an intraperitonealem Fett. Der hepatosomatische Index (HSI) ist definiert als das Verhältnis zwischen dem Gewicht der Leber und dem Lebendgewicht. Während der Fastenzeit wird der Energiebedarf vor allem durch die Mobilisierung von Glykogenreserven aus der Leber gedeckt, während die Fettreserven in den ersten Tagen mehr oder weniger unberührt bleiben (Peres et al. 2014). So kann die HSI zur Anzeige von Energiereserven verwendet werden, da die Leber ein wichtiger Regulator der Nährstoffverwendung bei Fischen ist (Christiansen & Klungsøyr 1987). 60 3.5 Referenzen Ashley, P.J. 2007. 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Die richtige Fütterung hängt von der Entwicklung von Qualitätsfuttermitteln und von der Wahl geeigneter Methoden zur Verteilung des Futters an die Fische in den Becken ab. Abgesehen von der Beeinflussung des Wachstums kann die Fütterung auch die Gesundheit und das Wohlergehen der Fische beeinflussen, was wiederum davon abhängt, wie viel wir über die Anforderungen der einzelnen Arten wissen. Jede Art hat ihre eigene natürliche Geschichte und definierte Wachstumsphasen, die verstanden werden sollten, um eine optimale Versorgung zu gewährleisten. Die für die Aquaponik in Frage kommenden Fischarten (siehe Kapitel 3, Tabelle 1) besetzen in ihrem natürlichen Lebensraum definierte ökologische Nischen. Aus diesem Grund müssen wir angemessene Bedingungen für eine angemessene Entwicklung schaffen, einschliesslich der Lebensverhältnisse, was bedeutet, dass die richtige Temperatur, der Salzgehalt, die Wasserqualität und die Geschwindigkeit des Wasserflusses festgelegt werden müssen. Normalerweise sind die anspruchsvollsten Phasen die Aufrechterhaltung der Züchtgruppe und die Befruchtung/Bebrütung der Eizellen/Eier. Die Aquaponikproduktion befasst sich normalerweise mit späteren Stadien, die normalerweise als "OnGrowing" bezeichnet werden. Mit zunehmender Grösse der Aquakultur und der Aquakulturfarmen wird es immer komplexer, eine grosse Anzahl von Produktionsphasen in derselben Anlage aufrechtzuerhalten, so dass sich die Unternehmen auf eine oder zwei Stufen wie die Zucht oder die Aufzucht spezialisieren. Im Falle der Aquaponik, bei der die Fische in Kreislauf-Aquakulturanlagen (RAS) gehalten werden, verwenden wir normalerweise Jungfische, die zu ausgewachsenen Tieren heranwachsen, um den Fischproduktionsteil des Systems möglichst mit nur einer oder zwei Phasen zu vereinfachen. Generell unterscheidet sich die Fütterung in der Aquakultur in einigen grundlegenden Aspekten von der der Landsäugetiere. Die Tiere an Land füttern normalerweise sich selbst mit so genannten AdLibitum-Futtersystemen (jedes Tier kann wählen, wann es sich dem Fütterer nähert und wie viel es zu einer bestimmten Tageszeit fressen möchte). In diesem Fall ist es für den Landwirt relativ einfach, die tatsächlich aufgenommene Menge zu erkennen. Im Falle der Aquakultur und der Aquaponik können Fische auch Selbstfütterungsgeräte verwenden, aber es ist viel schwieriger zu beurteilen, wie viel Futter sie tatsächlich verbrauchen. Die Gefahr besteht darin, dass jedes Futteranteil, das ins Wasser fällt und nicht aufgenommen wird, zu Abfall wird, der das System "verschmutzt". Es müssen daher Anstrengungen unternommen werden, um das zu verteilende Futter und die genaue Ration, die die Fische benötigen, abzuschätzen. Eine Möglichkeit dies zu tun besteht darin, das Futter von Hand über die gesamte Wasseroberfläche portionsweise zu verteilen, das Verhalten der Fische zu beobachten, bis sie gesättigt zu sein scheinen, und dann die Fütterung zu stoppen. Da die Fische unter Wasser fressen, ist es nicht einfach zu wissen, wann sie aufhören zu fressen oder wie viel sie gefressen haben, oder auch, ob einige Fische mehr gefressen haben als andere. Je mehr wir über eine Art wissen, desto mehr wissen wir über ihre Ernährungsgewohnheiten. Beispielsweise Nil-Tilapia: in der freien Natur sind die Jungfische 63 Allesfresser, und fressen sowohl Zooplankton als auch Phytoplankton, während sie mit zunehmendem Alter (> 6 cm Länge) pflanzenfressender werden (FAO 2018). Forellen hingegen sind während ihres gesamten Lebens überwiegend Fleischfresser, die sich fast ausschliesslich von Insekten und kleineren Fischen, die sie jagen, ernähren. In jedem Fall sind die Wahrnehmung und das Wissen der Personen, die für die Fütterung zuständig sind, sehr wichtig, insbesondere wenn die Fütterung manuell erfolgt. Weitere Informationen über die Fressgewohnheiten der verschiedenen Arten finden Sie im Informationssystem für Futter- und Düngemittelressourcen in der Aquakultur, das von der Ernährungsund Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO 2018) betrieben wird. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Futterautomaten. Hier könnten wir uns auf technologische Entwicklungen wie Unterwasserkameras verlassen, um zu erkennen, wann die Fische nicht mehr fressen. Das gesamte Futter, das in den Tank gelangt, wird Teil des Systems, unabhängig davon, ob es gegessen wird oder nicht. In der Tat ist das Fischfutter das wichtigste externe Input eines jeden Aquaponiksystems und sollte sorgfältig kontrolliert werden. Nicht gefressenes Futter bleibt im Tank und verursacht zwei Probleme, eines im Zusammenhang mit den Kosten und ein anderes im Zusammenhang mit der Beseitigung. Diese beiden Probleme sind der Grund, warum Aquakultursysteme sorgfältig gestaltet und geplant werden müssen. Die Hydraulik des Systems sollte die Beseitigung des ungefressenen Futters erleichtern. Manchmal sind die Tanks so geformt, dass der untere Teil schmaler als der obere ist, was eine Wirbelbewegung oder Strömung erleichtert, so dass sich Fäkalien auf dem Boden absetzen und effizient entfernt werden können. Ist die Konstruktion mangelhaft, wird die Reinigung komplexer und die Fische können durch die Häufigkeit der Wartungsroutinen gestört werden. Jede Verschlechterung der Sauberkeit in den Becken hat unmittelbare Auswirkungen auf das Wohlergehen der Fische und auf die Rentabilität des Betriebs. Selbst wenn wir also die Ernährungsbedürfnisse der Fischarten kennen, wird es bei einer schlecht konzipierten Anlage schwierig sein, angemessene Anforderungen an das Wohlergehen der Fische zu stellen, und das Futter wird verschwendet. 4.2 Energiebedarf Wie alle lebenden Tiere benötigen Fische Energie, und diese Energie wird durch die Oxidation der organischen Bestandteile im Futter bereitgestellt. Fische benötigen Energie für ihre täglichen Aktivitäten wie Atmen und Schwimmen sowie für die Umwandlung, Wiederherstellung und das Wachstum ihres Körpergewebes. Der Energiebedarf der Fische hängt von ihrem physiologischen Zustand und von den Umweltbedingungen ab. Im Allgemeinen nutzen Fische die aufgenommene Energie im Vergleich zu Landsäugetieren effizienter, und zwar aus folgenden Gründen: 1. Wassertiere sind Poikilotherme, d.h. ihre Körpertemperatur entspricht der des umgebenden Wassers, so dass sie keine Energie aufwenden müssen, um ihren Körper zu erwärmen oder auf einer konstanten Temperatur zu halten, wie es bei Landtieren der Fall ist; 2. Da sie im Wasser leben, benötigen Fische weder ein starkes Körperskelett, um ihr Gewicht unter dem vollen Druck der Schwerkraft zu tragen, wie es bei Landtieren der Fall ist, noch benötigen sie die kostspieligen Stoffwechselprozesse, die zur Erhaltung dieses Skeletts erforderlich sind; 64 3. Stickstoffhaltige Abfälle in Fischen werden als Ammoniak direkt aus den Kiemen eliminiert, was weniger Energie verbraucht als die Herstellung von Harnstoff oder Harnsäure und deren anschliessende Eliminierung, wie dies bei Säugetieren und Vögeln der Fall ist. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Nährstoff- und Energiebilanz von Fischen. Wenn wir davon ausgehen, dass es das gesamte zur Verfügung gestellte Futter aufgenommen hat, wird die Energie in unterschiedlichen Anteilen auf verschiedene physiologische Prozesse verteilt. Wenn Fische unter Stressbedingungen (schlechte Beleuchtung, geringe Wasserqualität, unzureichende Besatzdichte) gehalten werden, unter denen sie zwar überleben, sich aber nicht wohlfühlen, werden etwa 40% der Futterenergie verbraucht, nur um den Stress zu bewältigen, und nur 30% bleiben für das Wachstum übrig. Andererseits werden Fische unter optimalen Bedingungen bis zu 40% für ihr Wachstum benötigen. Natürlich hängt die Wirtschaftlichkeit eines Aquaponik-Systems von der optimalen Nutzung der bereitgestellten Energie ab. Wir müssen dafür sorgen, dass Fische das gesamte Futter aufnehmen, und wir müssen für optimale Haltungsbedingungen sorgen, damit sie nicht übermässig gestresst werden. Abbildung 1: Nährstoff- und Energiebilanz für Fische, die in Kreislaufsystemen gehalten werden 4.3 Hauptwechselwirkungen Umweltfaktoren zwischen Nahrungsaufnahme und Wie oben festgestellt, sollten wir in der Lage sein, jede Art entsprechend ihren Bedürfnissen unterzubringen. Dazu benötigen wir, bevor wir mit der Aufzucht der Fische oder der Installation beginnen, ein fundiertes Wissen über die Arten, mit denen wir arbeiten werden. Sobald wir diese Informationen haben, sollten wir in der Lage sein, die angemessenen Haltungsbedingungen in unserem Aquakultur- oder aber Aquaponik-System aufrechtzuerhalten. 4.3.1 Abiotische Faktoren Die wichtigsten zu berücksichtigenden Umweltaspekte, die sich direkt auf die Produktion auswirken, sind die folgenden: 1. Physikalisch-chemische Parameter Aquakulturaktivität selbst sind: des 65 Quellwassers, die unabhängig von der a. b. c. d. Wassertemperatur, die alle Stoffwechselvorgänge reguliert Salzgehalt bzw. die Leitfähigkeit des Wassers Trübung und die Gesamtschwebstoffe Alle potenziell toxischen Verbindungen im Quellwasser. Die anfängliche Qualität des Wassers ist einer der grundlegenden Erfolgsfaktoren der Installation 2. Physikalisch-chemische Parameter des Beckenwassers: a. Gelöste Gase: allen voran Sauerstoff, der kontinuierlich überwacht werden sollte und von den Fischen für ihre normale Funktion benötigt wird. Parallel dazu wird durch die Atmung der Fische Kohlendioxid erzeugt, und es sind andere Gase im Kreislauf vorhanden, wie z.B. Stickstoffgas (der bei der Übersättigung des gepumpten Wassers entstehen kann), oder Schwefelwasserstoff oder Methan aus der anaeroben Zersetzung von Sedimenten. b. Gelöste Mikro- oder Makronährstoffe, die mit dem Futter in Verbindung stehen, darunter mehrere für die Entwicklung der Fische lebenswichtige Elemente wie Phosphor, Eisen und insbesondere die vom Fisch ausgeschiedenen stickstoffhaltigen Substanzen. 4.3.2 Biotische Faktoren Die verschiedenen Fischarten sind hinsichtlich ihrer sozialen Bedürfnisse, wie etwa der Besatzdichte, ausserordentlich vielfältig. Historisch gesehen sind Fische, die für die Aquakultur ausgewählt wurden, unter verschiedenen Bedingungen robust, was die Wahl eines angemessenen Managements erleichtert. Dazu gehört auch die Durchführung der täglichen Aufgaben in der Farm, ohne dass es zu vielen gesundheitlichen Komplikationen bei den Fischen kommt. Dies gilt auch für die Aquaponik, bei der der für seine Widerstandsfähigkeit bekannte Tilapia der beliebteste Fisch ist. Am Anfang mussten wir jedoch wilde Arten domestizieren, die normalerweise schwierig zu bewirtschaften, zu reproduzieren und zu züchten waren, aber einen hohen wirtschaftlichen Wert hatten. Dieser hohe Wert deckte die Kosten für die Produktion empfindlicher Arten. Ein klares Beispiel ist die Regenbogenforelle, die anfangs eine sehr komplexe Art war, die schwer zu produzieren und zu bewirtschaften war, auch dies heute relativ einfach erscheint. Jedes schlechte Management und jede unangemessene Bewegung der Fische führten zu Stress und sogar zum Schuppenverlust, was zu Infektionen führte, die Krankheiten und andere häufige Probleme von Fischen, auslösten oder begünstigten. Beispiele für Arten, die derzeit domestiziert werden und in der Aquakultur noch nicht ihr volles Potenzial erreicht haben, sind die Trüsche oder Quappe (Lota lota) und die Äsche (Thymallus thymallus). Die technologische Entwicklung und das angesammelte Wissen haben die Techniken, die bei den Routinearbeiten in den Zuchtbetrieben eingesetzt werden, wie z.B. Probenahmen, Fischzählungen, Bewegungsbedingungen der Fische usw., drastisch verbessert. Zu den wichtigsten Aspekten, die das Wohlergehen der Fische in den Becken beeinflussen werden, gehören: 1. Sozialstruktur: je nach Art sind einige territorial, und wir müssen diesem Merkmalen Rechnung tragen. Wir wissen z.B., dass Forellen recht territorial sind und dass sie in den ersten Wachstumsphasen häufig nach ihrer Grösse sortiert werden müssen, um das Auftreten dominanter Fische zu vermeiden, die die kleineren Fische schädigen. In diesem Fall ist es besser, die Fische in einem engen Grössenbereich in getrennten Becken zu halten, um die 66 Produktion zu verbessern. Wir wissen auch, dass Tilapia- und Clarias-Arten zwei verschiedene Verhaltensweisen zeigen: in geringen Dichten sind sie territorial, in hoher Dichte sind sie ein Schwarmfisch. Das zeigt, dass niedrigere Dichten nicht immer besser sind für alle Fischarten. 2. Fischdichte: Jede Art hat eine minimale und maximale Besatzdichte, unterhalb oder oberhalb derer Probleme auftreten können und das Wohlergehen der Fische gefährdet wird. Die Dichte wird normalerweise in kg/m3 gemessen und variiert je nach System. Einige kommerzielle RASSysteme mit hohem Produktionszahlen züchten Tilapia über 60 kg/m3, aber normalerweise verwenden Aquaponik-Systeme niedrigere Dichten, etwa 20 kg/m3 (siehe z.B. die Aquaponic Gardening Rules of Thumb), obwohl die Werte je nach Fischgrösse und RAS-System sehr unterschiedlich sein können. 3. Störung durch den Menschen: dies hängt von der Art ab. Schleien (Tinca tinca) zum Beispiel sind recht unruhig und können sich durch Anstossen an die Beckenwände verletzen, wenn sie gestört werden oder sogar menschliche Schatten wahrnehmen. Eine Lösung besteht darin, Vorhänge um die Becken zu legen, um nicht gesehen zu werden, oder die Becken auf eine Gummiunterlage zu stellen, um Vibrationen durch Schritte oder Maschinen zu minimieren. 4. Beute oder Futter: Die Grösse des Futters sollte der Grösse der Fische angemessen sein und im gesamten Becken verteilt werden, um dominante Fische nicht zu fördern. Sonst nehmen weniger aktive Fische nicht an Gewicht zu, und die Becken müssen öfter nach Grösse sortiert werden, was stressig ist. 5. Raubtiere. Die Anwesenheit von Raubtieren wie Katzen, Hunden oder Vögeln in der Nähe der Becken kann die Fische stark belasten, und der Kontakt muss durch künstliche Grenzen wie Zäune vermieden werden. 6. Laute Geräusche, wie z.B. Musik (insbesondere ein starker Bassklang) können auch für Fische stressig sein. 4.4 Zusammensetzung von Fischfutter und essentiellen Nährstoffen Als die Forschung über Fischfutter vor mehr als 50 Jahren begann, analysierten die Wissenschaftler zunächst die natürliche Ernährung der betreffenden Arten. Die natürliche Nahrung der Forelle, als Beispiel für einen fleischfressenden Fisch, besteht aus 50 % Protein, 15 % Fett, 8 % Ballaststoffen und 10 % Asche. Im Vergleich zu Landsäugetieren ist das ein sehr hohes Proteingehalt. Seitdem versuchen Forscher, das richtige Gleichgewicht von Proteinen, Kohlenhydraten, Fetten, Ballaststoffen, Vitaminen und Mineralien für Fische in der Aquakultur zu finden (Bhilave et al. 2014). Eine der wichtigsten Komponenten jedes Fischfutters ist das Protein. Alle Proteine setzen sich aus Aminosäuren in unterschiedlichen Anteilen zusammen. Daher neigen moderne Ernährungswissenschaftler dazu, den Proteinbedarf im Hinblick auf den Aminosäurebedarf zu betrachten und versuchen, die idealen Mengen der wichtigsten Aminosäuren zu ermitteln. Dies macht das gesamte System effizienter, da die Fische keine überflüssigen Aminosäuren erhalten (die dann verschwendet werden) und genug von den essenziellen Aminosäuren haben, um gesund zu wachsen. In der Regel ist der Proteingehalt die erste und wichtigste Frage, die bei der Gestaltung einer Diät gestellt werden muss. Dies ist auch eine Schlüsselfrage in der Aquaponik, da das Protein im Futter die Quelle aller Stickstoffabfälle ist, die später von den Pflanzen verwendet werden (siehe Kapitel 5). 67 Kohlenhydrate bestehen aus Glukose, der Hauptenergiequelle für Tiere. In Fischfutter ist das am häufigsten vorkommende Kohlenhydrat Stärke, die hilft, Futterpellets zusammenzuhalten und eine kostengünstige Energiequelle darstellt. Obwohl es in der Regel in geringen Mengen in Fischfutter enthalten ist, haben die jüngsten Entwicklungen zu einem Anstieg des Einsatzes geführt. In dem Bestreben, Protein zu schonen, d.h. die Menge der Aminosäuren zu reduzieren, die zur Energiegewinnung abgebaut werden, liefern die Fischernährungswissenschaftler nun mehr Kohlenhydrate, mit dem Vorteil, dass diese auch billiger als Protein sind (z.B. Lazzarotto et al. 2018). Der einzige Nachteil ist, dass dieser Ansatz viele fleischfressende Fische effektiv pflanzenfressend oder vegetarisch macht, da die zusätzlichen Kohlenhydrate meist pflanzlichen Ursprungs sind. Viele Studien der letzten 5 Jahre haben analysiert, wie sich dies auf das Wachstum und das Wohlergehen der Fische auswirken kann, und die Ergebnisse sind vielversprechend. Fette bestehen aus Triglyceriden oder Fettsäuren, die wie Kohlenhydrate Energie für Fische liefern und im Gegensatz zu Kohlenhydraten in verschiedenen Organen gespeichert werden können. Viele Fische, insbesondere aus kälteren Gewässern, sind auf einen hohen Fettgehalt in ihrer Nahrung angewiesen (weniger als 15%), darunter Omega-3- und Omega-6-Fettsäuren. Fettsäuren werden auch für den Transport fettlöslicher Vitamine benötigt. Der relativ hohe Fettgehalt der meisten Fischfuttermittel bedeutet, dass Antioxidantien erforderlich sind, um ihre Stabilität zu erhalten und einen Abbau während der Verarbeitung und Lagerung des Futters zu vermeiden (Harper & Wolf 2009). Rohfaser sind der unverdauliche oder schwer verdauliche Teil des Futters, der die Darmmotilität (Peristaltik) fördert. Asche steht für die Mineralien im Futter, wie Kalium, Phosphor, Kupfer und Zink. Das Überschreiten der Mineralien, die von den Fischen aufgenommen werden können, bedeutet, dass die zusätzlichen Mineralien im Wasser gelöst werden. Dies ist auch in der Aquaponik wichtig, da wir Futtermittel entwickeln können, die überschüssige Mineralien liefern, die am Ende von den Fischen ausgeschieden werden und somit für die Pflanzen verfügbar sind. Allerdings ist es normalerweise eine gute Idee, zuerst das Futter für die Fische zu optimieren. Ein wichtiges Konzept in der Fischernährung ist das Verhältnis von verdaulichem Protein zu verdaulicher Energie, oft mit DP/DE abgekürzt. Wenn die Fische gesund und ausgewogen ernährt werden, hören sie auf zu fressen, wenn sie "spüren", dass ihr Energiehaushalt erreicht ist. Energie kann aus Fett, Kohlenhydraten oder Eiweiss gewonnen werden. Wie oben gesehen, ist die zugänglichste Energiequelle Kohlenhydrate, gefolgt von Fett und schliesslich Eiweiss. Wenn die Nahrung im Vergleich zu leicht zugänglicher Energie (ein hoher DP/DE-Wert) einen hohen Proteingehalt aufweist, müssen Fische mehr Proteine zu sich nehmen, als sie für ihr Wachstum benötigen. So wird dieses zusätzliche Protein nicht in Muskeln umgewandelt, sondern abgebaut und für andere metabolische Zwecke verwendet oder einfach verschwendet. Ist der DP/DE hingegen niedrig, dann fressen die Fische nicht mehr, bevor sie genug haben, um richtig zu wachsen, und werden geschwächt (Oliva-Teles 2012). Tabelle 2 zeigt die allgemeine Zusammensetzung einer Nahrung für ausgewachsene Forellen (Fleischfresser) und ausgewachsene Tilapia (Pflanzenfresser) an, wobei letztere die am häufigsten verwendeten Fische in der Aquaponik sind. Die Menge an Vitaminen und Mineralien ist im Vergleich zu den anderen Hauptkomponenten gering und hängt von der vom Futtermittelhersteller verwendeten Vitamin-Mineralstoff-Mischung ab. Das Aquaponik-System an der Arizona State University, das für den Anbau von Tilapia verwendet wird, verwendet zum Beispiel Futtermittel mit 5 mg/kg Folsäure und 66 mg/kg Vitamin E in Bezug auf Vitamine und 7 mg/kg Phosphor und 0,5 mg/kg Magnesium in Bezug auf Mineralien (siehe Fitzimmons 2018), unter anderem. 68 Tabelle 2: Beispiele der Futterzusammensetzung (in Prozent des Trockengewichts) für einen Fleischfresser (Forelle) und einen Pflanzenfresser (Tilapia). Die verbleibenden 10% beinhalten Asche mit Vitaminen und Mineralien Forelle1 Tilapia2 Proteine 50 30 Kohlenhydrate 17 46 Fette 15 9 Fasern 8 5 1 FAO 2018; 2Tran-Ngoc et al. 2016 4.5 Arten von Futtermitteln In Europa begann die intensive Aquakultur Ende des 19. Jahrhunderts, als die Regierungen beschlossen, Fische zu züchten, um Fingerlinge zu erhalten, die zur Aufstockung von Seen und Flüssen verwendet wurden (Polanco & Bjorndal 2018). Diese Fische stellten eine wichtige Proteinquelle für die Gemeinden in der Flussnähe dar und trugen dazu bei, den Hunger zu lindern. Es wurden Anstrengungen unternommen, die am meisten geschätzten Arten, wie z.B. die fleischfressenden Salmoniden, zu fördern. Als die Produktion stieg und die Fische länger unter intensiver Pflege standen, begannen die Bauern, Futtermittel zu formulieren. Anfangs fingen sie Makroinvertebraten in nahegelegenen Gewässern, aber das war saisonal und nur begrenzt verfügbar. Später wurden die Fische mit Abfallprodukten aus Schlachthöfen gefüttert, die in kleine Stücke zerhackt und direkt ins Wasser geworfen wurden. Infolgedessen wurden viele Lachsfarmen in der Nähe von Schlachthäusern eingerichtet. Die Fischfarmen in der Nähe der Häfen verwendeten zurückgeworfenen Fisch, aber das Angebot war nicht immer konstant und war mit zunehmender Produktion schwieriger zu organisieren. Also begannen die Bauern mit ausrangiertem Fisch eine Paste herzustellen, die zu Fischmehl vermischt wurde, dem sie manchmal pflanzliches Eiweiss zusetzten. Die Paste konnte auch zu Pellets geformt werden, was das Verteilen in vielen Tanks erleichterte, aber da sie ziemlich feucht war, konnte sie nicht sehr lange aufbewahrt werden, bevor sie schlecht wurde. Um die Mitte des 20. Jahrhunderts begannen Fischernährungswissenschaftler mit der Entwicklung von granuliertem Futter. Dieser war trockener, liess sich leichter auf die Ernährungsbedürfnisse der einzelnen Arten abstimmen und war viel einfacher und billiger zu lagern. Diese ersten granulierten oder zusammengesetzten Trockenfutter erleichterten die Expansion von Fischfarmen. Seitdem wurde intensiv nach den geeignetsten und wirtschaftlich rentabelsten Rohstoffen für die Verwendung in Futtermittelformeln geforscht. Das gesamte Verfahren wurde durch die Einführung der Extrusionstechnik verbessert. Dabei wird die Futterpaste in kurzen Abständen unter hohem Druck und erhöhte Temperatur gesetzt, damit wird das Granulat leichter (es kann länger im Wasser schwimmen) und es kann mehr Fischöl eingearbeitet werden. Die Extrusionstechnik verbesserte auch die Kompaktheit des Granulats, so dass es sich bei Kontakt mit Wasser nicht sofort auflöste. 69 In jüngster Zeit wurden Anstrengungen unternommen, um nachhaltigere und ökologischere Futtermittel zu produzieren. Wie bereits erwähnt, bedeutet dies für Fleischfresser eine Reduzierung des Anteils von Fischmehl und Fischöl im Fischfutter (und dessen Ersatz durch pflanzliches Protein wie Sojamehl). Für Tilapia bedeutet das, dass Fischmehl oder Fischöl weitgehend reduziert oder sogar eliminiert werden, während die Fischfleischqualität erhalten bleibt. Jüngste Untersuchungen haben sich auf alternative Proteinquellen für viele Fischarten konzentriert, einschliesslich der Verwendung von Algen- oder Insektenmehl. 4.6 Fütterungsstrategien Neben der Verwendung von geeignetem Futter müssen wir sicherstellen, dass die gelieferten Pellets die richtige Grösse für das Maul der Fische haben. Für kleine Fische bedeutet dies normalerweise ein feines Pulver und für grössere Fische runde Pellets, die mehrere mm Durchmesser haben können. Aquaponics USA schlägt zum Beispiel vor, für Tilapia vom Schlüpfen bis zum Alter von 3 Wochen Pulver zu verwenden, für Fingerlinge bis auf etwa 2 cm Länge Pellets mit Durchmesser von 0,9 mm; für Fingerling bis etwa 4 cm Länge Pellet mit Durchmesser von 1,6 mm), und für Fische länger als 6 cm empfehlen sie «grow-out» Pellets mit Durchmesser von 4,8 mm. Es ist auch notwendig, das Futter angemessen zu verteilen. Normalerweise wird Futter auf die Oberfläche des Beckens geworfen, und das Personal beobachtet, wie die Fische reagieren - ob sie sich an die Oberfläche bewegen und zu fressen beginnen (im Allgemeinen ein gutes Zeichen) oder ob sie auf dem Boden des Beckens bleiben (im Allgemeinen ein schlechtes Zeichen). In keinem der beiden Fälle ist es jedoch offensichtlich, ob sie richtig essen, wie viel in ihrem Mund landet und wie viel verschwendet wird. Aufgrund dieser Probleme kann es leicht zu einer Überfütterung kommen. Im Allgemeinen wird das Futter nach Fütterungstabellen, die vom Futtermittelhersteller hinsichtlich Wassertemperatur und Wachstumsstadium vorbereitet werden, an die Fische verteilt. Aber die Wahrnehmung des Fütterers, des Personals, das das Futter ausgibt, ist sehr wichtig, da er/sie erkennen kann, wie hungrig die Fische sind, und das hängt mit der Gesundheit und dem Wohlergehen zusammen. Es werden mehr und mehr Anstrengungen unternommen, um den Prozess zu automatisieren, und die Systeme haben sich erheblich verbessert, aber wir dürfen die Bedeutung der Beobachtung der Fische nicht unterschätzen, weil dies wahrscheinlich die beste und direkteste Methode ist, um ihren Status zu verstehen. Obwohl viel Forschung zur Optimierung der Fütterung für ein maximales Wachstum durchgeführt wurde, ist es offensichtlich, dass sie weniger wachsen, wenn wir weniger Futter bereitstellen als sie benötigen, und der Produzent wird Geld verlieren. Um den Fütterungsprozess zu verstehen, müssen wir einige Konzepte definieren, basierend auf Abbildung 2, die von Skretting, einem wichtigen Futtermittelhersteller, entwickelt wurde. Wir müssen das Konzept der maximalen Ration definieren, die die theoretisch ideale Ration ist, die den Fischen gegeben werden soll. Sie ist jedoch spezifisch für jeden Betrieb, da sie von den äusseren Bedingungen wie Wasserqualität und -temperatur sowie von der Beckenkonstruktion abhängt. Zu den wichtigsten kommerziell genutzten Konzepten und Indizes gehören die folgenden: 70 1. Futterumwandlungsrate (Feed conversion rate, FCR): Dies ist das Verhältnis zwischen der aufgenommenen Futtermenge (in g oder kg) geteilt durch die Zunahme des Lebendgewichts (in g oder kg). Die kommerzielle Anlagen verwenden manchmal einen "industriellen FCR", der eine ungefähre Zahl ist, die auf dem gesamten über einen bestimmten Zeitraum bereitgestellten Futtermittel basiert, geteilt durch die in diesem Zeitraum produzierten Tonnen Fisch. In diesem Fall ziehen wir bei einer Sterblichkeit das Futter, das die Fische vor ihrem Tod verzehrt haben, nicht ab. Dieser industrielle FCR gibt eine Vorstellung von den tatsächlichen Produktionskosten. Ein weiterer ähnlicher Index ist der biologische Konversionsfaktor (BCF), der sich aus dem Verhältnis zwischen dem tatsächlichen Futterverbrauch der Fische und den gewonnenen kg ergibt. Es ist schwieriger, den BCF auf industrieller Ebene zu berechnen, da die Fische gehandhabt und das Futter in die Kehle gesetzt werden müssen, aber es ist nützlich, wenn wir die maximale Effizienz neu entwickelter Futtermittel wissen wollen. FCR beschreibt die Menge an Futter, die für ein kg Gewichtszunahme der Fische benötigt wird: 𝑀𝑀𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿𝐿𝐿 𝐾𝐾𝐾𝐾 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐾𝐾𝐾𝐾𝐿𝐿𝑜𝑜𝑐𝑐𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐿𝐿𝑙𝑙 [𝐾𝐾𝐿𝐿] 𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐾𝐾𝐾𝐾𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿ℎ𝐾𝐾𝑡𝑡𝐹𝐹𝐾𝐾𝐾𝐾ℎ𝑐𝑐𝐿𝐿 [𝐾𝐾𝐿𝐿] Dieses Verhältnis spiegelt den ernährungsphysiologischen und wirtschaftlichen Wert eines Futtermittels wider. Ein FCR von 1 bedeutet, dass Sie eine Lebendgewichtszunahme von 1 kg haben, wenn Sie 1 kg Futter füttern. Je höher der FCR ist, desto höher sind Ihre Futtermittelkosten. Junge Fische haben einen niedrigeren FCR (zwischen 0,4 - 0,8), während erwachsene Fische einen FCR zwischen 0,9 - 2 haben. Das FCR ist von der Fischart und dem Futtermittelhersteller abhängig. Manchmal erhält man mit qualitativ hochwertigem Futter und dem damit verbundenen besseren Wachstum der Fische einen höheren wirtschaftlichen Wert im Vergleich zu billigerem Futter mit einem niedrigeren FCR. 𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹𝐹 = 2. Spezifische Wachstumsrate (SGR): Diese stellt das prozentuale tägliche Wachstum der Fische dar. Sie ist spezifisch für jede Art und hängt von der Fischgrösse und der Wassertemperatur ab. Wie der FCR ist er dimensionslos (keine Einheiten) und ist nützlich für den Vergleich von Daten zwischen Betrieben oder Arten. Der SGR zeigt das durchschnittliche tägliche Wachstum eines Fisches in Prozent seines Körpergewichts: 𝑙𝑙𝐾𝐾𝑊𝑊2 − 𝑙𝑙𝐾𝐾𝑊𝑊1 % � ∗ 100 𝑆𝑆𝐺𝐺𝐹𝐹 � � = � 𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 𝐾𝐾 wobei W1 und W2 für das Gewicht der Fische zu Beginn bzw. am Ende der Wachstumsperiode und (T2-T1) für die Dauer der Wachstumsperiode in Tagen stehen. 3. 4. Die tägliche Futtermenge (DFR): der Prozentsatz des bereitgestellten Futters, ausgedrückt als Prozentsatz des Fischgewichts (% Fischgewicht pro Tag). Normalerweise ist dieser Prozentsatz bei jüngeren Fischen höher (ca. 10%) und bei älteren Fischen niedriger (ca. 1-2%). Verzehrration: die Ration, die der Fisch wirklich verzehrt. 71 5. 6. Erhaltungsration: die genaue Ration, die erforderlich ist, um die Fische ohne Wachstum auf einem konstanten Gewicht zu halten. Maximale Ration: die Ration, die benötigt wird, um das grösstmögliche Wachstum zu erzielen. Abbildung 2 zeigt das Konzept der maximalen Ration, die ein maximales Wachstum der gezüchteten Art ermöglicht. Diese maximale Ration ist für jeden Betrieb spezifisch und hängt von den örtlichen Bedingungen ab. Wenn wir uns der maximalen Ration nähern, wird das Wachstum zunehmen, aber wenn wir die Grenze überschreiten, verschwenden wir Futter. Im Allgemeinen ist es jedoch ratsam, kleine Fische mehr als die maximale Ration zu füttern, da der Abfall aufgrund der geringen vorhandenen Biomasse gering ist und wir dazu neigen, das Wachstum zu maximieren. Aber im Falle des Endwachstums neigen wir dazu, vorsichtiger zu sein, da eine grosse Biomasse im Wasser vorhanden ist und jedes zusätzliche Futter, das verloren geht, kostspielig ist und die negativen Auswirkungen auf die Umwelt erhöht, so dass eine Reinigung erforderlich ist. Wie in Abbildung 2 dargestellt, verbrauchen die Fische mit einer kleinen Ration die gesamte Energie für ihre täglichen Aktivitäten und können sogar Gewicht verlieren (wobei der FCR unendlich gross sein wird). Wenn wir die Ration erhöhen, werden die Fische ihr Wachstum und auch den FCR verbessern. Zum Zeitpunkt des maximalen Wachstums wird jede übermässige Zufuhr von Futtermitteln ein wirtschaftliches und ökologisches Problem darstellen, ohne dass die Produktion davon profitiert. Aus diesem Grund müssen wir die Futterration an das Wachstum der Fische bis nahe an die Maximalration anpassen, wobei wir jedoch darauf achten müssen, nicht über diesen Punkt hinauszugehen. Abbildung 2: Entwicklung der spezifischen Wachstumsrate (SGR), der Futterverwertung (FCR) und der Futterration, die den Fischen zur Verfügung gestellt wird, als Prozentsatz des Futters pro Lebendgewicht der Fische pro Tag 72 Wie bereits erwähnt, erfordert die Kontrolle der biologischen Prozesse in der Aquakultur eine Überwachung, um mögliche Probleme vorherzusehen. Es ist wichtig Probleme so weit wie möglich im Voraus zu beheben, was bedeutet, dass sehr leichte Symptome von Anfang an erkannt werden müssen. All dies wird dazu beitragen, die Produktionskosten zu senken und die Effizienz zu verbessern. Daher versteht der Aquakultursektor, dass er das Personal, insbesondere das für die Fütterung zuständige Personal, angemessen und kontinuierlich ausbilden muss. Selbst in modernsten Aquakulturanlagen wie RAS, die zunehmend computergesteuert und automatisiert sind, muss das Personal die ausgeklügelten biologischen Prozesse innerhalb der Anlage kennen. Die technologischen Entwicklungen nehmen zu, sollten aber von einer angemessenen Ausbildung in der Anwendung der verfügbaren Techniken begleitet werden, um die Produktion auf allen Ebenen zu verbessern. Diese Konzepte sind eine Grundlage für den Erfolg. Tatsächlich ist die kontinuierliche Ausbildung des mit der Fütterung befassten Personals ein sehr wichtiges Instrument im landwirtschaftlichen Betrieb. Der Fütterungsleiter bestimmt in hohem Masse die Rentabilität des Betriebs, da er/sie die Energie für das Wachstum der Fische liefert. Jede noch so kleine Änderung der Fütterungsgewohnheiten kann ein Symptom für Probleme im System sein, die, wenn sie nicht korrigiert wird, zu ernsthaften gesundheitlichen Problemen werden können. 4.7 Futterautomaten Die Automatisierung der Fütterung erfordert Kenntnisse über die Fütterungsgewohnheiten der betreffenden Art. Wir müssen auch technische Details kennen, wie die Anzahl der Fische in jedem Becken und ihre Grösse. Die manuelle Fütterung hat, wie bereits erwähnt, Vorteile und wird immer noch dazu verwendet, um mit den Fischen "in Kontakt zu bleiben". Dennoch können technologische Entwicklungen diese Arbeit erleichtern. Heutzutage gibt es viele Arten von Futterautomaten, insbesondere für Grossprojekte mit einer grossen Biomasse. Hier konzentrieren wir uns auf die verschiedenen Arten von Futterautomaten, die in RAS verwendet werden. Normalerweise ist das zu verteilende Futter trocken und pelletiert und wird direkt in den Tank gegeben, wo es eine Zeit lang schwimmen kann, aber schliesslich dazu neigt, auf den Boden zu sinken. Die meisten Fische fressen das Futter an der Oberfläche oder auf dem Weg die Wassersäule hinunter, bevor es den Boden des Beckens erreicht. Viele Arten, die in der Aquaponik verwendet werden, sind Raubtiere im natürlichen Lebensraum und zeigen aggressives Verhalten beim Fressen, was zu Problemen führen kann. Die meisten modernen Futterautomaten tragen dieser Tatsache Rechnung, da eine schlechte Fütterung mit unzureichenden Futtermitteln zu Populationen mit dominanten Individuen führen kann, die übermässig viel essen, während unterwürfige Individuen darauf verzichten. Die unmittelbare Folge ist eine höhere Vielfalt an Grössen im Becken (und damit mehr Vielfalt im Lebendgewicht), die eine häufigere Vermessung und Sortierung erforderlich macht, um die soziale Hierarchie zu durchbrechen und die Futtereffizienz zu erhöhen. Futterautomaten können in zwei grosse Gruppen unterteilt werden, die sich auf die Biomasse der Fische und die Menge des zu verteilenden Futters beziehen: 1. Futtermittel für Jungtiere: Diese verteilen kleine Rationen in hoher Frequenz (5-10 Mal am Tag). Das Pellet ist sehr klein und das Futter kann direkt auf dem Feeder gelagert und von Hand nachgefüllt werden. 73 2. Futtermittel für die Mastphase: Diese verteilen grosse Mengen an Futtermitteln in relativ geringer Häufigkeit (1-3 Mal pro Tag). Die Pellets sind gross und die Zuführungen werden von Hand oder automatisch nachgefüllt. Die Kosten für die manuelle Fütterung von Fischen sind recht hoch, vor allem hinsichtlich der für die Verteilung benötigten Zeit. Die folgenden Firmenwebsites enthalten Einzelheiten zu den für verschiedene Arten und Aquakulturfarmen verfügbaren Futtermittelkonstruktionen (www.acuitec.es; www.akvagroup.com; www.aquacultur.de). Die grundlegenden Teile von Futterautomaten für die Ausmast sind: 1) Lagerung oder Depots für verschiedene Arten von Pellets, die aus Futtersäcken oder Silos stammen, die per LKW angeliefert werden. 2) Leitung von Futtermitteln aus der Lagerstätte zum Futterverteiler am Becken. Die Schläuche verlaufen von der Lagerstelle bis zum Futterverteiler, der wiederum ein kleines Depot hat. In dieser Phase werden die Pellets mit mechanischen Systemen oder Kompressoren und Lufteinblasung bewegt. Diese Ausrüstung ist ziemlich spezialisiert, um eine korrekte Versorgung und angemessene Hygiene zu gewährleisten. Beispiele für den Ausgereiftheitsgrad der in der intensiven Aquakultur verwendeten Fütterungssysteme finden Sie bei der AKVAGruppe. Einige Unternehmen setzen auch Fütterungsroboter für Fingerlinge in RAS ein, eine automatisierte Methode, um Ablagerungen in der Nähe des Tanks aufzufüllen. Die Roboter bewegen sich im gesamten Gebäude mit Hilfe von Führungen oder Schienen, die von der Decke hängen (siehe z.B. Crystalvision). 3) Verteilstandort: Dies ist der letzte Teil des automatischen Fütterungssystems. Hier muss das Futter auf der Oberfläche des Beckens gleichzeitig verteilt werden, damit alle Fische gleichzeitig fressen können, was besser ist als die Pellets an einer kleinen Stelle zu platzieren. Daher ist der Verteilungsort wichtig, um den Behälterbestand mehr oder weniger homogen zu halten. 4) Überwachung der tatsächlich verbrauchten Futtermittel: Neueste technologische Entwicklungen ermöglichen es, zu erkennen, wenn die Fische aufhören zu fressen, was ein Signal an die Futterautomaten sendet, die Futtermittel nicht mehr zu liefern. Diese Systeme arbeiten mit Unterwasserkameras oder akustischen und Laserdetektoren, die dem Fütterer mitteilen, wenn der Appetit der Fische nachlässt. 4.8 Produktionsplan und Überwachung Alle Aquaponik-Anlagen brauchen gut definierte Produktionsziele und einen Plan, um diese Ziele zu erfüllen. Im Einzelnen ist es hilfreich, die folgenden Aspekte im Voraus zu definieren: 1. 2. Die eingesetzten Arten Die Grösse der Fingerlinge und die Zielgrösse der Erwachsenen, die am Ende verkauft werden sollten, sollte anfangs festgelegt werden. Dies ermöglicht die Produktionszyklen im Betrieb (Arten von Becken usw.) zu definieren. 74 3. 4. 5. Die optimalen Dichten und Wohnverhältnisse für jede Wachstumsphase. Dies wird dazu beitragen, die Höchstlast an lebender Biomasse in der Anlage und die Jahresproduktion zu definieren. Das Gesundheitsmanagement, das zur Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen für die Fische eingesetzt werden soll Das Ausbildungsniveau des beteiligten Personals Das Wohlergehen der Fische und die wirtschaftliche Lebensfähigkeit der Anlage hängen von der Einhaltung der Ziele ab. Wir müssen wissen, ob die Fische ihr erwartetes Wachstum erreichen und das Futter angemessen umwandeln und ob die Sterblichkeit höher ist als erwartet. Wir sollten die zu erwartende Wachstumskurve in Abhängigkeit von der Wassertemperatur kennen. Dies wird zusammen mit der Dauer des Produktionssystems dazu beitragen, einen Produktionsplan zu entwerfen, der die Grundlage für die Betriebskosten bildet. Sobald die Produktion begonnen hat, sollte sie angemessen überwacht werden. Es sollte eine klare Rückverfolgbarkeit bis zum Ursprung des Fisches gegeben sein. Wir müssen die Anzahl der Fische und ihre ursprüngliche Grösse am ersten Tag ihrer Unterbringung kennen. Täglich registrieren wir jede der durchgeführten Produktionsaktivitäten, wie z.B. die tägliche Futterquelle, den Reinigungsmodus und die Messung der physikalischen und chemischen Parameter. In Abbildung 3 stellen wir ein Beispiel für das Kontrollblatt vor. Diese Daten werden täglich für jeden Becken gesammelt und sollten im Monatsbericht gespeichert und verarbeitet werden, um die Entwicklung der Produktion bestimmen zu können. In regelmässigen Abständen sollten wir eine Probe von Fischen wiegen, um das Wachstum in jedem Becken zu schätzen. Wir sollten genug Fische fangen, um das Becken zu repräsentieren, normalerweise mindestens 10-15 Individuen pro 100 Fische. Die Fütterung wird dann periodisch entsprechend diesem durchschnittlichen Fischgewicht angepasst. Abbildung 3: Datenblatt zur täglichen Erfassung von Details über die Becken und die Fische 75 Es gibt viele Software-Steuerungsprogramme auf dem Markt, wie z.B. die der norwegischen Firma AKVA GROUP, die zur Verwaltung von Futtermitteln eingesetzt werden. Sie bieten zwei Programme an. Fishtalk deckt die meisten Aspekte der Kontrolle und Planung auf dem Bauernhof sowie die Produktionskosten ab. Die erstellten Berichte und die Analyse der Entwicklung der Produktion bilden die Grundlage für die Entscheidungen, die von der Krippe sowohl kurz- als auch langfristig zu treffen sind. AKVAconnect ist mit der von der AKVA GROUP bereitgestellten Plattform-Software verbunden und steuert die Automatisierung und optimale Anpassung der Prozesse und Aktivitäten auf dem Betrieb. Es bietet eine vollständige Kontrolle, wobei die Interaktion zwischen Maschinen, Sensoren und anderen Prozessen ständig überwacht wird. Ein weiteres Beispiel für die bei der Fischproduktion produzierten und verarbeiteten Informationen ist STEINSVIK für die Lachsproduktion. In Abbildung 4 sehen wir einen Kontrollbildschirm für die Produktionseinheit mit den physischen Bedingungen und dem Wachstum, dem Appetit der Fische, dem Fischbestand, dem täglichen Fütterungsrhythmus usw. Für weitere Beispiele siehe www.aquamanager.com. Schliesslich ist es als Teil des Produktionsplans wichtig, dass die Futtermittel ordnungsgemäss gelagert werden. Normalerweise werden Futtermittel in Form von Trockenpellets durch Extrusion hergestellt und sind daher relativ leicht zu lagern. Die Qualität der Pellets ist hoch und sie sind ziemlich kompakt, mit begrenzten Wasserverlusten, da sie nicht leicht zersetzbar sind. Um die Qualität des Trockenfutters zu erhalten, ist es wichtig, es in Silos oder in einem trockenen, von überschüssiger Wärme isolierten Lagerbereich zu lagern. Wenn das Futter feucht wird, kann es mit Pilzen kontaminiert werden, die wiederum Mykotoxine produzieren, die den Fischen schaden können. Abbildung 4: Kontrollbildschirm für das Steinsvik-Automatisierungsprogramm für Aquakulturanlagen. 76 4.9 Entwicklung von Futtermitteln für die Aquaponik Fischfutter für die Aquaponik kann selbst hergestellt oder von spezialisierten Futtermittelherstellern gekauft werden, die je nach Fischart und Alter der Fische spezifische Futtermittel formulieren. Normalerweise verwenden kommerzielle Produzenten spezialisierte Futtermittel, da diese garantiert alle Nährstoffbedürfnisse der Fische erfüllen und im Vergleich zur Herstellung und Formulierung von eigenem Futter tendenziell kostengünstiger sind. Allerdings sind formulierte Futtermittel nicht immer perfekt und können unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualität des Wassers haben, in dem die Fische leben und Abfälle ausscheiden. Erst in jüngster Zeit haben Wissenschaftler und Ingenieure damit begonnen, sich mit spezifischen Futtermitteln für Fische in Kreislaufsystemen und in Aquaponikanlagen zu befassen. Theoretisch scheint es möglich zu sein, Fische mit pelletiertem Futter zu versorgen, das ihnen hilft, schnell zu wachsen und gleichzeitig genügend Nährstoffe für die Pflanzen zu liefern, die sich später von diesem Wasser "ernähren". In der Praxis ist die Sache jedoch schwieriger und hängt von vielen komplexen Parametern ab, wie z.B. der Temperatur und dem pH-Wert des recycelten Wassers sowie von den Mikrobiota im Fischdarm und in Biofiltern. Ein Aquaponiker sollte die Grundlagen der Futterzusammensetzung kennen, um beurteilen zu können, mit welchem Futter er am besten beginnen sollte. Auch wenn es vielleicht nicht notwendig ist, Feeds von Grund auf neu zu entwerfen, sollten die Aquaponiker in der Lage sein, den besten Feed für ein System auszuwählen, nachdem sie die folgenden Abschnitte gelesen haben. 4.9.1 Fischwachstum und Stickstoffrückhaltung Der Stickstoff, der schliesslich vom Fisch als Ammoniak ausgeschieden wird, stammt aus dem Protein im Futter. Obwohl ein Teil des Stickstoffs in anderen Komponenten des Futters enthalten ist, stammt fast der gesamte von den Fischen aufgenommene und als Abfall ausgeschiedene Stickstoff aus Aminosäuren, da sie, wie der Name schon sagt, alle den Stickstoff in der chemischen Zusammensetzung enthalten. Wenn wir den Prozentsatz des Stickstoffs im Futter kennen, können wir die ungefähre Menge berechnen, die durch einen ähnlichen Prozess wie beim Urinieren als Ammoniak ins Wasser ausgeschieden wird. Das Ammoniak wird später in Nitrat umgewandelt, das den Pflanzen zur Verfügung gestellt wird. Dabei ist jedoch zu beachten, dass Fische nicht wirklich urinieren, sondern, im Gegensatz zu den meisten Säugetieren, stickstoffhaltige Abfälle über ihre Kiemen ausscheiden. In den folgenden Abschnitten werden wir die Quelle und das Schicksal von Stickstoff in einem AquaponikSystem verfolgen, basierend auf Seawright et al. (1998), die vor einigen Jahrzehnten als eine der ersten Gruppen Studien über den Nährstoffkreislauf in aquaponischen Systemen veröffentlicht haben. In ihrem Papier liefern sie eine Gleichung zur Berechnung der Stickstoffbilanz im System, die wir als Leitfaden verwenden werden. Nach der Berechnung des im Futter vorhandenen Stickstoffs berechnen wir, wie viel im Fisch zurückgehalten wird, als ungefressenes Futter und im Kot verloren geht, um schliesslich die Konzentration von Ammoniak im umgebenden Wasser zu ermitteln. 77 4.9.2 Stickstoff-Quelle Das Futter ist die wichtigste Stickstoffquelle in einem Aquaponiksystem. Um die Gesamtmenge an Stickstoff zu berechnen, die über das Futter in den Tank gelangt, müssen wir zunächst die genaue Menge des verwendeten Futters in Gramm oder Kilogramm kennen. Als nächstes müssen wir den Prozentsatz des Proteins im Futtermittel kennen. Dies ist normalerweise auf dem Futtermitteletikett angegeben oder beim Futtermittelhersteller erhältlich. Wie in den vorangegangenen Abschnitten erwähnt, haben Fischfutter hohe Anteile an Protein, normalerweise zwischen 25% und 50%. Sobald wir den Proteinanteil kennen, können wir den Prozentsatz des Stickstoffs berechnen, indem wir ihn durch 6,25 teilen. Wir verwenden diese Zahl, da Ernährungswissenschaftler davon ausgehen, dass 1/6,25 oder etwa 16% aller Proteine aus Stickstoff bestehen. So wissen wir bei einem Futter für Tilapia mit 35% Protein, dass es 35% * 16% = 5,6% Stickstoff enthält. Wenn wir z.B. an einem Tag 120 Gramm Futter in den Tank geben, dann bedeutet das, dass wir 120 * 5,6% = 6,72 g Stickstoff zugeben. 4.9.3 Stickstoffaufnahme durch die Fische Der Fisch baut Stickstoff in seine eigenen Proteine ein, die hauptsächlich die Muskeln bilden. Der grösste Teil des Körpergewichts der Fische besteht jedoch aus Wasser, so dass das Gewicht unberücksichtigt bleiben muss, da der Stickstoff nur im so genannten "Trockengewicht des Muskels" vorhanden ist. Basierend auf den Ergebnissen unseres Labors und den Erkenntnissen aus der Literatur (z.B. Seawright et al. 1998), beträgt das Trockengewicht der Tilapia etwa 27% ihres Körpergewichts oder, anders ausgedrückt, 73% der Tilapia-Muskeln bestehen aus Wasser. Als nächstes müssen wir die Feed Conversion Rate (FCR) kennen. Der FCR ist das Verhältnis zwischen dem bereitgestellten Futtermittel geteilt durch das gewonnene Gewicht. Der FCR von Fischen liegt typischerweise zwischen 1-2. Der Kehrwert des FCR wird als Futtermitteleffizienz bezeichnet, oder 1 getilt durch das FCR, d.h. bei einem Konversionsindex von 1,5 beträgt die Futtermitteleffizienz 1/1,5 = 66,73%. Anders ausgedrückt: Etwa zwei Drittel des von den Fischen gefressenen Futters werden in die Fischmuskel aufgenommen und zählen als Wachstum. Natürlich wäre es besser, eine hohe Futtermitteleffizienz (nahe 100%) zu haben; je höher sie ist, desto wirtschaftlicher ist sie. Fische haben jedoch eine Obergrenze dafür, wie viel Muskelmasse sie im Laufe der Zeit aufbauen können. Wenn der Muskel wächst, wächst die Menge an Protein (ebenso wie die Menge an Gesamtstickstoff im Muskel), aber der Anteil an Protein im Muskel bleibt mehr oder weniger stabil. Der Gesamtanteil des Stickstoffs im Verhältnis zum Körpergewicht beträgt bei Tilapia etwa 8,8%. Diese Zahl kann je nach Art etwas variieren, ist aber eine gute Annäherung. So können wir, je nach dem bereitgestellten Futter, abschätzen, wie viel Stickstoff im Fisch zurückgehalten wird. Wenn wir 120 g Futter unter Verwendung der oben vorgeschlagenen Werte bereitstellen, dann wird der im Fisch zurückgehaltene Stickstoff durch Multiplikation des Futters mit dem Trockengewicht, mit der Futtereffizienz und mit dem Prozentsatz des Stickstoffs im Fischmuskel ermittelt, d.h. 120 g * 27% * 66,73% * 8,8% = 1,90 g Stickstoff aus dem Futter bleiben im Fisch. 78 4.9.4 Stickstoffverlust in Feststoffen Abgesehen davon, dass sie als Urin verloren gehen, können Stickstoffabfälle auch über Fäkalien verloren gehen. Wir können den Protein- oder Stickstoffgehalt von Fäkalien messen, da er sich im Feststofffilter unseres Systems ansammelt, oder wir können ihn täglich absaugen und speichern. Der feste Abfall könnte auch Futter enthalten, das nicht aufgenommen wurde, aber, wie oben erwähnt, ist es schwierig, genau zu messen, wie viel Futter nicht von den Fischen aufgenommen wurde, also werfen wir Kot und Futter, das nicht als fester Abfall aufgenommen wurde, in einen Topf. Vor der Analyse wird der feste Abfall getrocknet, um das Trockengewicht zu berechnen, und dann wird der Stickstoffgehalt gemessen. In einem RAS-System beträgt die Gesamtmenge an Feststoffen etwa 10%, d.h. 10% des den Fischen zugeführten Futters enden als fester Abfall (einschliesslich Fischkot und Pellets, die nicht aufgenommen werden). Bei der Analyse stellten wir fest, dass der Stickstoffgehalt der Fäkalien 4,8% betrug. Wie wir bereits erklärt haben, besteht das Protein zu 16% aus Stickstoff, oder das ist es, was Ernährungswissenschaftler schätzen. Wenn wir also nur ein Mass an Stickstoff haben, müssen wir, um die Menge des Proteins zu erhalten, aus der es ursprünglich stammt, "rückrechnen", indem wir die Stickstoffmenge durch 16% teilen, was der Multiplikation mit 6,25% (1/16 = 0,0625 oder 6,25%) entspricht. In dem Fall, in dem der Stickstoffgehalt der Fäkalien 4,8 % betrug, würde die Menge an Protein also 4,8 % * 6,25 % = 30 % betragen. Um schliesslich die Gesamtmenge an Stickstoff in Gramm, die in Feststoffen verloren geht, für die Menge an Futter, die wir dem Tank zur Verfügung stellen, zu berechnen, müssen wir die Futtermenge (120 g) mit dem Prozentsatz des Futters, der in Feststoffen verloren geht (Kot und nicht gefressenes Futter), und dem Prozentsatz des Stickstoffs in den Feststoffen (4,8%) multiplizieren. Angenommen, der Prozentsatz des Futtermittels, der in Feststoffen verloren geht, beträgt 10%, dann wäre der Stickstoffverlust in Feststoffen: 120 g * 10% * 4,8% = 0,576 g Stickstoff im Futter gehen als Feststoff verloren. Auch dies ist nur ein Beispiel, und dieser Prozentsatz kann je nach System und anderen Bedingungen variieren. 4.9.5 In Wasser gelöster Stickstoff als Ammoniak Als Nächstes können wir die obigen Berechnungen verwenden, um den im Wasser gelösten Stickstoff zu quantifizieren, der im Wesentlichen als Ammoniak verloren geht. Zuerst addieren wir den von den Fischen aufgenommenen und im Kot verlorenen Stickstoff und subtrahieren ihn dann von dem über das Futter zugeführten Stickstoff. Der verbleibende Stickstoff ist die im Wasser verlorene oder gelöste Menge. Im obigen Fall sind 6,72 - (1,90 + 0,576) = 4,24 g NH3. Das heisst, 63,1% (4,24/6,72) des Stickstoffs aus dem Futter wird in NH3 umgewandelt. Es wird von dem Kiemen als NH3 ausgeschieden, wird aber je nach pH-Wert des Wassers in NH4 umgewandelt. Der Begriff TAN bezeichnet den gesamten Ammoniakstickstoff oder die Kombination von NH3 + NH4. In Abbildung 6 zeigen wir ein Beispiel für Ergebnisse aus unserem Labor, bei denen der Gesamtstickstoff im Futter berechnet und dann in den Fischen, den Fäkalien und dem Wasser gemessen wurde. 79 Abbildung 5: Beispiel einer Stickstoffbilanz in Tilapia mit vier verschiedenen Futtermitteln auf der Grundlage verschiedener Proteinquellen (Fischmehl, Soja, Maiskleber und Erbsenkonzentrat) 4.10 Referenzen Bhilave, M.P., Nadaf, S.B. & Deshpande, Y.V. 2014. Proximate analysis of formulated feed. Originally published in 2010 in All About Feed 1(9). FAO 2018. Aquaculture Feed and Fertilizer Resources Information System. Rainbow trout. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Fitzimmons, K. 2018. Introduction to tilapia nutrition. University of Arizona. Harper, C. & Wolf, J.C. 2009. Morphologic effects of the stress response in fish. ILAR 50 (4), 387-396. Lazzarotto, V., Médale, F., Larroquet, L., & Corraze, G. 2018. Long-term dietary replacement of fishmeal and fish oil in diets for rainbow trout (Oncorhynchus mykiss): Effects on growth, whole body fatty acids and intestinal and hepatic gene expression. PloS One, 13(1), e0190730. Oliva-Teles, A. 2012. Nutrition and health of aquaculture fish. Journal of Fish Diseases 35 (2), 83-108. Polanco, J. F. & Bjorndal, T. 2018. Paper 2 Aquaculture diversification in Europe: the kingdom of Spain and the kingdom of Norway. In Planning for aquaculture diversification: the importance of climate change and other drivers: FAO Technical Workshop 23–25 June 2016, Rome Italy (p. 37). Food & Agriculture Org. Seawright, D.E., Stickney, R.R. & Walker, R.B. 1998. Nutrient dynamics in integrated aquaculturehydroponics systems. Aquaculture 160, 215-237. Tran-Ngoc, K. T., Dinh, N. T., Nguyen, T. H., Roem, A. J., Schrama, J. W., & Verreth, J. A. 2016. Interaction between dissolved oxygen concentration and diet composition on growth, digestibility and intestinal health of Nile tilapia (Oreochromis niloticus). Aquaculture 462, 101-108. 80 5. NÄHRSTOFF-WASSER BILANZ 5.1 Makro- und Mikronährstoffe 5.1.1 Die Elemente des Universums Auf der Erde gibt es 92 natürlich vorkommende Elemente. Einige sind sehr gut untersucht, andere überhaupt nicht: zum Beispiel Astat (Bryson 2003). Das Problem ist, dass einige Elemente sehr selten sind. Beispielsweise kommen zu jeder Zeit nur 24.5 Gramm Francium in der gesamten Erdkruste vor. Nur etwa 30 der natürlich vorkommenden Elemente sind auf der Erde weit verbreitet, und nur sehr wenige sind für das Leben wichtig (Abbildung 1). Im Sonnensystem, bei den Sternen im Allgemeinen und wahrscheinlich im gesamten Universum sind die leichteren Elemente diejenige, die am häufigsten vorkommen: über 75% Wasserstoff (H), 25% Helium (He), etwa 1% alles andere. In der Kategorie "alles andere" sind gerade nummerierte Elemente häufiger anzutreffen als ungerade Elemente. Mit zunehmender Atomzahl nimmt die Abundanz der Elemente meist schnell ab. Allerdings sind Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Eisen (Fe) im Vergleich zu diesen allgemeinen Trends anomal hoch, während Lithium (Li), Beryllium (Be) und Bor (B) anomal niedrig sind. In der Erdkruste ist die Abundanzordnung O (< 50%), Si (> 20%), Al, Fe, Mg, Ca, Na und K. Dies sind alle Elemente, die hauptsächlich Gesteine bilden. In der Erde als Ganzes werden aufgrund des Kerns und des Erdmantels Fe, Ni und Mg häufiger, während O, Si und Al weiterhin die wichtigsten Bestandteile sind (Tabelle 1). In Bezug auf das Leben haben die Elemente unterschiedliche Funktionen (Tabelle 2). Wir haben uns entwickelt, um die Elemente zu nutzen oder zu tolerieren, aber wir leben in engen Bandbreiten der Akzeptanz. In der Regel ist unsere Toleranz für Elemente direkt proportional zu ihrer Häufigkeit in der Erdkruste (Bryson 2003). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 H Li 18 He Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr K Ca Sc Ti V Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd Cs Ba Ln Hf Ta W Re Os Fr U Ra Ac Th Pa Für Organismen relevante Makroelemente Ir Pt Au Hg Spurenelemente, die für Bakterien, Pflanzen und/oder Tiere lebenswichtig sind In Sn Sb Te Ti Pb Bi I Xa Po AT Rn Spurenelemente, die für einige Arten möglicherweise essentiel sind Abbildung 1: Die Verteilung der natürlich vorkommenden Elemente, von denen man weiss oder glaubt, dass sie für das Leben im Periodensystem wesentlich sind. Das Verständnis für die ökologische Bedeutung von C, N und P ist viel weiter fortgeschritten als bei den anderen Elementen. (neu gezeichnet nach Da Silva & Williams 2001) 81 Tabelle 1: Das Vorkommen von Elementen in % Trockengewicht der Erdkruste, Grünalgen und Tieren (Daten aus verschiedenen Quellen) im Vergleich zu Salat, der in einem hydroponischen System angebaut wird, und Fischfutter (Schmautz, unveröffentlichte Daten). Beachten Sie, dass die Häufigkeit (und damit die Verfügbarkeit) von Elementen in der Erdkruste nicht mit der Häufigkeit in Lebewesen übereinstimmt. Element Symbol Erdkruste (%) Kieselalgen Tiere Kopfsalat Fischfutter Sauerstoff O 47.4 44.4 18.6 59.9 69.2 Kohlenstoff Wasserstoff C H 0.048 0.15 22.5 4.6 48.4 8.7 33.1 4.9 46 6.8 Stickstoff Kalzium N Ca 0.0025 4.1 3.8 0.8 8.7 8.5 4.7 2.8 7.6 2.3 Phosphor Schwefel P S 0.1 0.026 0.425 0.6 1.2 0.6 9.1 1.3 0.8 1.3 K 2.1 ? 4.3 0.54 0.75 Natrium Magnesium Na Mg 2.3 2.3 0.6 0.32 0.73 0.1 0.9 1.0 1.4 0.27 Silizium Aluminium Si Al 27.7 8.2 20 0.1 0.012 0.0003 0.43 0.16 0.1 0.02 Eisen Fe 4.1 0.35 0.016 0.13 0.03 Kalium 5.1.2 Makro- und Mikronährstoffe und ihre Rolle in Organismen Chemische Elemente spielen unterschiedliche Rollen und sind hauptsächlich an verschiedenen Funktionen in einem Organismus beteiligt (Tabelle 2). Die Organismen benötigen diese Elemente in ungleichen Mengen. Einige Elemente werden in grossen Mengen benötigt, während andere in winzigen Mengen benötigt werden. Dies wird durch die annähernde stöchiometrische Formel für einen lebenden Menschen veranschaulicht (Sterner & Elser 2002): 𝐻𝐻375,000,000 𝑂𝑂132,000,000 𝐹𝐹85,700,000 𝑁𝑁6,430,000 𝐹𝐹𝐾𝐾1,500,000 𝑃𝑃1,020,000 𝑆𝑆206,000 𝑁𝑁𝐾𝐾183,000 𝐾𝐾177,000 𝐹𝐹𝑙𝑙127,000 𝑀𝑀𝐿𝐿40,000 𝑆𝑆𝐾𝐾38,600 𝐹𝐹𝐿𝐿2,680 𝑍𝑍𝐾𝐾2,110 𝐹𝐹𝐹𝐹76 𝐼𝐼14 𝑀𝑀𝐾𝐾13 𝐹𝐹13 𝐹𝐹𝑜𝑜7 𝑆𝑆𝐿𝐿4 𝑀𝑀𝐾𝐾3 𝐹𝐹𝐾𝐾1 Das bedeutet, dass auf jedes Kobalt (Co) -Atom in unserem Körper 132 Millionen Sauerstoff (O)-Atome vorkommen. Die wichtigsten Nährstoffbedürfnisse von Pflanzen und Tieren, ohne die sie keinen normalen Lebenszyklus abschliessen können, sind in Abbildung 2 dargestellt. Makronährstoffe werden in grösseren Mengen benötigt. Mikronährstoffe werden in winzigen Mengen benötigt. 82 Tabelle 2: Primärfunktionen und die an ihrer Ausführung beteiligten chemischen Elemente (oder assoziierten Ionen) für Organismen (modifiziert von Sterner & Elser 2002). Elemente mit einer relativ geringen Rolle sind in Klammern angegeben Funktion Elemente Chemische Form Beispiele Strukturell H, O, C, N, P, S, Si, B, In chemischen • biologische Moleküle (Proteine, (biologische F, Ca, (Mg), (Zn) Verbindungen oder DNA, Fette, Kohlenhydrate) Polymere und schwer löslichen • Gewebe (Muskel, Lunge, Blätter...) Trägermaterialien) anorganischen • Skelette; Schalen; Zähne Verbindungen • pflanzliche Stützgewebe (Lignin, enthalten Zellulose) 2Elektrochemisch H, Na, K, Cl, HPO4 , Freie Ionen • Signalübertragung in Nerven (Mg), (Ca) • zelluläre Signalübertragung HPO42-, Mechanisch Ca, Katalytisch (SäureBase) Zn, (Ni), (Fe), (Mn) (Mg) Freie Ionen im Austausch mit gebundenen Ionen Komplexe mit Enzymen • Energieumsatz • Muskelkontraktion • Verdauung (Zn). Zink oxidiert Alkohol. Hydrolyse von Harnstoff (Ni) PO4-Entfernung in sauren Medien (Fe, Mn) • • Katalytisch (Redox) • • • • Fe, Cu, Mn, Mo, Se, (Co), (Ni), (V) Reaktionen mit O2 (Fe, Cu) Stickstoff-Fixierung (Mo) Reduktion von Nukleotiden (Co) Co ist notwendig für die Bildung von Vitamin B12 Abbildung 2: Nährstoffbedarf von Pflanzen und Tieren. Beachten Sie, dass Wasser (das von allen Lebewesen benötigt wird) nicht in der Tabelle enthalten ist. Tiere erhalten ihre Nährstoffe aus Nahrung und Getränken. Pflanzen, mit Ausnahme der parasitären und fleischfressenden, nehmen die wesentlichen Nährstoffelemente aus ihrer Umgebung (Luft, Bodenlösung, Nährlösung) auf. 83 5.2 Die biogeochemischen Zyklen der Hauptnährstoffe in der Aquaponik 5.2.1 Der Stickstoffkreislauf Stickstoff ist ein essentielles Element für alle lebenden Organismen und ist der Hauptnährstoff, der bei der Aquaponik von Bedeutung ist. Es kommt in Aminosäuren (Teilen von Proteinen), Nukleinsäuren (DNA und RNA) und im Energieübertragungsmolekül Adenosintriphosphat vor (Pratt & Cornely 2014). Da Stickstoff in vielen chemischen Formen vorkommt, ist der Stickstoffkreislauf sehr komplex (Abbildung 3). Der grösste Teil der Erdatmosphäre (78%) besteht aus atmosphärischem Stickstoff, dem molekularen Distickstoff (N2). Stickstoffgas ist sehr reaktionslos und für die meisten Organismen nutzlos. Die Stickstofffixierung umfasst Prozesse, die atmosphärisches Stickstoffgas in Verbindungen umwandeln, die als reaktiver Stickstoff (Nr) bezeichnet werden können. Nr umfasst alle biologisch aktiven, photochemisch reaktiven und strahlungsaktiven N-Verbindungen in der Atmosphäre und Biosphäre. Sie umfasst anorganische reduzierte Formen von N (z.B. NH3 und NH4+), anorganische oxidierte Formen (z.B. NOx, HNO3, N2O und NO3-) und organische Verbindungen (z.B. Harnstoff, Amine und Proteine) (Galloway et al. 2008). Abbildung 3: Die allgemeine Form des Stickstoffkreislaufs (Wikimedia) 84 Die Stickstofffixierung kann auf natürliche Weise durch Blitzeinschlag erfolgen, da die sehr heisse Luft die Bindungen von N2 aufbricht und die Bildung von salpetriger Säure beginnt. Sie kann chemisch in einer Reaktion durchgeführt werden, die als Haber-Bosch-Prozess bezeichnet wird. Die biologische Stickstoffbindung erfolgt durch die Umwandlung von N2 in Ammoniak durch ein Enzym namens Nitrogenase. Mikroorganismen, die N2 fixieren, sind meist anaerob. Die meisten Hülsenfrüchte (Bohnen, Erbsen usw.) haben Wurzelknöllchen, die symbiotische Bakterien, (auch Rhizobien genannt), enthalten, die der Pflanze helfen, zu wachsen und mit anderen Pflanzen zu konkurrieren. Wenn die Pflanze stirbt, wird der fixierte Stickstoff freigesetzt und steht damit anderen Pflanzen zur Verfügung. Abbildung 4 zeigt den Stickstoffkreislauf, wie er in der Aquaponik vorkommt. Die beiden Teile der Nahrungsmittelkette (Primärproduzenten und Verbraucher), die normalerweise zusammen auftreten, sind räumlich in die Bereiche Aquakultur und Hydroponik getrennt. Die synergistischen Effekte, die eine effiziente Nährstoffverwertung ermöglichen, werden durch Mikroorganismen vermittelt. Stickstoff gelangt in ein Aquaponiksystem über den Fischfutter, das von den Fischen aufgenommen und später als Gesamt-Ammoniakstickstoff (TAN, Ammoniak - NH3 und Ammonium - NH4+) wieder ausgeschieden wird (Wongkiew et al. 2017). Der Stickstoff wird entweder unter sauren oder neutralen pH-Bedingungen in Ammonium (NH4+) oder bei höheren pH-Werten in Ammoniak (NH3) umgewandelt. Die Ammoniakkonzentration ist abhängig vom Ammoniumgehalt, pH-Wert und Temperatur (Abbildung 5, Tabelle 3). Da Ammoniak in Wasser weniger löslich ist als NH4 +, wird NH3 schnell in eine gasförmige Form umgewandelt und aus dem Wasser emittiert (Gay & Knowlton 2009). Abbildung 4: Der Stickstoffkreislauf in der Aquaponik Während Ammonium (NH4+) nicht giftig ist, ist Ammoniak (NH3) giftig. Daher sollte TAN aus dem Systemwasser entfernt und idealerweise in Nitrat umgewandelt werden, und zwar aus zwei Gründen: 85 (i) Ammoniak und Nitrit, ein Sekundärprodukt der Nitrifikation, sind beide schädlich für Fische, während Nitrat von den Fischen bis zu 150-300 mg/L toleriert wird (Graber & Junge 2009); (ii) TAN ist nicht optimal für Pflanzen, die für ihr Wachstum überwiegend Nitrate oder eine Mischung aus Ammonium und Nitrat benötigen (Hu et al. 2015). Dieser Prozess der biologischen Oxidation von Ammoniak oder Ammonium zu Nitrit und der anschliessenden Oxidation des Nitrits zu Nitrat wird als Nitrifikation bezeichnet und findet meist im Biofilter von Aquaponic-Systemen statt (Tabelle 4). Die Nitrifikation ist ein aerober Prozess, der von kleinen Gruppen autotropher Bakterien und Archaeen durchgeführt wird und von dem russischen Mikrobiologen Sergei Winogradsky (1892) entdeckt wurde. Bild 5: Ammoniak-Ammonium-Gleichgewicht als Funktion verschiedener Temperaturen und pH-Werte (aus Cofie et al., 2016). Tabelle 3: Prozentualer Anteil (%) von nicht ionisiertem Ammoniak in wässriger Lösung bei verschiedenen pHWerten und Temperaturen. Um die Menge an vorhandenem nichtionisiertem Ammoniak zu berechnen, muss die Gesamt-Ammoniak-Stickstoff-Konzentration (TAN) mit dem entsprechenden, aus dieser Tabelle ausgewählten Faktor multipliziert werden, wobei der pH-Wert und die Temperatur aus Ihrer Wasserprobe verwendet und durch 100 geteilt wird. Wenn die resultierende Konzentration grösser als 0,05 mg/L ist, schadet das Ammoniak den Fischen (angepasst nach Francis-Floyd et al. 2009) 86 Tabelle 4: Chemische Gleichungen der Nitrifikation. Die Nitrifikation ist normalerweise ein zweistufiger Prozess, der von einer spezialisierten Gruppe von Bakterien, den sogenannten Nitrifikatoren, durchgeführt wird. Gleichung Prozess / Beteiligte Bakterien + + − NH4 + 1.5 O2 → NO2 + 2 H + H2 O + Energie Nitritation; Ammoniak-oxidierende Bakterien (AOB) 𝑁𝑁𝑂𝑂2− + 0.5 𝑂𝑂2 → 𝑁𝑁𝑂𝑂3− + 𝐸𝐸𝐾𝐾𝐿𝐿𝑜𝑜𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿 Nitratation; nitritoxidierende Bakterien (NOB) + + − 𝑁𝑁𝐻𝐻4 + 2.0 𝑂𝑂2 → 𝑁𝑁𝑂𝑂3 + 2 𝐻𝐻 + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 + 𝐸𝐸𝐾𝐾𝐿𝐿𝑜𝑜𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿 Nitrifikanten Die Umwandlung von Ammoniak in Nitrit ist in der Regel der geschwindigkeitsbegrenzende Schritt der Nitrifikation. Dies liegt daran, dass AOB (Bakterien der Gattung Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio sp., etc. ) und NOB (Bakterien der Gattung Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, etc.) unterschiedliche Wachstumsraten aufweisen, was insbesondere in der Anlaufphase zu einer partiellen Nitrifikation führt, die zu einer NO2-Akkumulation führt, bis die Nitrifikanten vollständig etabliert sind, was bis zu 4 Wochen dauern kann (Abbildung 6). Denitrifikation (Tabelle 5) ist die Umwandlung von Nitrat (NO3-) in Nitrit (NO2-), Stickstoffmonoxid (NO), Distickstoffmonoxid (N2O) und schliesslich in Stickstoffgas (N2) unter anoxischen und anaeroben Bedingungen (sehr geringe oder gar keine Mengen an gelöstem Sauerstoff). Die Denitrifikation wird von Denitrifikanten durchgeführt, die zu taxonomisch unterschiedlichen Gruppen von Archaeen und fakultativ heterotrophen Bakterien gehören. Da N2O ein stärkeres Treibhausgas als CO2 ist, muss seine Produktion auf ein Minimum reduziert werden (Zou et al. 2016), um die Einbauraten von N in pflanzlicher Biomasse zu maximieren. Abbildung 6: Start des Biofilters: Entwicklung der Ammoniak-, Nitrit- und Nitratkonzentrationen im Laufe der Zeit. (LECA bezeichnet Light Expanded Clay Aggregate, ein häufig verwendetes Medium in der Hydrokultur) 87 Tabelle 5: Chemische Gleichungen von Denitrifikationsreaktionen. Die Denitrifikation verläuft im Allgemeinen durch eine Kombination der folgenden Halbreaktionen, wobei das Enzym in Klammern die Reaktion katalysiert Gleichungen Enzym, das die Reaktion katalysiert + − − NO− + 2 H + 2 e → NO + H O Nitrat-Reduktase 2 3 2 − + − 𝑁𝑁𝑂𝑂2 + 2 𝐻𝐻 + 𝐿𝐿 → 𝑁𝑁𝑂𝑂 + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 Nitrit-Reduktase 2 NO + 2 H + + 2 e− → N2 O + H2 O Stickstoffmonoxid-Reduktase + − N2 O + 2 H + 2 e → N2 + H2 O Distickstoffoxid-Reduktase 2 NO3− + 12 H + + 10 e− → N2 + 6 H2 O Der gesamte Prozess kann als netto ausgeglichene Redoxreaktion ausgedrückt werden Anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox). Die Bakterien, die diesen Prozess vermitteln, wurden 1999 identifiziert (Strous et al. 1999). Anammox könnte in Aquaponiksystemen existieren, weil die Wassereigenschaften denen in Aquakulturanlagen ähnlich sind, in denen der Anammox-Prozess nachweislich stattfindet (Wongkiew et al. 2017). Die Anammox-Rate ist jedoch 10-mal langsamer als die Nitrifikationsrate. Es wurde berichtet, dass der Anammox-Prozess zum Stickstoffverlust in verschiedenen Ökosystemen beiträgt (Burgin & Hamilton 2007, Hu et al. 2010). Da Ammoniak und Nitrit in aquaponischen Systemen verfügbar sind, könnte sich über den Anammox-Prozess unter anoxischen Bedingungen im Biofilter Stickstoffgas bilden (Tabelle 6). Tabelle 6: Chemische Gleichung der Annamox-Reaktion Gleichung 𝑁𝑁𝐻𝐻4+ + 𝑁𝑁𝑂𝑂2− → 𝑁𝑁2 + 2 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 5.2.2 Phosphor-Zyklus Beteiligte Bakterien + 𝐸𝐸𝐾𝐾𝐿𝐿𝑜𝑜𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿 Anammox-Bakterien Phosphor (P) ist der zweitwichtigste Makronährstoff für das Pflanzenwachstum und wird in relativ grossen Mengen benötigt. Es spielt eine Rolle bei der Atmung und Zellteilung und wird bei der Synthese von Energieverbindungen verwendet. P gelangt über Fischfutter, Leitungswasser und Düngerzusätze (falls zutreffend) in das aquaponische System. Die chemische Form, in der P in der Nährlösung vorhanden ist, hängt vom pH-Wert ab. Die pKs (quantitatives Mass für den Säuregehalt) für die Dissoziation von H3PO4 in H2PO4- und dann in HPO42- betragen 2,1 bzw. 7,2 (Schachtman et al. 1998, zitiert in da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016). Daher ist P im pH-Bereich, der in Aquaponik-Systemen aufrechterhalten wird, meist in der Form H2PO4- und seltener als H3PO4 oder HPO42- vorhanden. Pflanzen können P nur als freie Orthophosphat-Ionen H2PO4- und HPO42- aufnehmen. Experimentelle und Simulationsstudien haben gezeigt, dass die P-Verfügbarkeit mit steigendem pH-Wert des Aquaponikwassers aufgrund von Niederschlägen abnimmt (Abbildung 7). Steigt der pH-Wert in der Nährlösung an, bindet P an mehrere Kationen, so dass weniger freie P-Ionen (PO4) in der Lösung vorhanden sind, dafür aber mehr unlösliche Kalziumphosphatarten, die aus der Lösung ausfallen. Diese unlöslichen Komplexe können sich entweder im Fischschlamm (Schneider et al. 2005) oder in den Sedimenten und der Peripherie an den Wänden und Rohrleitungen des Aquaponik-Systems ansammeln. Yogev et al. (2016) schätzten, dass dieser Verlust bis zu 85% betragen kann. Eine Möglichkeit, diesen massiven P-Verlust über den Schlamm zu verhindern, besteht darin, das Aquaponik-System um einen anaeroben Reaktor (Faulturm) zu erweitern. Bei der aeroben oder anaeroben Vergärung wird das P in den Gärrest freigesetzt und kann wieder in das Kreislaufwasser 88 eingebracht werden (Goddek et al. 2016). da Silva Cerozi & Fitzsimmons (2016) zeigten die Bedeutung von organischer Substanz und Alkalinität für die Erhaltung freier Phosphationen in Lösung bei hohen pH-Werten auf. Es wird jedoch empfohlen, den pH-Wert in Aquaponik in einem Bereich von 5.5-7.2 zu halten, um eine optimale Verfügbarkeit und Aufnahme durch die Pflanzen zu gewährleisten. Die genaue Dynamik des Phosphors in der Aquaponik ist noch immer nicht verstanden. Der Haupteintrag von Phosphor in das System ist das Fischfutter, und in Systemen, wo das P nicht zugesetzt wird, ist P tendenziell limitierend (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998). Dies ist auch der Grund dafür, dass je nach Auslegung des Systems bis zu 100 % des im Fischwasser vorhandenen Phosphors in der Pflanzenbiomasse wiederverwertet werden können (Graber & Junge 2009). Abbildung 7: Spezifizierung der Hauptformen von P in der Lösung als Funktion des pH-Wertes, wie in Visual MINTEQ simuliert. Beachten Sie, dass nicht alle PO4-Arten in der Tabelle beschrieben sind (aus da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016) 5.3 Pflanzenernährung 5.3.1 Essenzielle Nährstoffelemente Pflanzen benötigen 16 (Resh 2013) oder nach anderen Quellen 17 (Bittszansky et al. 2016) essentielle Nährstoffelemente, ohne die sie keinen normalen Lebenszyklus abschliessen können. Sie benötigen diese essenziellen Nährstoffe für ihre normale Funktion und ihr Wachstum. Der Suffizienzbereich einer Pflanze ist der Bereich der Nährstoffmenge, der notwendig ist, um den Nährstoffbedarf der Pflanze zu decken und das Wachstum zu maximieren. Die Breite dieses Bereichs hängt von den einzelnen Pflanzenarten und dem jeweiligen Nährstoff ab. Nährstoffgehalte, die ausserhalb des Suffizienzbereiches einer Pflanze liegen, führen zum Mangel oder Toxizität und verursachen, dass das gesamte Pflanzenwachstum und die Gesundheit abnehmen. Pflanzen beziehen normalerweise das Wasser und die Mineralien aus dem Boden. In der Hydrokultur werden sie nur mit Wasser und Mineralien versorgt. Bei der Aquaponik wird die Situation dadurch kompliziert, dass das Systemwasser eine hochkomplexe Mischung aus organischen und anorganischen Verbindungen enthält, die aus Fischabfällen und Fischfutter stammen. Es gibt zwei Hauptkategorien von Nährstoffen: Makronährstoffe und Mikronährstoffe (Abbildung 8). Beide Kategorien sind unentbehrlich, aber in unterschiedlichen Mengen. Von den sechs Makronährstoffen werden wesentlich grössere Mengen benötigt als von den Mikronährstoffen, die nur in Spuren benötigt werden (Jones & Olson-Rutz 2016). 89 Ein grundlegendes Verständnis der Funktion der einzelnen Nährstoffe ist wichtig, um zu verstehen, wie diese das Pflanzenwachstum beeinflussen (Tabelle 6). Eine gute Orientierung, wie viel eines bestimmten Nährstoffs benötigt wird, gibt die elementare Zusammensetzung des Pflanzenmaterials an (Abbildung 9). Bei Nährstoffmangel ist es wichtig, dass man erkennen kann, welches Element im System fehlt, und es durch Zusatz von Dünger oder Erhöhung der Mineralisierung entsprechend anpassen kann (siehe auch Kapitel 6 und 9). Abbildung 8. Klassifizierung der wesentlichen Elemente (Nährstoffe), die für das Pflanzenwachstum benötigt werden. Die Makronährstoffe werden in drei Gruppen unterteilt. Die Begriffe "primär" und "sekundär" beziehen sich auf die Menge und nicht auf die Bedeutung eines Nährstoffs. Ein Mangel an einem Sekundärnährstoff ist für das Pflanzenwachstum ebenso schädlich wie ein Mangel an einem der drei Primärnährstoffe oder ein Mangel an Mikronährstoffen Abbildung 9: Darstellung der Nährstoffmengen in getrocknetem Pflanzenmaterial 90 Tabelle 6: Essentielle Elemente und ihre Rolle in Pflanzen (angepasst nach Resh 2013) Element Kohlenstoff (C) Wasserstoff (H) Sauerstoff (O) Stickstoff (N) Phosphor (P) Rolle C bildet das Rückgrat der meisten Biomoleküle, darunter Proteine, Stärke und Zellulose. Die Photosynthese wandelt CO2 aus der Luft oder dem Wasser in Kohlenhydrate um, die zur Speicherung und zum Transport von Energie innerhalb der Pflanze verwendet werden. H ist Bestandteil aller organischen Verbindungen, von denen Kohlenstoff ein Bestandteil ist. Es wird fast vollständig aus Wasser gewonnen. H ist wichtig für den Kationenaustausch im Pflanze-Boden-System. H+-Ionen werden benötigt, um die Elektronentransportkette bei der Photosynthese und bei der Atmung anzutreiben. O ist ein Bestandteil vieler organischer und anorganischer Verbindungen in Pflanzen. Nur wenige organische Verbindungen, wie z.B. Carotin, enthalten kein O. O kann in vielen Formen erworben werden: O2 und CO2, H2O, NO3-, H2PO4- und SO42. Es ist am Anionenaustausch zwischen den Wurzeln und dem externen Medium beteiligt. Pflanzen produzieren O2 während der Photosynthese, benötigen dann aber O2 für die aerobe Atmung bzw. den Abbau der Glukose zur Herstellung von ATP. N ist in vielen von organischen Verbindungen, einschliesslich Aminosäuren, Proteinen, Coenzymen, Nukleinsäuren und Chlorophyll, enthalten. Es ist unerlässlich für die Photosynthese, das Zellwachstum und die Stoffwechselvorgänge. Gewöhnlich liegt gelöstes N in Form von Nitrat vor, aber Pflanzen können moderate Mengen an Ammoniak und sogar freie Aminosäuren verwerten. P ist Teil des Phospholipid-Rückgrats von Nukleinsäuren (wie DNS, Desoxyribonukleinsäure) und Adenosintriphosphat (ATP, das Molekül, das in den Zellen Energie speichert) und ist in bestimmten Coenzymen enthalten. P ist unerlässlich für die Photosynthese sowie die Bildung von Ölen und Zuckern; fördert die Keimung und Wurzelentwicklung von Sämlingen. Da junge Gewebe mehr Energie benötigen, ist dies besonders wichtig für die Jungpflanzen. 91 Tabelle 6 fortgesetzt Element Kalium (K) Kalzium (Ca) Magnesium (Mg) Schwefel (S) Bor (B) Chlor (Cl) Rolle K wirkt als Coenzym oder Aktivator für viele Enzyme. Die Proteinsynthese erfordert hohe K-Werte. Es unterstützt die Signalfunktionen von Zellen durch kontrollierten Ionenfluss durch Membranen verwendet. K kontrolliert die Öffnung der Spaltöffnungen und ist an der Entwicklung von Blüten und Früchten beteiligt. Es ist auch an der Produktion und dem Transport von Zucker, der Wasseraufnahme, der Krankheitsresistenz und der Reifung der Früchte beteiligt. K bildet jedoch keinen stabilen Strukturbestandteil innerhalb von Pflanzenzellen. Ca findet sich in den Zellwänden als Kalziumpektat, das die Primärwände benachbarter Zellen zusammenkittet. Es beteiligt sich an der Stärkung der Stängel und trägt zur Entwicklung der Wurzeln bei. Es ist erforderlich zur Erhaltung der Membranintegrität und ist Teil des Enzyms α-amylase. Ca fällt in Form von Calciumoxalat-Kristallen in Vakuolen aus. Ca kann die Fähigkeit von Magnesium zur Aktivierung von Enzymen stören. Mg ist ein wesentlicher Bestandteil des Chlorophyllmoleküls. Ohne Mg kann Chlorophyll die für die Photosynthese benötigte Sonnenenergie nicht einfangen. Mg wird auch für die Aktivierung vieler Enzyme benötigt, die für das Wachstum benötigt werden. Mg hilft die Ribosomenstruktur zu erhalten und trägt damit zur Proteinsynthese bei. S ist ein Bestandteil vieler organischen Verbindungen: Aminosäuren (Methionin und Cystein), Proteine (wie photosynthetische Enzyme), Coenzym A, die Vitamine Thiamin und Biotin. B ist einer der weniger bekannten Nährstoffe. Es wird zusammen mit Ca bei der Zellwandsynthese verwendet und ist für die Zellteilung unerlässlich. B erhöht die Geschwindigkeit des Transports von Zucker aus reifen Pflanzenblättern in aktiv wachsende Regionen (Wachstumspunkt, Wurzeln, Wurzelknöllchen bei Hülsenfrüchten) und auch in sich entwickelnde Früchte. Der B-Bedarf ist für das reproduktive Wachstum viel höher, da er bei der Bestäubung sowie der Frucht- und Samenentwicklung hilft. Weitere Funktionen sind der N-Stoffwechsel, die Bildung bestimmter Proteine, die Regulierung des Hormonspiegels und der Transport von K zu den Spaltöffnungen (der zur Regulierung des inneren Wasserhaushalts beiträgt). Cl wird als Mikronährstoff klassifiziert; Pflanzen können jedoch genauso viel Cl aufnehmen wie sekundäre Elemente wie S. Cl ist wichtig für das Öffnen und Schliessen von Spaltöffnungen. In der Photosynthese wirkt er als Enzymaktivator bei der Produktion von Sauerstoff aus Wasser. Es wirkt im Kationenhaushalt und transport innerhalb der Pflanze und ist an der Krankheitsresistenz und -toleranz beteiligt. Cl konkurriert mit der Nitrataufnahme und fördert damit tendenziell die Nutzung von Ammoniumstickstoff. Die Verringerung der Nitrataufnahme kann eine Erklärung für die Rolle des Chlors bei der Krankheitsunterdrückung sein, da hohe Nitratwerte mit der Intensität mancher Krankheitten in Verbindung gebracht wurden. 92 Tabelle 6 fortgesetzt Element Kupfer (Cu) Eisen (Fe) Mangan (Mn) Molybdän (Mo) Nickel (Ni) Zink (Zn) Rolle Cu aktiviert einige Enzyme, die an der Ligninsynthese beteiligt sind, und es ist in mehreren Enzymsystemen unentbehrlich. Es wird auch bei der Photosynthese und der Atmung der Pflanzen benötigt und unterstützt den pflanzlichen Stoffwechsel von Kohlenhydraten und Proteinen. Cu dient auch dazu, Geschmack und Farbe bei Gemüse und die Farbe bei Blumen zu intensivieren. Fe wird für die Synthese von Chlorophyll und einigen anderen Pigmenten benötigt und ist ein wesentlicher Bestandteil der Ferredoxine. Ferredoxine sind kleine Proteine mit Fe- und S-Atomen, die bei der Photosynthese und der Atmung als Elektronenträger fungieren. Fe ist auch Teil der Nitratreduktase und aktiviert bestimmte andere Enzyme. Mn aktiviert Enzyme in der Fettsäuresynthese, die für die DNA- und RNA-Bildung verantwortlichen Enzyme sowie die an der Atmung beteiligten Enzyme. Es nimmt direkt an der photosynthetischen Produktion von O2 aus H2O teil und ist an der Bildung von Chloroplasten, der Stickstoffassimilation und der Synthese einiger Enzyme beteiligt. Es spielt eine Rolle bei der Pollenkeimung, dem Pollenschlauchwachstum, der Wurzelzellverlängerung und der Resistenz gegen Wurzelpathogene. Mo wirkt als Elektronenträger bei der Umwandlung von Nitrat in Ammonium, bevor es zur Synthese von Aminosäuren in der Pflanze verwendet wird. Es ist für die Stickstofffixierung unerlässlich. Innerhalb der Pflanze wird Mo bei der Umwandlung von anorganischem Phosphor in organische Formen verwendet. Ni ist der Metall-Cofaktor der Urease-Enzyme: ohne Ni sind sie inaktiv (Polacco et al., 2013). Ureasen sind in Bakterien, Pilzen, Algen und Pflanzen vorhanden, aber sie fehlen bei Fischen und anderen Tieren. Urease-Enzyme sind für die katabolische Entgiftung von Harnstoff verantwortlich, einem potenziell phytotoxischen Abfall, der von den Fischen ausgeschieden wird. Zn aktiviert eine Reihe von Enzymen, die für die Synthese bestimmter Proteine verantwortlich sind, darunter einige wichtige Enzyme wie Alkohol-Dehydrogenase, Milchsäure-Dehydrogenase usw. Es wird bei der Bildung von Chlorophyll und einigen Kohlenhydraten sowie bei der Umwandlung von Stärke in Zucker verwendet, und seine Anwesenheit im Pflanzengewebe hilft der Pflanze, Kälte zu überstehen. Zn wird für die Bildung von Auxinen benötigt, das sind Hormone, die bei der Wachstumsregulierung und Stängeldehnung helfen. 5.3.2 Nährstoffverfügbarkeit und pH-Wert Nährstoffe existieren sowohl als komplexe, unlösliche Verbindungen als auch in einfachen Formen, die normalerweise wasserlöslich und für Pflanzen leicht verfügbar sind. Die unlöslichen Formen müssen auf verfügbare Formen heruntergebrochen werden, um der Pflanze zugute zu kommen. Diese verfügbaren Formulare sind in Tabelle 7 zusammengefasst. 93 Tabelle 7: Absorbierte Nährstoffformen und ungefähre Konzentrationen im trockenen Pflanzengewebe (adaptiert von Jones & Olson-Rutz 2016) Element Form, die aufgenommen wird Stickstoff (N) Phosphor (P) Kalium (K) Kalzium (Ca) Magnesium (Mg) Schwefel (S) Bor (B) Chlor (Cl) Kupfer (Cu) Eisen (Fe) Mangan (Mn) Molybdän (Mo) Nickel (Ni) Zink (Zn) NO3- (Nitrat) / NH4+ (Ammonium) H2PO4-, HPO42- (Phosphat) K+ Ca2+ Mg2+ SO42- (Sulfat) H3BO3 (Borsäure) / H2BO3- (Borat) Cl- (Chlorid) Cu2+ Fe2+, Fe3+ Mn2+ MoO42- (Molybdat) Ni2+ Zn2+ Konzentrationsbereich im trockenen Pflanzengewebe (%) 1-5 0.1 – 0.5 0.5 – 0.8 0.2 - 1.0 0.1 – 0.4 0.1 – 0.4 0.0006 – 0.006 0.1 – 1.0 0.0005 – 0.002 0.005 – 0.025 0.002 – 0.02 0.000005 - 0.00002 0.00001 – 0.0001 0.0025 – 0.015 Der pH-Wert der Lösung bestimmt die Verfügbarkeit der verschiedenen Elemente für die Pflanze (Abbildung 10). Der pH-Wert ist ein Mass für den Säuregrad oder die Alkalität. Eine Lösung ist sauer, wenn der pH-Wert unter 7 liegt, neutral, wenn der pH-Wert bei 7 liegt, und alkalisch, wenn der pHWert über 7 liegt. Da der pH-Wert eine logarithmische Funktion ist, bedeutet eine Änderung des pHWertes um eine Einheit eine 10-fache Änderung der H+-Konzentration. Daher kann jede kleine Änderung des pH-Wertes einen grossen Einfluss auf die Ionenverfügbarkeit für Pflanzen haben. Die meisten Pflanzen bevorzugen einen pH-Wert zwischen 6.0 und 7.0 für eine optimale Nährstoffaufnahme. Abbildung 10: Der Einfluss des pH-Wertes auf die Verfügbarkeit von Pflanzennährstoffen (aus Roques et al. 2013) 94 5.3.3 Ernährungsstörungen bei Pflanzen Eine Ernährungsstörung wird entweder durch einen Überschuss oder einen Mangel an einem bestimmten Nährstoff (Resh 2013) verursacht. Es ist wichtig, Ernährungsstörungen so schnell wie möglich zu erkennen, um die Verbreitung der Symptome und das Absterben der Pflanze zu verhindern. Die genaue Diagnose von Nährstoffstörungen ist jedoch nicht einfach, da viele Mängel überlappende Symptome aufweisen. Um die Sache noch komplizierter zu machen, gibt es auch Pflanzenkrankheiten, die ähnliche Symptome verursachen können. Die einzige Möglichkeit, diese Symptome voneinander unterscheiden zu können, ist der Erwerb von Wissen durch die Praxis. Beobachten Sie Ihre Pflanzen, notieren Sie die verschiedenen Symptome und setzen Sie diese mit den Ergebnissen der Wasserqualitätsanalyse in Beziehung. Ein Anfänger sollte immer einen Experten konsultieren. Ein Aspekt der Diagnose ist die Unterscheidung zwischen mobilen (Mg, P, K, Zn, N) und immobilen Elementen (Ca, Fe, S, B, Cu, Mn). Alle Nährstoffe gelangen relativ leicht von der Wurzel zum wachsenden Teil der Pflanze durch das Xylem. Die beweglichen Elemente können aber auch bei einem Mangel von älteren Blättern in die aktiv wachsende Region der Pflanze (jüngere Blätter) umpositioniert werden. Die Folge ist, dass die Mangelerscheinungen zuerst an den älteren Blättern auftreten. Umgekehrt können immobile Elemente, einmal in die verschiedenen Strukturen eingebaut, nicht mehr aus diesen Strukturen freigesetzt und durch die Pflanze zurücktransportiert werden. Mangelerscheinungen treten zunächst an den oberen jungen Blättern der Pflanze auf. Andere Aspekte der Diagnose und ihre Terminologie sind in Tabelle 8 zusammengefasst. Beschreibungen von Mangelund Toxizitätssymptomen für wesentliche Elemente sind in Tabelle 9 aufgeführt. Tabelle 8: Terminologie zur Beschreibung der Symptome von Ernährungsstörungen (angepasst aus Resh 2013) Begriff weit verbreitet Lokalisiert Trocken Randbereich Interveinale Chlorose Fleckenartig Bereiche Farbe Blattunterseiten Schröpfen Netzartig Sprödes Gewebe Weiches Gewebe Absterben Verkümmerung Spindeldürr der Beschreibung Symptome, die sich über die gesamte Pflanze oder das Blatt ausbreiten Auf einen Bereich der Pflanze oder des Blattes begrenzte Symptome Nekrose-gebranntes, trockenes, papierartiges Aussehen Chlorose oder Nekrose an Blatträndern; breitet sich bei fortschreitendem Symptom meist nach innen aus Chlorose (Vergilbung) zwischen den Blattadern Unregelmässiges fleckiges Muster aus undeutlichen hellen (Chlorose) und dunklen Bereichen; oft in Verbindung mit Viruserkrankungen Verfärbter Bereich mit deutlichen Grenzen neben dem normalen Gewebe Häufig tritt an der Unterseite der Blätter eine bestimmte Färbung auf, z.B. Phosphormangel-Violettfärbung der Blattunterseiten Die Blattränder oder -spitzen können sich schröpfen oder nach oben oder unten biegen Muster aus kleinen Blattrippen, die grün bleiben, während das interveinale Gewebe gelb bleibt - Manganmangel Blätter, Blattstiele, Stängel können unflexibel sein und leicht abbrechen, wenn sie berührt werden - Kalzium- oder Bormangel Blätter sehr weich, leicht zu beschädigen - Stickstoffüberschuss Die Blätter oder die Wachstumsspitze stirbt schnell ab und trocknet Bor oder Kalziummangel aus. Pflanze kürzer als normal Wachstum von sehr dünnen Stängeln und Blattstielen 95 Tabelle 9: Mangel- und Toxizitätssymptome für wesentliche Elemente (angepasst an Resh 2013) Element Stickstoff (N) Mangel Die Reduzierung des Proteins führt zu verkümmertem Wachstum und schlafenden Seitenknospen. Stiele, Blattstiele und Blattunterseiten von Mais und Tomaten können sich violett verfärben. Der Chlorophyllgehalt der Blätter ist reduziert, was zu einer allgemein blassgelben Farbe führt, insbesondere bei älteren Blättern. Blüte, Frucht-, Eiweiss- und Stärkegehalt werden reduziert. Phosphor (P) Schlechte Wurzelentwicklung, verkümmertes Wachstum. Rötung der Blätter. Dunkelgrüne Blätter (kann mit einer übermässigen N-Zufuhr verwechselt werden, da es auch zu dunkelgrünen Blättern führt). Verspätete Reife. Die Blattspitzen der Pflanzen können verbrannt erscheinen. Mangelerscheinungen treten zuerst bei reifen Blättern auf. Ein Mangel führt zu einer geringeren Wasseraufnahme und beeinträchtigt die Krankheitsresistenz. Symptome zuerst an älteren Blättern sichtbar. Die Ränder der Blätter krümmen sich nach innen. Bei Dikotyle sind diese Blätter zunächst chlorotisch, aber bald entwickeln sich verstreut Brandflecken (tote Stellen). Bei einkeimblättrigen Pflanzen sterben die Blattspitzen und -ränder zuerst ab. Anzeichen von Mängeln sind u.a. Spitzenverbrennungen an Blattpflanzen und Wurzeln, Blüten- und Fäulnisbefall an fruchtigen Pflanzen und unsachgemässes Wachstum von Tomaten. Junge Blätter sind vor alten Blättern betroffen. Ohne ausreichende Mengen an Mg beginnen die Pflanzen, das Chlorophyll in den alten Blättern abzubauen. Dies verursacht eine interveinale Chlorose, das Hauptsymptom des Mg-Mangels. Später können nekrotische Flecken im chlorotischen Gewebe auftreten. Das Wachstum wird reduziert. Kalium (K) Kalzium (Ca) Magnesium (Mg) 96 Toxizität Die Pflanzen sind in der Regel dunkelgrün mit reichhaltiger Belaubung, aber in der Regel mit einer eingeschränktes Wurzelsystem. Kann Schwierigkeiten bei der Blüte und dem Fruchtansatz verursachen. Bisher wurden keine primären Symptome festgestellt. Manchmal treten Cu- und Zn-Mängel in Gegenwart von überschüssigem P auf. K wird in der Regel nicht übermässig von Pflanzen aufgenommen. Ein Überschuss an K kann zu Mg und möglicherweise zu einem Mangel an Mn, Zn oder Fe führen. Keine konsistenten sichtbaren Symptome. Keine Information Tabelle 9: Fortgesetzt. Element Mangel Schwefel Nicht oft anzutreffen. (S) Ein S-Mangel kann leicht mit einem N-Mangel verwechselt werden. Die Symptome, wie verzögertes und verkümmertes Wachstum, sind ähnlich. Die Chlorose tritt jedoch zuerst an jüngeren Blättern auf, während N-Mangelsymptome zuerst an älteren Blättern sichtbar sind. Bor Die Symptome variieren je nach Art und erscheinen (B) zuerst auf den neuen Blättern und den Wachstumspunkten (die oft absterben). Die Äste und Wurzeln sind oft kurz und geschwollen. Die Blätter zeigen fleckige Chlorose, Verdickung, Brüchigkeit, Kräuselung, Welke. Inneres Gewebe löst sich manchmal auf oder verfärbt sich. Da B den Zuckertransport unterstützt, führt sein Mangel zu einer Verringerung der Exsudate und Zucker aus den Pflanzenwurzeln, was die Anziehungskraft und Besiedlung von Mykorrhizapilzen verringern kann. Chlor (Cl) Verwelken der Blätter, oft mit stämmigen Spitzen. Blattfleckenbildung und Blattspitze welken mit Chlorose und Nekrose. Die Wurzeln werden verkümmert und verdicken sich in der Nähe der Spitzen. Der Cl-Mangel im Kohl ist durch das Fehlen des typischen Kohlgeruchs gekennzeichnet. 97 Toxizität Reduzierung des Wachstums und der Blattgrösse. Manchmal intervenale Vergilbung oder Blattbrand. Vergilbung der Blattspitze, gefolgt von einer Nekrose, die am Blattrand beginnt und zur Mittelrippe hin fortschreitet. Im Gegensatz zu den meisten Nährstoffmangelerscheinungen, die typischerweise gleichmässig über die gesamte Kultur auftreten, können B-Symptome innerhalb einer Kultur zufällig auftreten (Mattson & Krug 2015). Ein übermässiger Cl-Gehalt kann eine Salzgehaltsstress verursachen und für Pflanzen giftig sein (Chen et al. 2019). Zu den Symptomen gehören versengte Blattränder, Bräunung, Vergilbung, übermässiges Abwerfen der Blätter, reduzierte Blattgrösse und Wachstumsrate. Die ClAkkumulation ist in älterem Gewebe höher. Tabelle 9: Fortgesetzt. Element Mangel Kupfer Ein natürlicher Mangel ist selten. (Cu) Typischerweise beginnen die Symptome als Schröpfen junger Blätter mit kleinen nekrotischen Flecken am Blattrand. Mit dem Fortschreiten der Symptome werden die neuesten Blätter kleiner, verlieren ihren Glanz und können welken. Die Wachstumspunkte (apikale Meristeme) können nekrotisch werden und absterben. Die Pflanzen haben typischerweise ein kompaktes Aussehen, da sich die Stängellänge zwischen den Blättern verkürzt. Ein Überschuss an K, P oder anderen Mikronährstoffen kann indirekt zu einem CuMangel führen. Eisen Ausgeprägte interveinale Chlorose. Ähnlich wie (Fe) beim Mg-Mangel, aber hier beginnt die Chlorose an den Spitzen der jüngeren Blätter und arbeitet sich zu den älteren Blättern vor. Andere Anzeichen, immer gekoppelt mit der Blattchlorose, können ein schlechtes Wachstum und Blattverlust sein. Mangan Die Blätter färben sich gelb und es kommt auch zu einer interveinalen Chlorose, zunächst an den (Mn) jungen Blättern. Nekrotische Läsionen und Blattabwurf können sich später entwickeln. Desorganisation der Chloroplastenlamellen. Mn kann für Pflanzen mit hohem pH-Wert nicht verfügbar sein. Deshalb tritt sie oft zusammen mit Fe-Mangel auf und hat auch ähnliche Symptome. Die Symptome des Mn-Mangels sind auch ähnlich wie bei Mg, da Mn auch an der Photosynthese beteiligt ist. 98 Toxizität Reduziertes Wachstum, gefolgt von Symptomen der Eisenchlorose, Verkümmerung, reduzierter Verzweigung, Verdickung und abnormaler Verdunkelung der Wurzeln. Unter natürlichen Bedingungen nicht oft zu erkennen. Wurde nach der Anwendung von Sprays beobachtet, wo es als nekrotische Flecken erscheint. Manchmal Chlorose, ungleichmässige Chlorophyllverteilung. Reduzierung des Wachstums. Tabelle 9 fortgesetzt Element Mangel Toxizität Molybdän (Mo) Da Mo eng mit N verbunden ist, kann sein Mangel Selten beobachtet. Die leicht einem N-Mangel ähneln. Tomatenblätter werden goldgelb. Die Mangelerscheinungen beginnen an älteren oder mittelstieligen Blättern: interveinale Chlorose, bei einigen Kulturen wird das ganze Blatt blass; Randnekrose oder Schröpfen der Blätter. Die Blätter können verformt sein. Die Pflanzen, die am empfindlichsten auf MoMangel reagieren, sind Kreuzblütler (Brokkoli, Blumenkohl, Kohl), Hülsenfrüchte (Bohnen, Erbsen, Klee), Weihnachtssterne und Primeln. Nickel (Ni) Ni ist in Enzymen, die den Harnstoff entgiften, enthalten. Obwohl Harnstoff eine ausgezeichnete Stickstoffquelle für Pflanzen ist (Yang et al. 2015), ist er in höheren Konzentrationen stark toxisch für Pflanzengewebe. Typische Symptome der Harnstoff-Toxizität und möglicherweise auch des Ni-Mangels sind Blattverbrennung und Chlorose (Khemira et al. 2000). Zink (Zn) Verkümmertes Wachstum, mit verkürzten Ein Überschuss an Zn führt in Internodien und kleineren Blättern. Die der Regel zu Eisenchlorose in Blattränder sind oft verzerrt oder gerunzelt. Pflanzen. Manchmal intervenale Chlorose. 99 Ni ist bei höherer Konzentration stark phytotoxisch. Es verursacht eine Veränderung der Aktivität der antioxidativen Enzyme und hat einen negativen Einfluss auf die Photosynthese und die Atmung. Überschüssiges Ni verursacht Chlorose, Nekrose und Welke. Die Zellteilung und das Pflanzenwachstum werden gehemmt. Eine hohe Aufnahme von Ni führt zu einer Abnahme des Wassergehalts, der als Indikator für die Ni-Toxizität in Pflanzen dient (Bhalerao et al. 2015). 5.4 Nährstoffversorgung in der Aquaponik Die chemische Zusammensetzung des Systemwassers in der Aquaponik ist sehr komplex. Neben einer grossen Anzahl gelöster Ionen enthält es organische Substanzen, die aus der Freisetzung von Produkten des Fischstoffwechsels und der Futterverdauung resultieren, sowie Stoffe, die von den Pflanzen ausgeschieden werden. Diese Substanzen sind weitgehend unbekannt, und ihre Wechselwirkungen können die chemische Zusammensetzung und den pH-Wert von Nährlösungen weiter beeinflussen. All dies kann vielfältige, aber meist noch unbekannte Auswirkungen auf die Nährstoffaufnahme der Pflanzen, auf die Gesundheit der Fische und auf die mikrobielle Aktivität haben. Nährstoffe gelangen in ein Aquaponik-System über das Frischwasser und Fischfutter (Schmautz et al. 2016). Was die elementare Zusammensetzung betrifft, so enthält Fischfutter etwa 7.5 % Stickstoff, 1,3 % Phosphor und 46 % Kohlenstoff (Schmautz, unveröffentlichte Daten). Was die organischen Verbindungen betrifft, so enthält Fischfutter Proteine (Fischmehl oder pflanzliche Basis), Fette (Fischöl, Pflanzenöle) und Kohlenhydrate (Boyd 2015). Pflanzenfressende Fische (wie Tilapia) benötigen nur etwa 25% Protein in ihrem Futter, im Vergleich zu fleischfressenden Fischen, die etwa 55% Protein benötigen (Boyd 2015). Sowohl Fischmehl als auch Soja sind (aus verschiedenen Gründen) nicht nachhaltig, weshalb intensiv nach geeigneten Fischmehl-Ersatzstoffen und pflanzlichen Futtermitteln geforscht wird (Boyd 2015; Davidson et al. 2013; Tacon & Metian 2008). Wenn die Futtermengen richtig berechnet sind, werden alle dem System zugefügten Futtermittel gefressen, und nur das, was nicht für Wachstum und Stoffwechsel verwendet wird, wird ausgeschieden (Abbildung 11). Der Anteil der ausgeschiedenen Nährstoffe hängt auch von der Qualität und Verdaulichkeit der Nahrung ab (Buzby & Lin 2014). Die Verdaulichkeit des Fischfutters, die Grösse des Kotes und das Absetzverhältnis sind für den Betrieb des Systems sehr wichtig (Yavuzcan Yildiz et al. 2017). Daher ist die Nährstoffzusammensetzung des Wassers des Aquaponik-Systems, die sich aus der Qualität des zugeführten Wassers, der zugeführten Fischfutter und der gesamten Stoffwechselreaktionen im System ergibt, äusserst komplex und entspricht nicht immer den Anforderungen der Pflanze. Das Wohlergehen der Fische sollte jedoch im Mittelpunkt stehen, und das Fischfutter sollte so gewählt werden, dass es zu den Fischarten in jedem Entwicklungsstadium passt. Die Verfügbarkeit von Nährstoffen, die von Pflanzen aufgenommen werden können, muss in einem zweiten Schritt geregelt werden. Die Daten in Tabelle 10 zeigen, dass die meisten Pflanzennährstoffe, insbesondere aber P und Fe, im untersuchten Aquaponiksystem im Vergleich zu den Standard-Hydrokulturlösungen in signifikant niedrigeren Konzentrationen vorhanden waren. Dies scheint eine typische Situation bei Aquaponik zu sein, obwohl die Wachstumsraten der Pflanzen im Aquaponik in den meisten Fällen dennoch zufriedenstellend sind (Schmautz, unveröffentlichte Daten). Leider ist die Interpretation dieser Daten sehr schwierig. In jüngster Zeit wurde in der Pflanzenernährung das fast zweihundert Jahre alte "Liebig'sche Gesetz" (das Pflanzenwachstum wird durch die knappste Ressource gesteuert) durch komplizierte Indices und mathematische Modelle ersetzt, die die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Nährstoffelementen, Verbindungen und Ionen berücksichtigen (Baxter 2015). Diese Methoden erlauben keine einfache Bewertung der Auswirkungen von Änderungen der Nährstoffkonzentrationen in einem hydroponischen oder aquaponischen System. Ausserdem müssen 100 wir bedenken, dass es keine perfekte Formulierung der Nährstoffanforderungen für eine bestimmte Kulturpflanze gibt. Die Nährstoffanforderungen variieren je nach Sorte, Lebenszyklusstadium, Tageslänge und Wetterbedingungen (Bittszansky et al. 2016; Resh 2013; Sonneveld & Voogt 2009). Abbildung 11: Umweltstickstoff- und -phosphorfluss (in %) für (a) Nil-Tilapia-Käfigproduktion (nach Montanhini Neto & Ostrensky 2015); (b) RAS-Produktion (Daten von Strauch et al. 2018). Als unbekannt wird die Fraktion benannt, die nicht einzuordnen ist und nicht direkt gemessen wurde. Tabelle 10: Vergleich der Konzentrationen von Nährstoffen in Standard-Hydrokulturlösung und in Wasser aus einem geschlossenen Aquaponik-System (Schmautz, unveröffentlichte Daten) Konzentration [mg/l] Hydrokultur Konzentrations(optimiert für Aquaponik verhältnis Kopfsalat, Resh (Schmautz, (Hydroponik/ 2013) unveröffentlicht) Aquaponik) Makronährstoffe N (als NO3-) 147 165 1.1 N (als NH4+) 2.8 15 5.4 3P (als PO4 ) 5.1 50 10 + K (wie K ) 84 210 2.5 Mg (als Mg2+) 18 45 2.5 + Ca (als Ca2 ) 180 190 1.1 S (wie SO42-) 21 65 3.1 Mikronährstoffe Fe (als Fe2+) 0.2 4 20 Zn (Zn2+) 0.2 0.1 0.5 B (als B[OH4] ) 0.1 0.5 5 + Mn (als Mn2 ) 1.4 0.5 0.4 Cu (als Cu2+) 0.1 0.1 1 2Mo (wie MoO4 ) 0.002 0.05 25 101 Im Allgemeinen sollte für ein gutes Pflanzenwachstum in Hydrokulturen die Stickstoffkonzentration über 165 mg/l, die Phosphorkonzentration über 50 mg/l und die Kaliumkonzentration über 210 mg/l (Resh 2013) bleiben. In der Aquaponik sind solch hohe Konzentrationen für mehrere relevante Elemente aus drei Gründen schwierig zu erreichen: 1. Je höher die Konzentrationen im Wasser sind, desto höher ist der Verlust von Nährstoffen durch Wasseraustausch oder Schlamm. Aber auch in geschlossenen Systemen ist ein gewisser Wasseraustausch erforderlich, um die Verluste durch die Evapotranspiration auszugleichen und die Ansammlung unerwünschter Komponenten zu reduzieren. 2. Mit der erhöhten Konzentration von Nährstoffen im Wasser reichern sich auch Komponenten wie Salz oder Giftstoffe im System an. 3. Phosphor reagiert mit Kalzium, wenn dieses in höheren Konzentrationen vorhanden ist, und fällt als Kalziumphosphat aus. Pflanzen, die im hydroponischen Kompartiment wachsen, haben spezifische Anforderungen, die von der Pflanzensorte und dem Wachstumsstadium (Resh 2013) abhängen. Die Nährstoffe können entweder über das Systemwasser (Schmautz et al. 2016) oder über die Blattapplikation (Roosta & Hamidpour 2011) ergänzt werden. In der Regel reichen bei entsprechendem Fischbesatz die Mengen an Stickstoff (N) für ein gutes Pflanzenwachstum aus, während die Mengen mehrerer anderer Nährstoffe, insbesondere Eisen (Fe), Phosphor (P), Kalium (K) und Magnesium (Mg), für ein maximales Pflanzenwachstum nicht ausreichen. Wie aus Tabelle 10 hervorgeht, könnten auch andere Mikronährstoffe limitierend sein. In der Aquaponik ist es besonders wichtig, den pH-Wert zu überwachen, da bei einem pH-Wert über 7 mehrere Nährstoffe (siehe Abbildung 10) aus dem Wasser ausfallen können und somit für die Pflanzen nicht mehr verfügbar sind. Kalium (K) ist für Fische nicht notwendig, deswegen enthält das Fischfutter sehr wenig K. Dadurch gelangt auch wenig K zu den Pflanzen (Seawright et al. 1998). Für die Kaliumversorgung wird häufig KOH-pH-Puffer verwendet, da der pH-Wert bei Aquaponik aufgrund der Nitrifikation häufig sinkt (Graber & Junge 2009). Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass der Kaliumgehalt erhöht wird, obwohl es für Fische giftig sein kann. Der LC50-Wert der akuten Fischtoxizität wurde in der Grössenordnung von 80 mg/l angegeben. In Aquaponik-Systemen, die mit Tomaten bepflanzt sind, reichert sich Kalium hauptsächlich in den Früchten an (Schmautz et al. 2016). Eisen (Fe) ist auch oft ein limitierender Faktor in der Aquaponik, daher kann es als vorbeugende Massnahme hinzugefügt werden, bevor die Mängel offensichtlich werden. Hohe Konzentrationen von Eisen schaden einen Aquaponik nicht, obwohl es dem Wasser eine leicht rote Farbe geben kann. Um eine einfache Aufnahme durch die Pflanzen zu gewährleisten, muss Eisen als Chelateisen, auch bekannt als sequestriertes Eisen, zugegeben werden. Es gibt verschiedene Arten von Eisenchelaten: Fe-EDTA, Fe-DTPA und Fe-EDDHA. Eisen kann in das Systemwasser (z.B. 2 mg L-1 einmal alle zwei Wochen) oder direkt auf die Blätter (Blattapplikation) von 0.5 g L-1) gesprüht werden (Roosta & Hamidpour 2011). Die Hauptquelle für Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und Schwefel (S) ist Leitungswasser, was die Pflanzenaufnahme erleichtert, da die Nährstoffe bereits verfügbar sind (Delaide et al. 2017). Dennoch sind diese Elemente in Aquaponik oft auf niedrigen Niveaus (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998, Schmautz, unveröffentlichte Daten). Insbesondere Ca ist oft ein limitierender Faktor in der Aquaponik, da es nur durch aktive Xylemtranspiration transportiert werden kann. Wenn die Umgebungsluft zu feucht ist, kann es sein, dass Kalzium zwar vorhanden, aber ausgesperrt ist, weil die 102 Pflanzen nicht transpirieren. Eine Erhöhung des Luftstroms mit Lüftern oder Ventilatoren kann dieses Problem verhindern. Andernfalls sollte Kalziumkarbonat (CaCO3) oder Kalziumhydroxid (Ca(OH)2) ergänzt werden. Zink (Zn) wird bei der Galvanisierung einiger Metallteile verwendet, die beim Bau von AP (Fischbecken, Bolzen usw.) eingesetzt werden können, und es ist in Fischabfällen enthalten. Während Zinkmangel selten ist, kann die Zink-Toxizität bei der Aquaponik ein Problem darstellen, denn während Pflanzen einen Überschuss tolerieren können, können Fische dies nicht. Der Zinkgehalt sollte zwischen 0.03 – 0.05 mg/l gehalten werden. Die meisten Fische werden bei 0.1 bis 1 mg/l gestresst und beginnen bei 4-8 mg/l zu sterben. Der beste Weg, den Zinkgehalt in einem unschädlichen Bereich zu halten, ist die Vermeidung von verzinkten Geräten (Stockwerk 2018). Dennoch kann es in einigen Systemen zu Zinkmangel kommen. Zinkmangel kann durch Blattapplikation von chelatiertem Zink gemildert werden (Treadwell et al. 2010) Damit stellt sich die Frage, ob es notwendig und wirksam ist, zusätzliche Nährstoffe in die Aquaponik einzubringen (Nozzi et al. 2018). Unter der Voraussetzung, dass das System mit genügend Fischen bestückt ist und der pH-Wert auf dem richtigen Niveau liegt, ist es nicht notwendig, Nährstoffe für Pflanzen mit einem kurzen Anbauzyklus, die keine Früchte produzieren (z.B. Blattgrün wie Salat, Nozzi et al. 2018), hinzuzufügen. Im Gegensatz dazu benötigen Fruchtgemüse (z.B. Tomaten, Auberginen) eine Nährstoffergänzung. Die Menge der benötigten Mineraldünger kann mit Hilfe der Software HydroBuddy (Fernandez 2016) berechnet werden. Zusätzlich zu unseren Erfahrungen mit der Ergänzung von Mineralstoffen sollten in Zukunft kommerziell erhältliche organische HydroponikDünger getestet werden, um zu definieren, welche das Leben der Fische nicht beeinträchtigen. Kürzlich wurde die Behandlung des Fischschlamms in einem Faulbehälter und die Wiedereinleitung dieses Gärrestes in das Wassersystem vorgeschlagen, um die Nährstoffversorgung der Pflanzen zu erhöhen (Goddek et al. 2016). Ein weiterer möglicher Nutzen der Versorgung der Aquaponik mit organischen statt mineralischen Nährstoffen könnte eine positive Wirkung auf die Mikrobenpopulation haben. 5.5 Referenzen Baxter, I. 2015. Should we treat the ionome as a combination of individual elements, or should we be deriving novel combined traits? Journal of Experimental Botany 66 (8), 2127-2131. Bhalerao, S.A., Sharma, A.S. & Poojari, A.C. 2015. Toxicity of nickel in plants. International Journal of Pure and Applied Biosciences 3 (2), 345-355. Bittsanszky, A., Uzinger, N., Gyulai, G., Mathis, A., Junge, R., Villarroel, M., Kotzen B. & Kőmíves, T. 2016. Nutrient supply of plants in aquaponic systems. Ecocycles 2 (2), 17-20. Boyd, C.E. 2015. Overview of aquaculture feeds: Global impacts of ingredient use. In D.A. Davis (ed.) Feed and Feeding Practices in Aquaculture, pp. 3-25. Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition, Sawston. Bryson, B. 2003. A Short History of Nearly Everything. 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Bodenlose Landwirtschaft ist zudem in der Regel weniger arbeitsintensiv, unterstützt gewisse Monokulturen besser als bodengebundene Landwirtschaft und kann auf nicht landwirtschaftlich nutzbaren Flächen eingesetzt werden (Somerville et al. 2014c). Abbildung 1: Klassifikation der erdlosen Kulturen nach der Verwendung von Substrat oder Nährboden. Die Hauptaufgabe des Substrats (falls es überhaupt verwendet wird) ist es, als Stütze für die Pflanzen zu dienen und für Feuchtigkeit und Belüftung zu sorgen. 6.1.2 Vorteile der Hydrokultur Die Hydrokultur ermöglicht es dem Landwirt, die Wachstumsbedingungen der Pflanzen zu überwachen, zu pflegen und anzupassen, wodurch optimale Nährstoffbilanzen, Wasserabgabe, pHWert und Temperatur in Echtzeit gewährleistet werden. Ausserdem gibt es keine Konkurrenz durch Unkräuter, und die Pflanzen profitieren von einer höheren Kontrolle betreffend Schädlinge und Krankheiten. Man sagt, dass eine in Hydrokultur angebaute Pflanze 90% weniger Wasser verbraucht, als wenn die gleiche Pflanze im Boden wachsen würde (Somerville et al. 2014c). In der Hydrokultur ist 107 der Wasserverbrauch das Minimum, das für das Pflanzenwachstum benötigt wird, während die bodennahe Landwirtschaft Wasser durch Verdunstung von der Oberfläche, Versickerung in den Untergrund, Abfluss und Unkrautwachstum verliert. Die Hydrokultur bietet daher ein grosses Potenzial für die Pflanzenproduktion in Gebieten, in denen Frischwasser knapp oder teuer ist. Da die für das Pflanzenwachstum notwendigen Nährstoffe in einer Lösung vorliegen, die direkt an die Wurzeln abgegeben wird, kann die Lösung auf die Bedürfnisse der Pflanze in einem bestimmten Wachstumsstadium zugeschnitten werden. Bei der bodengebundenen Landwirtschaft hingegen können die Landwirte die Nährstoffzufuhr zu den Pflanzen aufgrund der komplexen Prozesse im Boden nicht vollständig kontrollieren, und ein Teil des Düngers kann durch Abfluss verloren gehen, was nicht nur die Effizienz beeinträchtigt, sondern auch zu Umweltproblemen führt. Da hydroponisch angebaute Pflanzen ihre Wurzeln direkt in die Nährlösung eintauchen, erhalten sie das, was sie brauchen, viel leichter als Pflanzen, die im Boden wachsen, so dass sie in der Regel kleinere Wurzelsysteme haben und mehr Energie in das Blatt- und Stammwachstum »investieren» können. Dadurch kann die hydroponische Kultur zwischen 5 und 25% höhere Erträge erzielen als die bodengebundene Kultur (Somerville et al. 2014c). 6.1.3 Nachteile der Hydrokultur Es gibt jedoch auch einige Einschränkungen für hydroponische Systeme. Das Hauptproblem sind die hohen System-Errichtungskosten zu Begin. Hydroponische Systeme sind anfällig bei Stromausfällen, weil die elektrisch betriebenen Geräte die Nährlösung ohne Strom nicht zu den Pflanzen liefern können. Wenn Phytopathogene (Mikroorganismen wie Verticillium, Pythium und Fusarium) Lösungen oder Kulturen kontaminieren, können sich zudem wasserbürtige Krankheiten schnell im gesamten System ausbreiten. Die Betreiber von Hydrokultursystemen benötigen spezielle Fertigkeiten und Kenntnisse, um hohe Ernteerträge zu erzielen; sie müssen die richtigen Mengen an Nährstoffen und Beleuchtung erlernen, komplexe Ernährungsprobleme bewältigen, die Schädlingsbekämpfung aufrechterhalten und die Bildung von Biofilmen im Wasserschlauchsystem verhindern. Die nährstoffreiche Wasserlösungen und Kunststoffmaterialien können zwar wiederverwendet werden, jedoch erzeugen Hydrokultursysteme immer noch eine grosse Menge an Abfall, welcher negative Auswirkungen auf die Umwelt haben kann (Lee & Lee 2015). 6.2 Hydroponische Systeme Es gibt drei Haupttypen von Hydrokultursystemen (siehe auch Modul 1). In der MedienbettHydrokultur sind die Pflanzen in einem Substrat verankert. Bei der Nährfilmtechnik (NFT) wachsen die Pflanzen mit ihren Wurzeln in Kanälen, in denen ein Wasserrinnsal fliesst. Bei der Tiefwasserkultur (DWC) beziehungsweise bei Flosssystemen werden die Pflanzen mit Hilfe eines Flosses auf der Wasseroberfläche kultiviert. Jeder Typ hat seine Vor- und Nachteile, die im Folgenden näher erläutert werden. Die Beweise über ihre relative Effizienz für die Pflanzenproduktion in aquaponischen Systemen sind z.T. widersprüchlich. Lennard und Leonard (2006) verglichen die drei hydroponischen Subsysteme für die Salatproduktion und fanden die höchste Produktion in Kies-Medienbetten, gefolgt von DWC und NFT. Spätere Studien von Pantanella et al. 2012 ergaben jedoch, dass NFT genauso gut wie DWC abschneidet, während das Medienbett in Bezug auf den Ertrag sehr unterschiedliche Resultate hervorbringt. 108 Was die Rolle des Designs der hydroponischen Komponente auf die Gesamtleistung und den Wasserverbrauch von Aquaponiksystemen betrifft, so ergab eine Literaturstudie von Maucieri et al. 2018, dass die NFT scheint weniger effizient zu sein als die Medienbett- oder DWC-Hydroponik, obwohl die Ergebnisse nicht eindeutig waren. Die hydroponische Komponente hat einen direkten Einfluss auf die Wasserqualität, die für die Fischaufzucht unerlässlich ist, und ist auch die Hauptquelle für Wasserverluste durch die Evapotranspiration der Pflanzen. Das Design der hydroponischen Komponente beeinflusst daher die Nachhaltigkeit des gesamten Prozesses, entweder direkt in Bezug auf den Wasserverbrauch und / oder indirekt in Bezug auf die Kosten des Systemmanagements. Die Wahl der hydroponischen Komponente für ein Aquaponiksystem beeinflusst auch die Konstruktion des gesamten Systems. In Medienbettsystemen beispielsweise bietet das Substrat in der Regel eine ausreichende Oberfläche für Bakterienwachstum und Filtration, während in NFT-Kanälen die Oberfläche nicht ausreicht und zusätzliche Biofilter installiert werden müssen (Maucieri et al. 2018). 6.2.1 Medienbett-Hydroponik In der Hydrokultur mit Medienbeeten wird ein erdloses Wachstumsmedium oder Substrat verwendet, das den Wurzeln hilft, das Gewicht der Pflanze zu tragen. Das Medienbett dient auch als biologischer und physikalischer Filter. Von den hydroponischen Subsystemen haben Medienbetten die effizienteste biologische Filterung aufgrund der grossen Oberfläche, auf der sich der Biofilm, der nitrifizierende und andere Bakterien enthält, ansiedeln kann. Das Substrat fängt auch die festen und suspendierten Fischabfälle und andere schwimmende organische Partikel auf, obwohl die Wirksamkeit dieses physikalischen Filters von der Partikel- und Korngrösse des Substrats und der Wasserdurchflussrate abhängt. Mit der Zeit werden die organischen Partikel durch biologische und physikalische Prozesse langsam in einfache Moleküle und Ionen zerlegt, die den Pflanzen zur Aufnahme zur Verfügung stehen (Somerville et al. 2014b). Das Substrat kann organisch, anorganisch, natürlich oder synthetisch sein (Abbildung 1) und befindet sich in Wachstumsbehältern unterschiedlicher Form. Es muss eine ausreichende Oberfläche haben und gleichzeitig wasser- und luftdurchlässig bleiben, damit Bakterien wachsen, Wasser fliesst und die Pflanzenwurzeln atmen können. Es muss ungiftig sein, einen neutralen pH-Wert aufweisen, um die Wasserqualität nicht zu beeinträchtigen, sowie gegen Schimmelbildung resistent sein. Es darf auch nicht so leicht sein, dass es schwimmt. Wasserrückhalt, Belüftung und pH-Stabilität sind alles Aspekte, die je nach Substrat variieren. Wasser wird an der Partikeloberfläche und im Porenraum zurückgehalten, so dass die Wasserrückhaltung durch die Partikelgrösse, -form und -porosität bestimmt wird. Je kleiner die Partikel sind, desto enger packen sie sich zusammen, desto grösser ist die Oberfläche und der Porenraum und damit die Wasseraufnahme. Unregelmässig geformte Partikel haben eine grössere Oberfläche und damit einen höheren Wasserrückhalt als glatte, runde Partikel. Poröse Materialien können Wasser speichern; daher ist die Wasserrückhaltung hoch. Das Substrat muss zwar ein gutes Wasserrückhaltevermögen haben, aber auch eine gute Drainage. Daher sollen allzu feine Materialien vermieden werden, um eine übermässige Wasserspeicherung und mangelnde Sauerstoffbewegung im Substrat zu verhindern. Alle Substrate müssen periodisch gereinigt werden (Resh 2013). 109 Substrate können ebenfalls entweder als körnig oder faserig klassifiziert werden. Zu den körnigen Substraten gehören leichter Blähtonzuschlag, Kies, Vermiculit, Perlit und Bimsstein. Zu den faserigen Substraten gehören Steinwolle und Kokosfasern. Wasser wird hauptsächlich im Mikroporenraum eines Substrats gehalten, während die Makroporen einen schnellen Abfluss und Lufteintritt ermöglichen (Drzal et al. 1999). Eine adäquate Kombination von grossen und kleinen Poren ist daher unerlässlich (Raviv et al. 2002). Granulare Substrate haben eine hohe Makroporosität (Verfügbarkeit von Luft), aber eine vergleichsweise geringe Mikroporosität (Verfügbarkeit von Wasser), während faserige Substrate eine hohe Mikroporosität, aber eine vergleichsweise geringe Makroporosität aufweisen. Blähton (LECA) ist im Vergleich zu anderen Substraten sehr leicht, und somit ein ideales Substrat für Dachfarmen. Blähton gibt es in verschiedenen Grössen; solche mit einem Durchmesser von 8-20 mm werden für die Aquaponik empfohlen (Somerville et al. 2014). Grössere Porenräume (Makroporosität) bedeuten eine bessere Perkolation der Lösung durch das Substrat und eine bessere Luftzufuhr, auch wenn die Oberflächen von Biofilmen bedeckt sind. LECA hat jedoch kleine Mikroporen und verfügt daher nicht über eine gute Wasserspeicherkapazität. Vulkanischer Kies (Tuff) hat ein sehr hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, das Bakterien viel Platz zur Besiedlung bietet, und ist fast chemisch inert, abgesehen von geringen Freisetzungen von Mikroelementen wie Eisen und Magnesium und der Absorption von Phosphat- und Kaliumionen innerhalb der ersten Monate. Die empfohlene Korngrösse beträgt 8-20 mm im Durchmesser. Kies mit kleineren Korngrösse verstopft zu schnell durch Biofilmwachstum und sedimentierende Partikel, während grössere Kiese nicht die erforderliche Oberfläche oder Pflanzenunterstützung bieten (Somerville et al. 2014b). Kalkkies wird nicht als Substrat empfohlen, obwohl er manchmal verwendet wird. Kalkstein hat ein geringeres Oberflächen-Volumen-Verhältnis als vulkanischer Kies, er ist vergleichsweise schwer und nicht inert. Kalkstein besteht hauptsächlich aus Kalziumkarbonat (CaCO3), das sich in Wasser auflöst. Dadurch wird der pH-Wert erhöht, und es sollte daher nur dort verwendet werden, wo die Wasserquellen sehr niedrig alkalisch oder sauer sind. Dennoch kann eine geringe Zugabe von Kalkstein dazu beitragen, die säurebildende Wirkung nitrifizierender Bakterien auszugleichen, und kann zum Wasserpufferung in Aquaponiksystem beitragen (Somerville et al. 2014b). Vermiculit ist ein glimmerhaltiges Mineral, das sich ausdehnt, wenn es über 1000 ⁰C erhitzt wird. Das Wasser verwandelt sich in Dampf und bildet kleine, poröse, schwammartige Kerne. Vermiculit ist sehr leicht und kann grosse Mengen Wasser aufnehmen. Chemisch gesehen ist es ein hydratisiertes Magnesium-Aluminium-Eisen-Silikat. Es ist reaktionsneutral mit guten Puffereigenschaften, hat eine relativ hohe Kationenaustauschkapazität und kann somit Nährstoffe in Reserve halten und später wieder abgeben. Es enthält auch etwas Magnesium und Kalium, das für Pflanzen verfügbar ist (Resh 2013). Perlit ist ein kieselhaltiges Material vulkanischen Ursprungs, das aus Lavaströmen abgebaut wird. Er wird auf 760 ⁰C erhitzt, wodurch die kleine Menge Wasser in Dampf umgewandelt wird und die Partikel 110 zu kleinen, schwammartigen Körnern expandieren. Perlit ist sehr leicht und hält das Drei- bis Vierfache seines Gewichts an Wasser. Es ist im Wesentlichen neutral, mit einem pH-Wert von 6.0-8.0, aber ohne Pufferkapazität; im Gegensatz zu Vermiculit hat es keine Kationenaustauschkapazität und setzt keine Nährstoffe frei. Es sollte nicht allein verwendet werden, sondern mit einem anderen Substrat gemischt werden, um die Drainage und Belüftung zu verbessern und dadurch Nährstoffanreicherung und spätere Toxizitätsprobleme zu verhindern und gleichzeitig ein sauerstoffreiches Milieu zu schaffen, in dem die Wurzeln gedeihen können (Resh 2013). Bimsstein ist wie Perlit ein siliziumhaltiges Material vulkanischen Ursprungs und hat im Wesentlichen die gleichen Eigenschaften. Es handelt sich jedoch um das Roherz nach dem Brechen und Sieben, ohne jeglichen Erhitzungsprozess, und daher ist es schwerer und nimmt nicht so leicht Wasser auf (Resh 2013). Steinwolle wird aus Basaltgestein hergestellt, das in Öfen bei einer Temperatur von 1500 ⁰C geschmolzen wird. Der flüssige Basalt wird dann zu Fäden gesponnen und zu Wollpaketen gepresst, die zu Platten, Blöcken oder Pfropfen geschnitten werden. Der grösste Teil der raschen Expansion der Gewächshausindustrie in den letzten zwei Jahrzehnten ist auf die Steinwollkultur zurückzuführen. In den letzten Jahren wurden jedoch Bedenken hinsichtlich der Entsorgung geäussert, da es in Deponien nicht abgebaut wird. Jetzt wenden sich viele Landwirte einem nachhaltigeren Substrat zu - Kokosfasern (Resh 2013). Kokosfasern sind ein organisches Substrat, das aus ausgefransten und gemahlenen Kokosnussschalen gewonnen wird. Kokosfasern sind nahezu pH-neutral und halten das Wasser zurück, während sie eine gute Menge an Sauerstoff für die Wurzeln zulassen (Resh 2013). Tabelle 1: Eigenschaften verschiedener Kultursubstrate (nach Somerville et al. 2014b) Untergrund KalksteinKies Vulkanischer Kies Bimsstein LECA Coir Fläche (m2/m3) 150-200 pH Kosten Basisch Niedrig 300-400 Neutral Mittel 200-300 Neutral 250-300 200-400 (variabe l) Neutral Neutral MittelHoch Hoch Niedrig -Mittel Gewich t Schwer Lebensspann e Lang Wasserrückhalt Gering Pflanzliche Unterstützung Ausgezeichnet Mediu m Leicht Lang Mittel-gering Ausgezeichnet Lang Mittel Leicht Leicht Lang Kurz Mittelgering Hoch Mittelschlecht Mittel Mittel Je nach Art, wird ein Substrat etwa 30-60 Prozent des gesamten Medienbettvolumens einnehmen. Die Tiefe des Medienbetts ist wichtig, weil sie die Menge des Wurzelraumvolumens bestimmt, was wiederum die Arten von Gemüse bestimmt, die angebaut werden können. Grosse Fruchtgemüse wie Tomaten, Okra und Kohl benötigen eine Substrattiefe von 30 cm, um genügend Wurzelraum zu 111 schaffen und um Wurzelverfilzung und Nährstoffmangel zu verhindern. Kleine grüne Blattgemüse benötigen nur 15-20 cm Substrattiefe (Somerville et al. 2014b). Abbildung 2: Tomatensetzlinge, die in einem Medienbeet-Container-System mit Tropfbewässerung und LECASubstrat wachsen https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg Es gibt verschiedene Techniken, um nährstoffreiches Wasser in Medienbetten zu liefern. Es kann einfach aus Tropfern geträufelt werden, die an gleichmässig auf dem Medium verteilten Rohren angebracht sind (Abbildung 2). Alternativ dazu führt eine Methode namens Flood-and-Drain (oder Ebbe und Flut) dazu, dass die Medienbetten periodisch mit Wasser geflutet werden, welches anschliessend in ein Reservoir zurückfliesst. Der Wechsel zwischen Überflutung und Entwässerung sorgt dafür, dass die Pflanzen frische Nährstoffe und einen ausreichenden Luftstrom in der Wurzelzone haben, der den Sauerstoffgehalt wieder auffüllt. Sie sorgt auch dafür, dass sich jederzeit genügend Feuchtigkeit im Bett befindet, damit die Bakterien unter ihren optimalen Bedingungen gedeihen können. Die Beschaffenheit eines Flut- und Entwässerungsmedienbetts schafft drei separate Zonen, die sich durch ihren Wasser- und Sauerstoffgehalt unterscheiden (Somerville et al. 2014b): • • • Die oberen 2-5 cm bilden die Trockenzone, die als Lichtschranke fungiert, die Verdunstung minimiert und verhindert, dass das Licht direkt auf das Wasser trifft, was zu Algenwachstum führen kann. Sie verhindert auch das Wachstum von Pilzen und schädlichen Bakterien an der Basis des Pflanzenstammes, die Halsbandfäule und andere Krankheiten verursachen können. Die Trocken-/Nasszone hat sowohl Feuchtigkeit als auch einen hohen Gasaustausch. Dies ist die 10-20 cm tiefe Zone, in der das Medienbett abwechselnd (intermittierend) geflutet und entwässert wird. Wenn keine Flut- und Entwässerungstechniken verwendet werden, ist diese Zone der Weg, auf dem das Wasser durch das Medium fliesst. Der grösste Teil der biologischen Aktivität findet in dieser Zone statt. Die Nasszone sind die untere 3-5 cm des Bettes, die permanent nass bleiben. Die kleinen partikelförmigen festen Abfälle sammeln sich in dieser Zone an, und daher befinden sich hier auch die Organismen, die bei der Mineralisierung am aktivsten sind, einschliesslich heterotropher Bakterien und anderer Mikroorganismen, die den Abfall in kleinere Fraktionen und Moleküle zerlegen, die von den Pflanzen durch den Prozess der Mineralisierung aufgenommen werden können (Somerville et al. 2014b). 112 6.2.2 Nährfilmtechnik (NFT) Bei der Nährfilmtechnik (NFT) fliesst kontinuierlich ein dünner Film (zwei bis drei Millimeter tief) entlang des Bodens kleiner Kanäle, in denen die Wurzelsysteme sitzen. Bei der NFT besteht das Ziel darin, dass ein Teil der Wurzel im Nährstoffstrom liegt, die anderen Wurzeln hängen jedoch ohne eingetaucht zu werden in der feuchten Luft und haben so einen guten Zugang zu Sauerstoff (Somerville et al. 2014b). Abbildung 3: NFT-Rundrohrsystem https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg Abbildung 4: NFT-Rechteckrohrsystem https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg Die Kanäle haben oft die Form von Rohren (Abbildung 3). Am besten eignen sich Rohre mit rechteckigem Querschnitt (Abbildung 4), deren Breite grösser ist als die Höhe, weil dadurch ein grösseres Wasservolumen auf die Wurzeln trifft somit die Nährstoffaufnahme und das Pflanzenwachstum erhöh werden. Grössere Fruchtgemüse und Polykulturen (Anbau verschiedener Gemüsesorten) erfordern grössere Rohre als bei schnell wachsenden Blattgemüsen und kleinen 113 Gemüsesorten mit geringer Wurzelmasse. Die Länge des Rohrs kann variieren, aber es ist zu bedenken, dass gegen Ende sehr langer Rohre Nährstoffmangel bei den Pflanzen auftreten kann, weil die ersten Pflanzen die zur Verfügung stehenden Nährstoffe bereits aufgenommen haben (Abbildung 5). Es sollten vorzugsweise weisse Rohre verwendet werden, da Weiss die Sonnenstrahlen reflektiert und so das Innere der Rohre kühl hält. Die Kanäle müssen mit einer Neigung von ca. 1% positioniert werden (Abbildung 5), damit die Nährlösung mit einer guten Geschwindigkeit fliesst, die bei den meisten Systemen bei etwa einem Liter/Minute liegt (Somerville et al. 2014a). NFT-Systeme werden meist für die Produktion von schnellwachsenden Kulturen wie Salat, Kräuter, Erdbeeren, grünes Gemüse, Futtermittel und Mikrogrün eingesetzt. Abbildung 5: Schräge NFT-Kanäle. Der NFT-Kanal ist 12.5 m lang und wurde mit Wasser aus dem angrenzenden Fischbecken gespeist. Es wurden keine Nährstoffe ergänzt. Man kann die zunehmende Nährstofflimitierung entlang des Kanals beobachten. 6.2.3 Tiefenwasserkultur (Deep water culture, DWC) Das DWC- oder Flosssystem ist eine Art von Hydroponiksystem, bei dem die Pflanzen mit Hilfe eines Flosses über einem Wasserbehälter aufgehängt werden und die Wurzeln in Nährlösung getaucht und über eine Luftpumpe belüftet werden. Im Gegensatz zu den NFT-Systemen, bei denen die Nährstoffe im kleinen Wasserfilm, der in der Wurzelebene fliesst, schnell erschöpft sind, können die Pflanzen aufgrund der grossen Wassermenge in den DWC-Kanälen beträchtliche Mengen an Nährstoffen nutzen. Die Länge der Kanäle ist daher kein Thema, und sie können zwischen einem und zehn Metern liegen. Die empfohlene Tiefe beträgt 30 cm, um der Pflanze ausreichend Wurzelraum zu geben, obwohl kleine Blattgrünarten wie Salat nur eine Tiefe von 10 cm oder sogar weniger benötigen. Die Durchflussrate des in jeden Kanal eintretenden Wassers ist relativ gering, und im Allgemeinen hat jeder Kanal eine Verweilzeit (die Zeit, die benötigt wird, um das gesamte Wasser in einem Behälter zu ersetzen) von 1-4 Stunden. Dies ermöglicht eine angemessene Nährstoffversorgung in jedem Kanal, obwohl die Wassermenge und die Nährstoffmenge in tiefen Kanälen ausreicht, um die Pflanzen über 114 längere Zeiträume zu ernähren (Somerville et al. 2014b). Andererseits kann eine zusätzliche Belüftung erforderlich sein, da die Durchflussraten nicht hoch genug sind, um ausreichend Sauerstoff zu liefern. Einige Pflanzen, wie z.B. Salat, gedeihen im Wasser und werden üblicherweise in Tiefwasserkultur angebaut. DWC ist die gebräuchlichste Methode für grosse kommerzielle Betriebe, die eine bestimmte Kultur (typischerweise Kopfsalat, Schnittsalat oder Basilikum) anbauen, und eignet sich gut für die Mechanisierung. Abbildung 6: Basilikum und andere Pflanzen, die im DWC-System wachsen, im Gewächshaus der CDC South Aquaponics in Brooks, Alberta (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg) 6.2.4 Aeroponik In aeroponischen Systemen werden die Pflanzen angebaut und ernährt, indem ihre Wurzel in der Luft aufgehängt und regelmässig mit einer Nährlösung besprüht werden. Es gibt zwei Haupttypen von Aeroponik-Systemen: Hochdruck-Aeroponik und Niederdruck-Aeroponik, wobei der Hauptunterschied in der Tröpfchengrösse des jeweils verwendeten Nebels besteht. Die Niederdruck-Aeroponik verwendet Niederdruck-Hochdruckpumpen, während die Hochdruck-Aeroponik Hochdruckpumpen (etwa 120 PSI) verwendet, um Wasser zu zerstäuben und Wassertröpfchen von 50 Mikron oder weniger zu erzeugen. Bei sehr feinem Nebel wird der Begriff "Fogponik" verwendet, um eine dritte Art von aeroponischen Systemen zu bezeichnen. Pflanzen, die mit einem aeroponischen System angebaut werden, neigen dazu, schneller zu wachsen als solche, die in anderen Arten von hydroponischen Systemen angebaut werden, da sie reichlich mit Sauerstoff in Kontakt kommen (Li et al. 2018). 6.3 Pflanzenanatomie, Physiologie und Anbaubedürfnisse 6.3.1 Anatomie der Pflanze Die Pflanzenanatomie beschreibt die Struktur und Organisation der Zellen, Gewebe und Organe von Pflanzen in Bezug auf ihre Entwicklung und Funktion. Blühende Pflanzen bestehen aus drei vegetativen Organen: (i) Wurzeln, die hauptsächlich als Verankerung, der Wasser- und Nährstoffaufnahme sowie als Zucker- und Stärkespeicher dienen; (ii) Stängel, die als Stütze dienen; und (iii) Blätter, die über die Photosynthese organische Substanzen produzieren. Die Wurzeln wachsen als Reaktion auf die Schwerkraft nach unten. Im Allgemeinen produziert ein Keimling eine Primärwurzel, die gerade nach 115 unten wächst und sekundäre Seitenwurzeln hervorbringt. Diese können tertiäre Wurzeln hervorbringen, die sich wiederum verzweigen können, wobei der Prozess fast unbegrenzt weitergeht. Das Wachstum erfolgt an der Wurzelspitze oder am Apex, die durch eine Wurzelkappe geschützt ist. Auf der Suche nach Mineralien und Wasser wachsen und verzweigen sich die Wurzeln ständig. Die Effizienz der Wurzel als Absorptionsorgan hängt von ihrer absorbierenden Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen ab, das durch die Wurzelhaare und das komplexe System der Äste entsteht. Abbildung 7 veranschaulicht die grundlegende Anatomie einer Pflanze. Das Hypokotyl ist der Teil des Stammes, der an seiner Basis mit der Wurzel verbunden ist. Am anderen Ende des Stammes befindet sich die Endknospe, oder Apikalknospe, die die Wachstumsspitze ist. Der Stamm wird normalerweise in Knoten und Internodien unterteilt. Die Knoten enthalten ein oder mehrere Blätter, die durch Blattstiele am Stängel befestigt sind, sowie Knospen, die zu Zweigen mit Blättern oder Blüten wachsen können. Die Internodien distanzieren einen Knoten von einem anderen. Der Stängel und seine Zweige ermöglichen es, die Blätter so anzuordnen, dass die Sonneneinstrahlung maximiert wird, und die Blüten so anzuordnen, dass die Bestäuber am besten angezogen werden. Die Verzweigung entsteht durch die Aktivität der apikalen und axillaren Knospen. Apikaldominanz tritt auf, wenn die Sprossspitze das Wachstum der Seitenknospen hemmt, so dass die Pflanze vertikal wachsen kann. Die Triebe, die die Blätter, Blüten und Früchte tragen, wachsen auf eine Lichtquelle zu. Die Blätter enthalten in der Regel Pigmente und sind die Orte der Photosynthese (siehe 6.3.2.1). Die Blätter enthalten auch Spaltöffnungen, Poren, durch die Wasser austritt und durch die ein Gasaustausch stattfindet (Kohlendioxid rein und Sauerstoff raus). Abbildung 7: Die Anatomie einer Pflanze 1. Das Assimilationssystem. 2. Das Wurzelsystem. 3. Hypokotyl. 4. Endknospe. 5. Blatt. 6. Das Internodium. 7. Achselknospe. 8. Knotenpunkt. 9. Stängel. 10. Blattstiel. 11. Primärwurzel. 12.Wurzelhaare. 13. Wurzelspitze. 14. Wurzelhaube https://en.wikipedia.org/wiki/Plant_anatomy#/media/File:Plant_Anatomy.svg 116 6.3.2 Pflanzenphysiologie Die Pflanzenphysiologie ist ein umfangreiches Fachgebiet, das grundlegende Prozesse wie zB Photosynthese, Atmung, Pflanzenernährung, Pflanzenhormonfunktionen, Tropismen, Photoperiodismus, Photomorphogenese, zirkadiane Rhythmen, Physiologie von Umweltstress, Samenkeimung, Keimruhe, Spaltöffnungsfunktion und Transpiration umfasst. Hier konzentrieren wir uns auf die wichtigsten physiologischen Prozesse und wie sie von den Umweltbedingungen beeinflusst werden. Photosynthese Alle grünen Pflanzen erzeugen ihre eigene Nahrung durch Photosynthese. Die Photosynthese ist der Prozess, bei dem Pflanzen durch die Fixierung von CO2 in der Lage sind, Licht zur Erzeugung von Energie und Kohlenhydraten zu nutzen: 6 𝐹𝐹𝑂𝑂2 + 6 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 → 𝐹𝐹6 𝐻𝐻12 𝑂𝑂6 + 6 𝑂𝑂2 Obwohl die Photosynthese in allen grünen Teilen einer Pflanze stattfindet, ist der Hauptstandort für diesen Prozess das Blatt. Kleine Organellen, Chloroplasten genannt, enthalten Chlorophyll, ein Pigment, das die Energie des Sonnenlichts nutzt, um energiereiche Zuckermoleküle wie Glukose zu erzeugen. Nach ihrer Herstellung werden die Zuckermoleküle durch die ganze Pflanze transportiert, wo sie für alle physiologischen Prozesse wie Wachstum, Fortpflanzung und Stoffwechsel verwendet werden. Für die Photosynthese werden Licht, Kohlendioxid und Wasser benötigt. Atmung Der Prozess der Atmung von Pflanzen beinhaltet die Verwendung der bei der Photosynthese erzeugten Zucker und des Sauerstoffs zur Erzeugung von Energie für das Pflanzenwachstum: 𝐹𝐹6 𝐻𝐻12 𝑂𝑂6 + 6 𝑂𝑂2 → 6 𝐹𝐹𝑂𝑂2 + 6 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 + 𝐸𝐸𝐾𝐾𝐿𝐿𝑜𝑜𝐿𝐿𝐾𝐾𝐿𝐿 Während die Photosynthese nur in den Blättern und Stängeln stattfindet, findet die Atmung in allen Teilen der Pflanze statt. Pflanzen erhalten Sauerstoff aus der Luft durch die Spaltöffnungen, und die Atmung findet in den Mitochondrien der Zelle in Gegenwart von Sauerstoff statt. Die Atmung der Pflanzen erfolgt 24 Stunden am Tag, aber die Nachtatmung ist offensichtlicher, da dann die Photosynthese aufhört. Während der Nacht ist es sehr wichtig, dass die Temperatur kühler ist als am Tag, da dies die Atmungsrate reduziert und es den Pflanzen somit ermöglicht, Glukose zu akkumulieren und daraus andere Substanzen zu synthetisieren, die für das Wachstum der Pflanze benötigt werden. Hohe Nachttemperaturen verursachen hohe Atmungsraten, die zu Blütenschäden und schlechtem Pflanzenwachstum führen können. 117 Osmose und Plasmolyse Osmose ist der Prozess, bei dem das Wasser in die Wurzeln der Pflanze eindringt und zu ihren Blättern wandert (Abbildung 8). In den meisten Böden sind kleine Mengen von Salzen in grossen Mengen Wasser gelöst. Umgekehrt enthalten die Pflanzenzellen weniger Wasser, in dem sich Salze, Zucker und andere Substanzen konzentrieren. Während der Osmose versuchen die Wassermoleküle, ihre Konzentration auf beiden Seiten der Zellmembranen auszugleichen. Wenn sich Wasser aus dem Boden, wo es am häufigsten vorkommt, bewegt, "versucht" es also, die Lösung in den Zellen zu verdünnen. Das in eine Zelle eintretende Wasser wird in einer grossen, zentralen Vakuole gespeichert. Wenn eine Zelle geschwollen (vollständig aufgeblasen) wird, wird die Wasseraufnahme verlangsamt. Der Zellturgor verleiht wassergefüllten Geweben Festigkeit. Der Unterschied zwischen knusprigen und welken Salatblättern veranschaulicht die Natur von geschwollenen und nicht geschwollenen (schlaffen) Zellen. Die meisten Pflanzenarten welken in Böden, in denen sich erhebliche Mengen an Salzen angesammelt haben, selbst wenn ausreichend Wasser vorhanden ist. Solche salzhaltigen Böden haben einen geringeren Wassergehalt als die Wurzelzellen, so dass die Wurzeln bei der Umkehrung der osmotischen Fliessrichtung Wasser verlieren. Dieser Prozess wird Plasmolyse genannt. Eine Zelle beginnt zu schrumpfen, ohne dass genügend inneres Wasser vorhanden ist. Nach längerem Wasserverlust beginnt die Zelle zu kollabieren, ohne dass es im Inneren Wasser zur Unterstützung gibt. Ein vollständiger Zellkollaps ist selten reversibel. Wenn die Zellen durch den Wasserverlust zu kollabieren beginnen, ist die Pflanze normalerweise dem Untergang geweiht, weil ihre Zellen absterben. Abbildung 8: Turgordruck auf Pflanzenzellen https://de.wikipedia.org/wiki/Turgor#/media/Datei:Plasmolyse_Pflanzenzelle.svg Transpiration Unter Transpiration versteht man den Verlust von Wasser aus einer Pflanze in Form von Wasserdampf. Dieses Wasser wird durch zusätzliche Wasseraufnahme durch die Wurzeln ersetzt, was zu einer kontinuierlichen Wassersäule im Inneren der Pflanze führt. Der Prozess der Transpiration versorgt die Pflanze mit Verdunstungskühlung, Nährstoffen, Kohlendioxideintrag und Wasser zur Bereitstellung der Pflanzenstruktur. Wenn eine Pflanze transpiriert, sind ihre Spaltöffnungen offen, was einen Gasaustausch zwischen der Atmosphäre und dem Blatt ermöglicht. Offene Spaltöffnungen lassen Wasserdampf aus dem Blatt austreten, aber auch Kohlendioxid (CO2) eindringen, das für die Photosynthese benötigt wird. Die Temperatur hat einen grossen Einfluss auf die Transpirationsrate. 118 Mit steigender Lufttemperatur nimmt die Wasserhaltekapazität der Luft stark zu. Warme Luft erhöht daher die Antriebskraft für die Transpiration, während kühlere Luft sie verringert. Fototropismus Phototropismus ist eine Richtungsreaktion, die es den Pflanzen ermöglicht, auf eine Lichtquelle zuzuwachsen oder sich in einigen Fällen von ihr zu entfernen. Positiver Phototropismus ist Wachstum in Richtung einer Lichtquelle; negativer Phototropismus ist Wachstum weg vom Licht. Triebe oder oberirdische Pflanzenteile weisen im Allgemeinen einen positiven Phototropismus auf. Diese Reaktion hilft den grünen Teilen der Pflanze, sich einer Quelle von Lichtenergie zu nähern, die dann für die Photosynthese genutzt werden kann. Die Wurzeln hingegen werden sich vom Licht entfernen. Das Hormon, das den Phototropismus steuert, ist Auxin. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Zunahme der Zelllänge zu stimulieren, insbesondere in der Nähe von Stamm- und Wurzelspitzen. Bei von oben beleuchteten Stämmen werden die Zellen gleich schnell gedehnt, was zu einem vertikalen Wachstum führt. Aber wenn sie von einer Seite beleuchtet werden, ändern die Stämme ihre Richtung, weil sich Auxin in der schattigen Seite ansammelt und die Zellen dort schneller wachsen als die zum Licht hin. Phototropismus kann daher dazu führen, dass Pflanzen hoch und dünn werden, wenn sie sich strecken und biegen, um eine angemessene Lichtquelle zu finden. Fotoperiodismus Photoperiodismus ist die Regulierung der Physiologie oder Entwicklung als Reaktion auf die Tageslänge, die es einigen Pflanzenarten erlaubt, nur zu bestimmten Zeiten des Jahres zu blühen - in den Reproduktionsmodus zu wechseln. Anhand von Photoperiodismus unterscheiden wir drei Kategorien von Pflanzen: Langtagspflanzen, Kurztagspflanzen und tagesneutrale Pflanzen. Die Wirkung des Photoperiodismus bei Pflanzen ist nicht auf den Zeitpunkt der Blüte beschränkt. Es kann auch das Wachstum von Wurzeln und Stängeln und den Verlust von Blättern (Abszission) während verschiedener Jahreszeiten beeinflussen. Langtagspflanzen blühen im Allgemeinen während der Sommermonate, wenn die Nächte kurz sind. Beispiele dafür sind Kohl, Salat, Zwiebeln und Spinat. Auf der anderen Seite blühen Kurztagspflanzen während der Jahreszeiten mit längeren Nachtzeiten. Sie benötigen eine kontinuierliche Menge an Dunkelheit, bevor die Blütenentwicklung beginnen kann. Erdbeeren sind Kurztagspflanzen. Die Blüte einiger Pflanzen, die als tagesneutrale Pflanzen bezeichnet werden, ist nicht an eine bestimmte Photoperiode gebunden. Dazu gehören Chilis, Gurken und Tomaten. Kommerzielle Züchter können sich das Wissen über die Photoperiode einer Pflanze zunutze machen, indem sie sie so manipulieren, dass sie blüht, bevor sie auf natürliche Weise blühen würde. Beispielsweise können Pflanzen zur Blüte gezwungen werden, indem ihr Zugang zu Licht ausgesetzt oder eingeschränkt wird, und können dann so manipuliert werden, dass sie ausserhalb ihrer üblichen Jahreszeit Früchte oder Samen produzieren (Rauscher 2017). 6.3.3 Wachstums-Anforderungen Die wichtigsten Umweltfaktoren, die das Pflanzenwachstum beeinflussen, sind: Licht, Wasser, Kohlendioxid, Nährstoffe (siehe Kapitel 3), Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit. Diese wirken auf die Wachstumshormone der Pflanze, wodurch die Pflanze schneller oder langsamer wächst. 119 Licht Die Lichtdurchlässigkeit, in der entsprechenden Menge und Qualität, ist entscheidend für eine optimale Photosynthese, Wachstum und Ertrag. Die Sonne erzeugt Photonen mit einem breiten Wellenlängenbereich (Abbildung 9): UVC 100-280 Nanometer (nm), UVB 280-315 nm, UVA 315-400 nm, sichtbare oder photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) 400-700 nm, Tiefrot (sogenanntes FardRed) 700-800 nm und Infrarot 800-4000 nm. Im sichtbaren Bereich des Spektrums lassen sich die Wellenbereiche weiter in Farben unterteilen: blau 400-500 nm, grün 500-600 nm und rot 600-700 nm. Pflanzen sind in der Lage, Wellenlängen zwischen 400 nm und 700 nm für die Photosynthese zu nutzen. Dieser Wellenbereich wird als photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) bezeichnet (Davis 2015). Abbildung 9: Chlorophyll-Absorptionsspektrum (adaptiert nach https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20509583) Es gibt zwei Typen von Chlorophyll - Chlorophyll a und Chlorophyll b. Chlorophyll a ist der am häufigsten vorkommender photosynthetischer Pigment und absorbiert blaue, rote und violette Wellenlängen im sichtbaren Spektrum. Es nimmt hauptsächlich an der der Photosynthese teil, bei der Sauerstoff das Hauptprodukt des Prozesses ist. Chlorophyll b absorbiert in erster Linie blaues Licht und wird zur Ergänzung des Absorptionsspektrums von Chlorophyll a verwendet, indem es den Bereich der Lichtwellenlängen, die ein photosynthetisierender Organismus absorbieren kann, erweitert. Diese beiden Arten von Chlorophyll arbeiten zusammen, um eine maximale Absorption von Licht von blauen bis roten Spektrumteil zu ermöglichen. Die Lichtreaktionen der Pflanzen haben sich so entwickelt, dass sie sich an eine Vielzahl von Lichtverhältnissen akklimatisieren können. Alle Pflanzen reagieren unterschiedlich auf hohe und niedrige Lichtverhältnisse, aber einige Arten sind so angepasst, dass sie unter voller Sonne optimal funktionieren, während andere mehr Schatten bevorzugen. In der Dunkelheit findet keine Photosynthese statt, sondern nur Respiration (Atmung). Mit zunehmender Lichtintensität steigt die 120 Photosyntheserate, und bei einer bestimmten Lichtintensität (dem Lichtausgleichspunkt) entspricht die Respirationsrate der Photosyntheserate (keine Nettoaufnahme oder -verluste von CO2). Neben der Lichtintensität beeinflusst auch die Lichtfarbe die Geschwindigkeit der Photosynthese. Die Lichtmenge, die den Pflanzen zur Verfügung steht, ist weltweit und über die Jahreszeiten hinweg sehr variabel. Bei niedriger Sonnenhöhe muss das Licht beispielsweise ein grösseres Volumen der Atmosphäre durchdringen, bevor es die Erdoberfläche erreicht, was zu Veränderungen im Spektrum führt, da die Atmosphäre proportional mehr von der kürzeren Wellenlänge des Lichts filtert, also mehr UV-Strahlung als Blau und mehr Blau als Grün oder Rot. Veränderungen der spektralen Zusammensetzung mit der Jahreszeit und dem Standort beeinflussen die Lichtreaktionen der Pflanzen (Davis 2015). Wasser Die Verfügbarkeit vieler Nährstoffe hängt vom pH-Wert des Wassers ab. Im Allgemeinen liegt der Toleranzbereich für die meisten Pflanzen bei pH 5,5-7,5. Wenn der pH-Wert ausserhalb dieses Bereichs liegt, kommt es zu einer Nährstoffaussperrung, was bedeutet, dass die Pflanzen die Nährstoffe zwar im Wasser vorhanden sind, sie aber nicht nutzen können. Dies gilt insbesondere für Eisen, Kalzium und Magnesium. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass die Nährstoffaussperrung in reifen Aquaponiksystemen weniger häufig vorkommt als in der Hydrokultur, da die Aquaponik ein ganzes Ökosystem ist, während die Hydrokultur eine halbsterile Umgebung ist. Folglich gibt es in Aquaponik biologische Wechselwirkungen zwischen den Pflanzenwurzeln, Bakterien und Pilzen, die eine Nährstoffaufnahme auch bei höheren pH-Werten als 7,5 ermöglichen können. Am besten versucht man zwar den leicht sauren pH-Wert (6-7) stabil zu halten, jedoch kann ein höherer pH-Wert (7-8) auch funktionieren (Somerville et al. 2014c). Die meisten Pflanzen benötigen einen hohen Gehalt (> 3mg/L) an gelöstem Sauerstoff (dissolved oxygen, DO) im Wasser. Dieser Sauerstoff erleichtert es der Pflanze, Nährstoffe über die Wurzeloberfläche zu transportieren und diese zu assimilieren. Viele Pflanzenwurzel-Pathogene wachsen gut bei einem niedrigen Gehalt an DO, so dass das sauerstoffarme Wasser diesen Pathogenen die Chance geben kann, die Wurzeln anzugreifen (Pantanella 2012). Zum Beispiel können die Pflanzen ohne Sauerstoff eine Wurzelfäule erleiden, dies ist eine Pilzerkrankung, bei der die Wurzeln absterben. Der ideale Wassertemperaturbereich für die meisten Gemüsesorten liegt bei 14-22 ⁰C, wobei die optimalen Wachstumstemperaturen zwischen den verschiedenen Pflanzenarten variieren (siehe Kapitel 9). Im Allgemeinen ist es die Wassertemperatur, die den grössten Einfluss auf die Pflanzen hat, und nicht die Lufttemperatur. Auch die Bakterien und anderen Mikroorganismen, die in aquaponischen Systemen leben, haben einen bevorzugten Temperaturbereich. Die Nitrifikationsbakterien, die Ammoniak in Nitrat umwandeln, bevorzugen beispielsweise eine Durchschnittstemperatur von etwa 20 ⁰C (Pantanella 2012; Somerville et al. 2014c). Kohlendioxid (CO2) Bei der Photosynthese verwenden Pflanzen CO2 zur Herstellung von Nahrung und setzen dabei Sauerstoff frei. Erhöhte CO2-Konzentrationen erhöhen die Photosynthese, was das Pflanzenwachstum anregt. Frische Luft enthält etwa 0,037% CO2, aber in einem dicht geschlossenen Gewächshaus kann das CO2 schnell verbraucht werden. In einem Kunststoff-Gewächshaus beispielsweise kann der CO2 Gehalt bereits 1-2 Stunden nach Sonnenaufgang auf weniger als 0,02 % reduziert werden. Bei Werten 121 unter 0,02% wird das Pflanzenwachstum stark eingeschränkt, und bei Werten unter 0,01% werden die Pflanzen ganz aufhören zu wachsen. Durch die Erhöhung des CO2 Gehalts auf 0,075-0,15% können die Landwirte mit einer 30-50%igen Ertragssteigerung gegenüber der Kultivierung mit dem CO2-Gehalt in der Umgebung rechnen, und die Zeit bis zur Frucht und Blüte kann um 7-10 Tage verkürzt werden. Eine übermässige CO2 Anreicherung kann jedoch negative Auswirkungen haben. Werte über 0.15% gelten als verschwenderisch, während Werte über 0.5% als schädlich gelten. Zu hohe Werte führen dazu, dass sich die Spaltöffnungen an den Pflanzenblättern schliessen und die Photosynthese vorübergehend gestoppt wird, und da die Pflanzen beim Schliessen der Spaltöffnungen nicht mehr in der Lage sind, ausreichend Wasserdampf zu transpirieren, können die Blätter versengen. Temperatur Die Temperatur ist der wichtigste Umweltfaktor, der die vegetativen Wachstumsprozesse der Pflanzen von den ersten Entwicklungsstadien bis hin zur Blütenbildung beeinflusst. Jede Pflanzenart hat ihren eigenen optimalen Temperaturbereich. Pflanzen "suchen" ihre optimale Temperatur zu erreichen, und ein Gleichgewicht zwischen Lufttemperatur, relativer Feuchtigkeit und Licht ist dabei wichtig. Bei starker Beleuchtung erwärmt sich die Pflanze, was zu einem Unterschied zwischen der Pflanzentemperatur und der Lufttemperatur führt. Um abzukühlen, muss die Transpirationsrate der Pflanze steigen. Sehr niedrige oder hohe Temperaturen in der Wachstumsumgebung können sich nachteilig auf verschiedene Stoffwechselprozesse wie Nährstoffaufnahme, Chlorophyllbildung und Photosynthese auswirken. Im Allgemeinen ist bekannt, dass ein Anstieg oder eine Senkung der Temperatur über oder unter das optimale Niveau mehrere physiologische Prozesse in Pflanzen verändern und die Pflanzenzellen schädigen und damit das Wachstum verändern. Relative Luftfeuchtigkeit Die relative Luftfeuchtigkeit (RH) ist die in der Luft vorhandene Wasserdampfmenge, ausgedrückt als Prozentsatz der Menge, die zur Sättigung bei gleicher Temperatur benötigt wird. Die relative Luftfeuchtigkeit beeinflusst direkt die Wasserverhältnisse einer Pflanze und indirekt das Blattwachstum, die Photosynthese und das Auftreten von Krankheiten. Unter hoher relativer Luftfeuchtigkeit ist die Transpirationsrate reduziert, der Turgordruck ist hoch und die Pflanzenzellen wachsen. Wenn die relative Luftfeuchtigkeit niedrig ist, steigt die Transpiration an, was zu Wassermangel in der Pflanze führt, der zu einer Welke der Pflanze führen kann. Die Wasserdefizite führen zu einem teilweisen oder vollständigen Verschluss der Spaltöffnungen, wodurch der Eintritt von Kohlendioxid blockiert und die Photosynthese gehemmt wird. Das Vorkommen von Schadinsekten und Krankheiten ist bei hoher Luftfeuchtigkeit hoch, und eine hohe relative Luftfeuchtigkeit begünstigt auch die leichte Keimung von Pilzsporen auf den Pflanzenblättern. 122 6.4 Allgemeine Anbaupraktiken Die gestaffelte Pflanzung ermöglicht eine kontinuierliche Ernte und Verpflanzung von Gemüse. Es ist am besten, einen Überschuss an Pflanzen bereitzuhalten, da das Warten auf die pflanzbereiten Setzlinge eine Quelle für Produktionsverzögerungen ist. Die Ernteplanung wird in Kapitel 9 ausführlicher behandelt. 6.4.1 Setzlinge aus Samen Das Sammeln von Saatgut ist eine kostensparende und nachhaltige Strategie, ausser wenn F1Hybridpflanzen angebaut werden (siehe unten). Das Saatgut sollte nur von reifen Pflanzen gesammelt werden, da junge Pflanzensamen nicht keimen und alte Pflanzen ihre Samen bereits ausgebracht haben. Das Sammeln von Saatgut von verschiedenen Pflanzen trägt dazu bei, die genetische Vielfalt und gesunde Pflanzen zu erhalten. Es gibt zwei Hauptkategorien von Saatgut: trockene und nasse Samenkapseln. Zu den trockenen Samenkapseln gehören Basilikum, Salat und Brokkoli. Das Saatgut von Basilikum kann während der gesamten Vegetationsperiode geerntet werden, während Salat und Brokkoli erst geerntet werden können, wenn die Pflanze voll ausgereift und nicht mehr als Gemüse verwendbar ist. Die Samenköpfe sollten von der Pflanze abgeschnitten und in einer grossen Papiertüte 3-5 Tage an einem kühlen, dunklen Ort aufbewahrt und dann leicht geschüttelt werden, um die Samen freizusetzen. Nachdem der Inhalt des Beutels durchsiebt wurde, sollten die Samen zur Aufbewahrung in einen Papiersack gelegt werden (Somerville et al. 2014a). Zu den nassen Samenkapseln gehören Gurken, Tomaten und Paprika. Die Samen entwickeln sich im Inneren der Frucht, die gewöhnlich von einem Gelsack umhüllt ist, der die Keimung der Samen verhindert. Wenn die Früchte erntereif sind, was normalerweise durch eine starke und lebhafte Farbe angezeigt wird, sollten die Früchte geerntet werden und die Samen mit einem Löffel gesammelt werden. Nachdem das Gel mit Wasser und einem glatten Tuch abgewaschen wurde, sollten die Samen zum Trocknen im Schatten ausgelegt und gelegentlich gewendet werden, bevor sie in einer Papiertüte aufbewahrt werden (Somerville et al. 2014a). Die meisten kommerziellen Gemüsetransplantate werden aus F1-Hybridsamen hergestellt, die durch kontrollierte Bestäubung zweier genetisch unterschiedlicher Elternpflanzen entstehen. Das F1-Saatgut wird bevorzugt, weil die meisten Pflanzen die gleichen Eigenschaften haben und die gleiche Qualität und Menge an Früchten produzieren werden. F1-Samen bringen auch Pflanzen mit grösseren und kräftigeren Blüten und Früchten hervor. Hybriden sind daher robuster und besser in der Lage, ungünstige Wachstumsbedingungen zu überwinden. Aus F1-Hybridpflanzen gerettetes Saatgut wird jedoch keine Pflanzen erzeugen, die dem Elterntyp entsprechen (Rorabaugh 2015). Das Saatgut kann in Polystyrol-Vermehrungsschalen gepflanzt werden, die mit Wachstumsmedien wie Steinwolle, Vermiculit oder Perlit gefüllt sind. Für den kommerziellen Anbau wird das Saatgut normalerweise in Steinwolle- oder Kokoskeimblöcken gestartet, die zweieinhalb Zentimeter grosse Startwürfel mit einem kleinen Loch in der Oberseite jedes Würfels sind, in die das Saatgut gelegt wird. Die Startwürfel können dann in grössere Blöcke verpflanzt werden, die ein 2.5 cm grosses Loch haben, in das der Startwürfel passt, wodurch die Wurzelstörung minimiert wird (Rorabaugh 2015). 123 Die Vermehrungsschalen müssen einen ausreichenden Abstand zwischen den Setzlingen zulassen, um ein gutes Wachstum ohne Konkurrenz um Licht zu begünstigen. Die Schalen sollten in einen schattigen Bereich gestellt und die Setzlinge täglich gegossen werden. Zu viel Wasser erhöht die Gefahr von Pilzinfektionen. Nach der Keimung und dem Austrieb und wenn die ersten Blätter erscheinen, können die Sämlinge abgehärtet werden, indem sie täglich einige Stunden lang in immer intensiveres Sonnenlicht gestellt werden. Die Sämlinge müssen nach dem Erscheinen des ersten Blattes mindestens zwei Wochen lang angezogen werden, um ein angemessenes Wurzelwachstum zu gewährleisten. Sie können einmal wöchentlich mit einem sanften organischen Dünger mit hohem Phosphorgehalt gedüngt werden, um ihre Wurzeln zu stärken (Somerville et al. 2014c). Die Setzlinge sollten in das System verpflanzt werden, wenn ein angemessenes Wachstum erreicht wurde und die Pflanzen ausreichend stark sind. Das Umpflanzen von Setzlingen mitten am Tag sollte vermieden werden, da die Pflanzenwurzeln sehr empfindlich auf direkte Sonneneinstrahlung reagieren und die Blätter aufgrund der neuen Wachstumsbedingungen unter Wasserstress geraten können. Es wird empfohlen, in der Dämmerung zu pflanzen, damit die jungen Sämlinge eine Nacht haben, um sich an ihre neue Umgebung zu akklimatisieren (Somerville et al. 2014c). Abbildung 10: Keimlinge in Steinwolle-Startwürfeln https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg Die Transplantate müssen in einem Netzbecher mit 3-4 Zentimeter Kies oder Kultursubstrat abgestützt werden, und der Rest des Netzbechers sollte mit einer Mischung aus Kies und Feuchthaltemittel gefüllt werden. Das Medium hilft, Wasser zu speichern, da die jungen Pflanzenwurzeln den Wasserfluss im Aufwuchsrohr nur wenig berühren. Nach einer Woche sollten die Wurzeln durch den Netzbecher in das Rohr ausgewachsen sein und vollen Zugang zu dem am Boden fliessenden Wasser haben. Die Pflanzlöcher im Anzuchtrohr sollten der Grösse der Netzbecher entsprechen, und zwischen den Mittelpunkten der einzelnen Pflanzlöcher sollte ausreichend Platz für die angebauten Pflanzen vorhanden sein (Somerville et al. 2014b). 124 Abbildung 11: Netzbecher für die Bepflanzung in einem NFT-System https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:2009-03-30_Lettuce_roots.jpg Abbildung 12: Verpflanzung von Zwiebelpfropfen in ein DWC-System https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_onions_nasa.j pg 6.4.2 Setzlinge aus Stecklingen Stecklinge sind Teile des Stängels, der Wurzel, des Blattes oder der Blattknospe, die von einer "Mutterpflanze" entfernt wurden. Diese Teile werden dann durch chemische, mechanische und/oder umweltbedingte Mittel zur Bildung von Wurzeln und Trieben veranlasst. Die daraus resultierenden Pflanzen werden Klone der Mutterpflanze mit genau der gleichen genetischen Ausstattung sein. Zum Beispiel können die Saugnäpfe der Tomatenpflanzen entfernt werden, die abgetrennten Enden in Wasser gelegt werden und die Wurzeln bilden sich innerhalb von einigen Tagen bis zu einer Woche. Das Ausgangsmaterial muss frei von Krankheiten und Schädlingen sein, und das für Stecklinge ausgewählte Material muss sich in einem geeigneten physiologischen Zustand befinden, damit sich Wurzeln und Triebe leicht entwickeln können. Die Pflanzgutvermehrung aus Stecklingen kann mit Hilfe 125 eines Aggregatmediums in Stecktrays erfolgen. Steinwolle ist auch ein geeignetes Medium für die Bewurzelung von Stecklingen. Bis auf die obersten 4-5 Blätter sollten alle Blätter entfernt werden, um den Wasserverlust zu reduzieren. Da die Stecklinge anfangs keine Wurzeln haben, wird in Gewächshäusern üblicherweise Nebel eingesetzt, um eine feuchte Umgebung zu erhalten und den Wasserverlust während der Wurzelbildung zu verringern (Rorabaugh 2015). Bei einigen Arten wird die Wurzelentwicklung durch das im Schnitt natürlich vorkommende AuxinHormon gefördert. Andere Arten müssen mit einem Wurzelmittel - einem Präparat aus synthetischem Auxin - behandelt werden. Die Verwendung von "Unterhitze", die durch elektrische Kabel, elektrische Matten oder Heisswasserrohre, die unter den Beeten oder Schalen mit den Stecklingen verlaufen, bereitgestellt wird, wird ebenfalls die Entwicklung von Wurzeln beschleunigen. Dem Wasser werden keine Nährstoffe zugegeben, bis sich die Wurzeln gebildet haben. Der Schnitt von Gemüsekulturen ist sehr arbeitsintensiv, weshalb in der Regel stattdessen Saatgut verwendet wird (Rorabaugh 2015). 6.4.3 Setzlinge unter Verwendung von Veredelung Die Veredelung ist eine Technik, bei der zwei zuvor getrennte Pflanzenteile so miteinander verbunden werden, dass die entstehende Pflanze als eine einzige leben und wachsen kann. Der "Stamm" ist der untere Teil des Pfropfens einschliesslich der Wurzeln, während der "Spross" der obere Teil des Pfropfens einschliesslich des Sprosses und der ruhenden Knospen ist, aus denen neue Stämme, Blätter usw. wachsen werden. Die Veredelung ist in der kommerziellen Tomatentransplantationsproduktion weit verbreitet. Obwohl es sehr arbeitsintensiv ist, gibt es mehrere Gründe für seine Verwendung, wie die Erhaltung von Klonen, die mit anderen asexuellen Methoden nicht leicht zu erhalten sind, und die Schaffung spezialisierter Wachstumsformen. Professionelle Hydrokultur-Gemüsebauern verwenden veredelte Pflanzen, nicht nur zum Schutz vor Krankheitserregern, sondern auch zur Ertragssteigerung bei vielen Gemüsekulturen. Ein Beispiel dafür sind Tomaten, mit leistungsstarken, vegetativen Wurzelstöcken, die zwei Köpfe tragen können. Der Wurzelstock und der Spross müssen kompatibel sein (in der Regel dieselbe Familie oder Gattung), und beide müssen sich im richtigen physiologischen Stadium befinden, um die Verschmelzung der beiden Teile zu einem zu fördern (Rorabaugh 2015). 6.5 Fertigation Unter Fertigation versteht man die gleichzeitige Bewässerung (Irrigation) und Düngung (Fertilisation). Die Düngemittel müssen dabei in der geeigneten Kombination, Konzentration und mit richtigen pHWert verwendet werden. Die Mineralernährung ist entscheidend für ein optimales Pflanzenwachstum. Optimale Ernährungsbedingungen können zwischen verschiedenen Pflanzenarten, für die gleiche Pflanzenart zu verschiedenen Zeiten ihres Lebenszyklus, für die gleiche Pflanzenart zu verschiedenen Zeiten des Jahres und für die gleiche Pflanzenart unter verschiedenen Umweltbedingungen variieren. Auch in ausgewogenen Aquaponiksystemen kann es zu Nährstoffmangel kommen. Fischfutter enthält meist nicht die richtigen Mengen an Nährstoffen für Pflanzen und weist im Allgemeinen niedrige Eisen, Kalzium- und Kaliumwerte auf (siehe Kapitel 3). Daher können zusätzliche Pflanzendünger notwendig sein, insbesondere beim Anbau von Fruchtgemüse oder solchen mit hohem Nährstoffbedarf. Im Allgemeinen wird Eisen als Chelateisen zugesetzt, um Konzentrationen von etwa 2 mg/Liter zu erreichen. Beim Puffern des Wassers auf den richtigen pH-Wert werden Kalzium und Kalium hinzugefügt. Diese werden als Kalziumhydroxid oder Kaliumhydroxid oder als Kalziumkarbonat und Kaliumkarbonat zugesetzt. Die Wahl des Puffers hängt von der angebauten Pflanzenart ab: 126 Blattgemüse kann mehr Kalzium benötigen, während Obstpflanzen mehr Kalium benötigen (Somerville et al. 2014c). Jede hydroponische Nährlösung beginnt mit dem Wasser, und deshalb ist es wichtig, mit der Laboranalyse einer Probe zu beginnen. Die drei wichtigsten Aspekte sind die Alkalinität, die elektrische Leitfähigkeit (EC) und die Konzentration bestimmter Elemente. Die Alkalinität, die ein Mass für die Fähigkeit des Wassers ist, Säure zu neutralisieren, wird normalerweise in mg/L KalziumkarbonatÄquivalente (CaCO3) angegeben. Die Alkalinitätswerte können von nahe 0 (in sehr reinem oder mit Umkehrosmose behandeltem Wasser) bis zu mehr als 300 mg/L CaCO3 reichen. Je grösser die Alkalinität des Wassers, desto stärker steigt der pH-Wert in der Nährlösung an. Die Alkalinität einer Wasserquelle ist eine viel wichtigere Zahl als der pH-Wert: Der pH-Wert ist lediglich eine einmalige Momentaufnahme, wie sauer oder basisch das Wasser ist, während die Alkalinität ein Mass für die langanhaltende Wirkung des pH-Wertes ist. Erst wenn die Alkalität des Wassers bekannt ist, kann eine geeignete Düngerstrategie gewählt werden. Je nach Alkalität kann es notwendig sein, eine Formulierung mit einem grösseren Anteil an sauren Stickstoffformen (Ammonium oder Harnstoff) zu wählen oder Säure zuzusetzen, um die Alkalität zu neutralisieren und dem pH-Anstieg entgegenzuwirken (Mattson & Peters 2014). EC ist ein Mass für die gesamten gelösten Salze, einschliesslich der wesentlichen Elemente und unerwünschter Verunreinigungen (wie z.B. Natrium). EC ist daher ein grobes Mass für die Reinheit von Wasserquellen. EC sollte bei geschlossenen Systemen idealerweise weniger als 0.25 mS/cm betragen. Die Laborwasseranalyse zeigt auch, welche spezifischen wesentlichen Elemente und Verunreinigungen im Wasser vorhanden sind. Die Konzentration der wesentlichen Elemente sollte bei der Erstellung einer Nährlösungsrezeptur berücksichtigt werden (siehe unten). Leitungswasser kann oft erhebliche Mengen an Ca, Mg, S und P enthalten. Natrium und Chlorid (Kochsalz) sind in einigen Gewässern weit verbreitete Verunreinigungen; im Idealfall sollten diese weniger als 50 bzw. 70 mg/L betragen (Mattson & Peters 2014). Mineralstoffe sind in Form von Flüssigkeiten oder als Pulverkonzentrate erhältlich, die dann mit Wasser verdünnt werden. Nährstoffe sind in verschiedenen Formeln erhältlich, die, wenn sie miteinander vermischt werden, alle wesentlichen Elemente liefern. In der Regel werden die calciumhaltigen Verbindungen von den Phosphat- und Sulfatverbindungen getrennt gehalten, da sich das Calcium in hohen Konzentrationen mit den Phosphaten und Sulfaten zu unlöslichen Ausfällungen verbindet. Eine typische Nährlösung wird in 3 Tanks unterteilt: einen Kalzium/Eisen-Tank, den Makro/Mikro-Tank, der alle anderen Nährstoffe enthält, und einen Säure-Tank, der getrennt gehalten wird, so dass der pH-Wert individuell eingestellt werden kann (Rorabaugh 2015). Ein Züchter beginnt mit einer Nährlösungsrezeptur - einer Liste von anorganischen Verbindungen und ihren Endkonzentrationen in mg/L (Milligramm pro Liter) oder mMol (Millimol). Das Rezept muss die Pflanze, die Sie anbauen wollen, den regionalen Standort und die Umweltbedingungen sowie die Jahreszeit berücksichtigen. Tabelle 3 zeigt ein Nährlösungsrezept für den Anbau von Tomaten in Las Vegas im Winter. In den Wochen 0-6 ist das Rezept höher in Stickstoff, Kalzium und Magnesium, um eine gute Struktur und vegetatives Wachstum zu gewährleisten. In den Wochen 6-12 wird der Stickstoff reduziert und das Kalium erhöht, um die Blüte (Reproduktion) zu fördern. Ab Woche 12 soll das Rezept ein Gleichgewicht zwischen vegetativem und reproduktivem Wachstum aufrechterhalten (Rorabaugh 2015). 127 Tabelle 3: Beispiel für eine Nährlösungsrezeptur, die von Sunco Ltd. verwendet wird, Las Vegas NV, für Tomaten im Winter (nach Rorabaugh 2015) Nährstoff (mg/L) N P K Ca Mg Fe Mn Zn Cu B Mo Woche 0-6 224 47 281 212 65 2.0 0.55 0.33 0.05 0.28 0.05 Woche 6-12 189 47 351 190 60 2.0 0.55 0.33 0.05 0.28 0.05 Woche 12+ 189 39 341 170 48 2.0 0.55 0.33 0.05 0.28 0.05 HydroBuddy ist ein Open-Source-Programm zur Berechnung von Nährstofflösungen für Hydrokulturen. Das Programm ermöglicht es, die Menge an Salzgewichten zu ermitteln, die für die Herstellung einer Nährlösung mit einer bestimmten Zusammensetzung erforderlich ist, oder umgekehrt die Nährstoffkonzentrationen innerhalb einer Lösung auf der Grundlage eines bestimmten festen Salzgewichts zu bestimmen. Während die Datenbank vordefinierte Formulierungen enthält, kann das Programm so angepasst werden, dass andere Präparate hinzugefügt werden können. 6.6 Gewächshaus-Kontrollsysteme Zu den Steuerungssystemen gehören solche für Beleuchtung, Heizung, Kühlung, relative Feuchtigkeit und Kohlendioxidanreicherung. Während es hilfreich ist, eine vollständig kontrollierte Umgebung zu haben, kann die Aquakultur auch ohne sie oder mit nur einigen der Parameter, die kontrolliert werden, gedeihen. 6.6.1 Licht Maximale Lichtdurchlässigkeit in der entsprechenden Menge und Qualität (PAR, 400-700 nm) ist entscheidend für optimale Photosynthese, Wachstum und Ertrag. Wenn es im Sommer zu viel Licht gibt, kann die Aussenseite des Gewächshauses mit Schattenfarbe oder weisser Farbe besprüht werden. Dies wird entweder bis zum Ende der Wachstumssaison nachlassen oder es kann abgewaschen werden. Aussenliegende textile Schattierungstücher aus unterschiedlichen Maschenweiten zum Ausschluss bestimmter Lichtmengen (z.B. 30%, 40%, 50% Schatten) können aussen am Gewächshaus angebracht oder in das Gewächshaus gehängt werden. Wenn im Winter zu wenig Licht vorhanden ist, können weisse reflektierende Bodendecken die Lichtmenge im Pflanzenbereich deutlich erhöhen (Rorabaugh 2015). Künstliches Licht kann zur Verlängerung der Winterwachstumssaison eingesetzt werden. In Gewächshäusern werden verschiedene Lichttechnologien verwendet, aber die häufigste Art sind Leuchtdioden (LED). Im Gegensatz zu allen anderen künstlichen Beleuchtungssystemen enthalten LEDs keine Glas- oder gasförmigen Komponenten: alle Komponenten sind in festem Zustand. Sie sind daher 128 weniger zerbrechlich als andere Lampentypen und können an Stellen angebracht werden, an denen andere Lampen beschädigt werden und ein Gesundheits- und Sicherheitsrisiko darstellen können. Eine mögliche negative Auswirkung der Verwendung von LED-Beleuchtung in Gewächshäusern ist jedoch der Mangel an Strahlungswärme, die sie erzeugen, was die Gesamtenergieeinsparung verringert, wodurch ein grösserer Heizbedarf besteht (Davis 2015). LEDs sind heutzutage mit fast jeder Wellenlänge zwischen 200 und 4000 nm erhältlich. Die Vorteile von LEDs sind (i) ihre hohe Effizienz (Lichtenergieausgabe/elektrische Energie) im Vergleich zu anderen Lichtquellen; (ii) dass das ausgestrahlte Licht gerichtet ist, was die Menge an Streulicht reduziert und sicherstellt, dass die maximale Lichtmenge die Pflanze erreicht; und (iii) dass das Gesamtspektrum für verschiedene Anwendungen durch Änderung der Anzahl und Farben der in einer Beleuchtungseinheit installierten LEDs modifiziert werden kann. LEDs bieten somit das Potenzial für die Optimierung von Lichtbehandlungen, die die Verbesserung bestimmter Pflanzenqualitäten oder die Kontrolle über die Pflanzenmorphologie und die Blütezeit ermöglichen. Um gesunde Pflanzen zu produzieren, sind sowohl rotes als auch blaues Licht erforderlich. Rotes Licht wird am effektivsten zur Steuerung der Photosynthese verwendet, aber es wird allgemein festgestellt, dass Pflanzen effektiver wachsen, wenn etwas blaues Licht im Lichtspektrum enthalten ist, weil es die CO2 Aufnahme in den Spaltöffnungen fördert. Die Reaktionen der Stomatologie auf Licht unterscheiden sich jedoch von Art zu Art, so dass nicht alle Arten nach der Zugabe von blauem Licht gleichermassen profitieren. Beim Salat zum Beispiel wurde festgestellt, dass die Wachstumsraten mit zunehmender Blaulichtbeleuchtung abnehmen (Davis 2015). Es gibt Fälle, in denen zusätzliche Lichtfarben einen zusätzlichen Nutzen bringen können. Es hat sich gezeigt, dass die Aufnahme von grünem Licht die Anhäufung von frischer und trockener Biomasse in Salatpflanzen erhöht, wenn das grüne Licht einen Teil des blauen oder roten Lichts in der Mischung ersetzt. Grünes Licht kann auch tiefer in das Pflanzendach eindringen und so die Photosynthese fördern. Tiefrotes Licht («Far-red») ist wichtig für die Entwicklung und Leistung der Pflanzen während der gesamten Lebensdauer einer Kulturpflanze. Es kann zwar die Keimung von Salatsamen hemmen, aber dennoch die Blattfläche vergrössern, was möglicherweise eine grössere Lichteinfangleistung und höhere Wachstumsraten ermöglicht. In den späteren Stadien der Pflanzenentwicklung hingegen verursacht sie Dehnung und Verschraubung. Der Bereich, in dem fernrotes Licht vielleicht am wirkungsvollsten eingesetzt werden kann, ist die Kontrolle der Blütezeit (Davis 2015). LEDs bieten auch die Möglichkeit, Pflanzen auf nicht traditionelle Weise zu beleuchten. LEDs sind kühle Lichtquellen und können als solche in der Nähe von Pflanzen oder innerhalb eines Kronendaches platziert werden, um Blätter zu beleuchten, die normalerweise wenig natürliches oder zusätzliches Licht erhalten würden. Durch die Belichtung der Blätter, die sich normalerweise im schattigen Bereich des Kronendachs befinden, können die Pflanzen das Licht effizienter nutzen. Dies bedeutet, dass die "Zwischenbeleuchtung" das Potenzial hat, die Erträge mehr als die gleiche Menge an Licht zu erhöhen, die auf dem Vordach hinzugefügt wird. Blaues Licht von der Zwischenbeleuchtung hat bei Gurken- und Tomatenpflanzen gemischte Ergebnisse gezeigt (Davis 2015). Die spektrale Manipulation kann auch zur Verbesserung der Pigmentierung genutzt werden. Blaues Licht ist wichtig, um die Synthese von Anthocyanin, einer der Verbindungen, die die rote Pigmentierung verursachen, voranzutreiben. Licht ist auch wichtig, um die Biosynthese vieler Verbindungen zu regulieren, die den Geschmack und das Aroma von Blättern, Früchten und Blüten direkt verändern. Die UVB-Lichtexposition wurde mit einem erhöhten Gehalt an Öl und flüchtigen 129 Bestandteilen in einer Reihe von Kräuterarten, einschliesslich Zitronenmelisse und Basilikum, in Verbindung gebracht (Davis 2015). In den meisten Forschungsarbeiten wird der Einfluss der Lichtqualität auf die Qualität der Pflanzen während der Wachstumsphase berücksichtigt, aber in jüngerer Zeit wurde auch die Wirkung von Lichtbehandlungen nach der Ernte berücksichtigt. Behandlungen nach der Ernte bieten die Möglichkeit, die Qualität der Pflanzen während des Transports zu verbessern, um den Beginn der Seneszenz zu verzögern und so die Haltbarkeit zu verlängern. Es wurde festgestellt, dass die Exposition mit zwei Stunden Rotlicht niedriger Intensität die Alterung der Basilikumblätter während der Lagerung bei 20 ⁰C im Dunkeln um zwei Tage verzögert (Davis 2015). Die Reaktion von Pflanzen auf verschiedene Farben des Lichtspektrums kann daher dazu genutzt werden, Pflanzen so zu manipulieren, dass sie unterschiedlichen Bedürfnissen nachkommen, darunter den folgenden: • Ultraviolettes Licht kann zur Verkürzung der Internodien verwendet werden. • Blaues und ultraviolettes Licht kann zur Erhöhung der Stresstoleranz von Pflanzen vor dem Einpflanzen verwendet werden. • Blaues Licht kann dazu verwendet werden, das vegetative Wachstum zu stimulieren und zu verhindern, dass Pflanzen mit kürzerer Blütezeit während ihrer Vermehrungsphase blühen. • Rotes Licht kann zur Induktion der Blüte und zur Verlängerung der Internodien verwendet werden, um Pflanzen mit längeren Stängeln und grösseren Blüten zu produzieren. • Fernrotes Licht kann zur Kontrolle des Photoperiodismus von Pflanzen verwendet werden. Lux-Meter werden im Gartenbau häufig zur Messung der Intensität von NatriumdampfHochdrucklampen (HPS) verwendet. Lux-Meter wurden so konzipiert, dass sie für verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums dieselbe Empfindlichkeit haben wie das menschliche Auge, das am empfindlichsten auf grünes Licht reagiert. Bei vielen der LED-Lampen für den Gartenbau, insbesondere bei denen mit vorwiegend roten und blauen LEDs, fallen die Emissionsspektren jedoch in Regionen, in denen die Luxmeter relativ unempfindlich sind, und liefern sehr niedrige Schätzungen, selbst wenn die tatsächliche Intensität dieser Spektren hoch ist. Die geeignetste Lichtmessung für den Einsatz bei Pflanzen ist die PAR-Photonen-Bestrahlungsstärke (auch photosynthetische Photonenflussdichte, PDFD, genannt). Die PAR-Photobestrahlungsstärke gibt die Anzahl der Photonen an, die auf eine Oberfläche einfallen, gemessen in Mikromol pro Quadratmeter pro Sekunde (µmol m2 -1 s ). Da die Photosynthese in ähnlichen Einheiten gemessen wird (µmol [CO2] m-2 s-1), erlaubt die Verwendung der PAR-Photonen-Bestrahlungsstärke direkte Vergleiche zwischen der Lichtmenge und der Menge der Photosynthese (Davis 2015). 130 Abbildung 13: Wachstum unter UV-Licht https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Aquaponics#/media/File:Light_on_Aquaponics.jpg 6.6.2 Temperatur und Feuchtigkeit Heizgeräte halten die Temperatur bei kalter Witterung im optimalen Bereich. Isoliermaterial (Stoffoder Folienvorhänge) kann über der Pflanze oder in der Nähe des Daches angebracht werden, um die Wärme in der Nähe der Pflanze zu halten. Das während der Nacht verwendete Dämmmaterial kann dasselbe sein wie das Material, das tagsüber zur Beschattung verwendet wird (Rorabaugh 2015). Hohe Temperaturen können dem Pflanzenwachstum schaden, insbesondere bei geringer Lichtverfügbarkeit. Hohe Temperaturen können Probleme wie dünne, schwache Stängel, reduzierte Blütengrösse, verzögerte Blüte und/oder schlechte Bestäubung/Düngung und Fruchtansatz sowie Blüten- und Knospen-/Fruchtabbruch verursachen. Zu den passiven Belüftungssystemen gehören Schattiertücher oder weisse Schattierfarbe, die neben der Regulierung der Lichtintensität auch zur Kühlung des Gewächshauses beitragen können. Firstlüfter im Dach eines Gewächshauses lassen heisse Innenluft entweichen. Die Fläche der Lüftungsöffnungen sollte 25% der Bodenfläche betragen. Aufrollbare Seitenwände können in Gewächshäusern mit flexibler Verglasung (Polyethylenfolie) verwendet werden, um einen natürlichen horizontalen Luftstrom über die Pflanzen zu ermöglichen. Wie bei den Firstlüftungen sollte die Fläche der Seitenwandlüftungen 25% der Bodenfläche betragen. Wassergekühlte Kissen an der Oberseite von Kühltürmen können zur Kühlung der Umgebungsluft verwendet werden, die dann sinkt und dadurch wärmere Luft nach unten verdrängt. Neuere Gewächshauskonstruktionen können ein Dach umfassen, das sich zur natürlichen Belüftung vollständig zurückzieht. Dadurch können sich Gewächshauspflanzen an die Aussenbedingungen anpassen (Rorabaugh 2015). Aktive Kühlsysteme beinhalten eine "Verdunstungskühlung" mit Ventilatoren und Pads, bei der Luft von aussen durch poröse, nasse Pads (normalerweise Zellulosepapier) gezogen wird. Die Wärme der einströmenden Luft verdampft Wasser aus den Pads und kühlt so die Luft. Die Verdunstungskühlung wird auch dazu beitragen, die relative Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus zu erhöhen. Alternativ dazu verwenden Nebelsysteme auch eine Verdunstungskühlung, enthalten aber eine Dispersion von Wassertröpfchen, die verdunsten und der Luft Wärme entziehen. Dieses System sorgt für eine bessere Gleichmässigkeit, da der Nebel im gesamten Gewächshaus verteilt wird und nicht nur in der Nähe eines 131 Polsters, wie beim Fächer- und Polstersystem. Je kleiner die Tröpfchengrösse, desto schneller verdampft jedes einzelne Tröpfchen und damit auch die Abkühlungsgeschwindigkeit. Die relative Luftfeuchtigkeit kann durch den Betrieb der Kühlkissen oder durch Vernebelung erhöht und durch den Betrieb von Heizungen oder einfach durch Entlüftung gesenkt werden (Rorabaugh 2015). 6.6.3 Kohlendioxid (CO2) Die Geschwindigkeit der Photosynthese hängt von der Verfügbarkeit von Kohlendioxid ab. Die Belüftung kann im Frühjahr, Sommer und Herbst ausreichend CO2 liefern, aber im Winter oder jederzeit in kalten Klimazonen führt sie dazu, dass kalte Luft in das Gewächshaus gebracht wird. Dann ist eine Heizung erforderlich, um die richtige Temperatur zu halten, was unwirtschaftlich werden kann. Die CO2-Erzeugung ist daher ein wirksames Mittel, um die Werte im Gewächshaus während des Winters oder in kalten Klimazonen zu erhöhen. CO2 Generatoren können verschiedene Arten von Treibstoff verbrennen, einschliesslich Erdgas (am wirtschaftlichsten) oder Propan. Auch Generatoren mit offener Flamme erzeugen Wärme und Wasserdampf als Nebenprodukte. Daher werden im Winter, wenn die zusätzliche Wärmeproduktion willkommen ist, eher CO2-Generatoren angewendet, und im Sommer eher die CO2-Flaschen und Dosiergeräte, da sie keine zusätzliche Wärme oder Feuchtigkeit erzeugen. Da CO2 von den Pflanzen durch die nächtliche Atmung freigesetzt wird, ist es nicht ungewöhnlich, dass sich bis zum Morgen zwischen 0.045% und 0.070% in der Anbaufläche ansammelt. Die Zeitschaltuhr wird so eingestellt, dass die CO2-Dosierung eine Stunde nach dem Einschalten der Lichter beginnt, wobei die letzte Dosis eine Stunde vor dem Ausschalten der Lichter erfolgt, ist die wirtschaftlichste Art und Weise, zusätzliches CO2 bereitzustellen. Um den CO2 Gehalt auf einem optimalen Niveau zu halten, ist es am besten, für kurze Zeiträume ein höheres Volumen zu dosieren als für längere Zeiträume ein niedriges (Rorabaugh 2015). Bei der Aquaponik befinden sich die Fischbecken oft im gleichen Raum wie die hydroponischen Komponenten. Durch die Fischatmung steigt der CO2-Gehalt des Systemwassers an, ausserdem gelangt CO2 in die Atmosphäre. Zusätzliche CO2-Einträge sind daher entweder nicht erforderlich oder sehr gering (Körner et al. 2014). 6.6.4 Luftzirkulation Ein Grund für ein Gewächshaus ist die Schaffung einer "kontrollierten Umgebung" für alle Pflanzen. Insbesondere in Zeiten, in denen die Heiz- und Kühlsysteme nicht in Betrieb sind, können sich jedoch Taschen mit hoher oder niedriger Temperatur, relativer Luftfeuchtigkeit oder Kohlendioxid bilden, die für das Pflanzenwachstum oder die Blüten-/Früchtentwicklung nicht optimal sein können. Unter dem Gewächshausdach können horizontale Luftstromventilatoren angebracht werden, um die Luft über den Pflanzen umzuwälzen. Dies hilft, Warm- oder Kaltlufteinschlüsse und hohe oder niedrige Luftfeuchtigkeit oder Kohlendioxid zu minimieren. Horizontale Luftstromventilatoren können in Verbindung mit Warmluftheizsystemen eingesetzt werden, um warme Luft im gesamten Gewächshaus umzuwälzen (Rorabaugh 2015). 6.6.5 Umweltkontrollsysteme Umweltkontrollsysteme können sehr einfach oder sehr komplex sein. Die einfachsten Systeme umfassen das manuelle Aufrollen eines Seitenventils, das Öffnen eines Dachventils oder einer Tür oder das Einschalten einer Heizung oder eines Kühlers. Einfache Regler werden von einem Thermostat im 132 Gewächshaus betrieben und stellen automatisch Tag- und Nachttemperaturbereiche ein, öffnen und schliessen Lüftungsöffnungen und schalten Heiz- und Kühlgeräte ein oder aus. Schrittregler steuern auch automatisch 1 oder 2 Heizstufen, je nach Anzahl der Heizelemente, und steuern mehrere Kühlstufen unter Verwendung von Kühlventilatoren und Pumpe(n) zur Befeuchtung der Pads. Die komplexesten Umweltkontrollsysteme verwenden hochentwickelte Computer, die von einem Temperatursensor im Gewächshaus aus arbeiten und automatisch Tag- und Nachttemperaturbereiche einstellen, Heizgeräte einschliesslich Boiler, Wurzelraumheizung, Wärmespeichervorhänge usw. steuern, andere Geräte wie horizontale Luftstromventilatoren, Abluftventilatoren, Belüftungsöffnungen, Pad-Pumpen, Nebelsysteme usw. kontrollieren, die relative Luftfeuchtigkeit steuern und je nach Lichtanforderungen Schattenvorhänge und künstliche Beleuchtung regeln. Hochentwickelte Computer können auch eine externe Wetterstation überwachen und die gesammelten Daten (Licht, Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Regen und Wind) zur Steuerung der internen Bedingungen im Gewächshaus verwenden. Sie können das Fertigation-System auch durch die automatische Verwendung einer Lichtmenge (z.B. X ml Lösung / Y Lichtmenge) und durch die Steuerung des Zeitpunkts der Bewässerung, der Bewässerungsdauer, des pH und EC Wertes der Nährlösung und des Nebels (Rorabaugh 2015) betreiben. 6.7 Referenzen Davis, P. 2015. Lighting: The Principles. Agriculture and Horticulture Development Board Technical Guide. Drzal, M.S., Keith Cassel, D. & Fonteno, W.C. 1999. Pore fraction analysis: A new tool for substrate testing. Acta Horticulturae 481, 43-54. Körner, O., Gutzmann, E. & Kledal, P.R. 2014. Modelling the symbiotic effects in aquaponics. European Aquaculture Society conference, Donastia/San Sebastian, Spain, October 2014. Lee, S. & Lee, J. 2015. 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Pflanzen, die sich für die Aquaponik eignen, sind in der Regel schnell wachsend, haben ein flaches Wurzelsystem und einen geringen Nährstoffbedarf, wie z.B. Blattgemüse (Salate) und Kräuter. Fruchtgemüse, wie Tomaten, Gurken und Paprika, schneiden ebenfalls gut ab, aber sie haben einen höheren Nährstoffbedarf und sind für etablierte Systeme mit ausreichenden Fischbeständen besser geeignet. Aber es gibt auch einige Pflanzen, die nicht gut wachsen, einige, die wirtschaftlich nicht sinnvoll sind, und einige, die wahrscheinlich aus Platzgründen nicht gut funktionieren werden. Wurzelgemüse wie Kartoffeln, Süsskartoffeln, Rüben, Zwiebeln, Knoblauch und Karotten schneiden in der Regel in der traditionellen Kultivierung besser ab, obwohl sie auch in tiefen Medienbeeten angebaut werden können (Somerville et al. 2014a). Es gibt einige Kulturpflanzen, die eine grössere Investition erfordern, und wenn die Absicht besteht, eine marktfähige Kulturpflanze mit Gewinn anzubauen, dann ist der Anbau dieser Kulturpflanzen nicht kosteneffektiv. Radieschen fallen aufgrund ihres relativ niedrigen Marktpreises in diese Kategorie, ebenso wie einige Blattgemüse, wenn ihre im Boden gewachsenen Konkurrenten Saison haben. Es kann jedoch durchaus Nischenmärkte geben, die überdurchschnittlich hohe Preise für Gemüse ausserhalb der Saison, für in der Region nicht leicht anzubauende Pflanzen oder für die Neuheit von hydroponisch angebautem Gemüse zahlen. Aquaponik-Anlagen sind räumlich begrenzt. Das schliesst den Anbau von Obst- und Nussbäumen sowie der meisten strauchartigen Pflanzen in der Regel aus, obwohl an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften erfolgreich Bananen und Papayas angebaut wurden. Das System würde nicht nur ein sehr grosses Reservoir oder einen Tank zur Unterbringung des Wurzelsystems benötigen, sondern auch einen entsprechend grossen Raum, um die Pflanze selbst unterzubringen. Kürbisse und Melonen fallen in diese Kategorie, ebenso wie Strauchtomaten, die für ihren Anbau ein Spalier oder eine andere Struktur benötigen. Die vielen erfolgreichen Hydrokultur-Farmen im Tomatenanbau finden typischerweise in grossen Gewächshäusern statt. Ähnlich können Gurken recht gut gedeihen, aber die meisten tun dies nicht, weil sie ein Spaliersystem für ihre schweren Früchte und viele Quadratmeter Platz pro Pflanze für ihre Reben und ihr Laub benötigen. Andere mögliche Kletterpflanzen sind Erbsen, Stangenbohnen, Kapuzinerkresse und Hopfen. Sie können zwar alle in einer Hydroponik angebaut werden, erfordern aber viel Arbeit. Die Höhe der Anzuchtleuchten muss regelmässig angepasst werden, die Nährstoffmengen müssen dem Stadium des Pflanzenwachstums angepasst werden, das Spalier muss ständig kontrolliert und mit zusätzlichen Stützen versehen werden, und die Triebe müssen regelmässig geschnitten werden. Im Durchschnitt können die Pflanzen in folgender Dichte angebaut werden (Somerville et al. 2014b): • • Blattgemüse - 20-25 Pflanzen/m2 Fruchtgemüse - 4 Pflanzen/m2 Diese Zahlen sind jedoch nur Durchschnittswerte und sollten daher nur als Richtlinie verwendet werden. 135 Beim Aufbau eines neuen Betriebs wirkt sich die Wahl der Pflanzen auf den Verkauf, den Raum und die Technik aus. Es gibt zwei Arten von Anbausystemen: Monokultur ist ein System mit einer einzigen Pflanzenart oder einer einzigen Sorte; Polykultur ist ein System mit verschiedenen Pflanzentypen und -sorten. Die Wahl zwischen den beiden muss mit Blick auf Logistik, Vertrieb, Erfahrung und Schädlingsbekämpfung getroffen werden. Der grösste Vorteil des Monokulturenanbaus ist die Einfachheit. Sie kann Polykulturen übertreffen, wenn es um die Erleichterung des Verkaufs geht, und ist für neue Landwirte einfacher, wenn es um die Logistikkosten geht. Wenn Sie nur eine einzige Kulturpflanze anbauen, brauchen Sie Ihr Produkt immer nur auf eine einzige Weise vorzubereiten und zu versenden. Der Monokulturanbau kann jedoch dazu beitragen, die Nachfrage zu erschöpfen, und läuft, wenn er mit unausreichender Schädlingsbekämpfung kombiniert wird, Gefahr, den gesamten Ertrag auf einmal zu verlieren. Der Polykulturenanbau gibt den Landwirten die Möglichkeit, unterschiedliche Marktnachfragen zu erfüllen, und ist von Natur aus robuster und resistenter gegen Schädlingsausbrüche, da die Wahrscheinlichkeit einer Beeinträchtigung des gesamten Betriebs geringer ist. Dabei sollen mit Vorteil Mitglieder derselben Pflanzen-Familie vermieden werden, da diese dazu neigen, für dieselben Bakterien-, Pilz- und Viruskrankheiten sowie Schädlingsbefall anfällig zu sein. Tomaten, Paprika und Auberginen gehören beispielsweise zur gleichen Familie (Solanaceae), ebenso wie Kohl, Pak Choi, Senfgrün und Grünkohl (Cruciferae oder Brassicaceae). Eine Polykultur erfordert logischerweise Kulturen mit überlappenden pH- und Temperaturpräferenzen. Der Polykulturanbau kann auch die Verwendung von Begleitpflanzen beinhalten. Die Begleitpflanzung ist eine kleinmassstäbliche Methode der Zwischenfruchtanpflanzung, die im biologischen und biodynamischen Gartenbau sehr verbreitet ist und auf der Beobachtung beruht, dass die Vereinigung verschiedener Pflanzen eine mechanische, abstossende oder abschreckende Wirkung gegen Schädlinge haben kann. Der Grad des Erfolges hängt von der Höhe des Schädlingsbefalls, der Kulturdichte, dem Verhältnis zwischen den Kulturen und den Nutzpflanzen sowie den spezifischen Pflanzzeiten ab. Die Begleitpflanzung kann daher in Kombination mit anderen Strategien innerhalb eines integrierten Pflanzen- und Schädlingsbekämpfungsprotokolls (siehe Kapitel 8) eingesetzt werden (Somerville et al. 2014a). Einige Pflanzen sind auch mit anderen unverträglich. Zum Beispiel profitieren die Mitglieder der Kohlfamilie von einer Reihe von Gefährten, darunter aromatische Kräuter, Spinat und Kräuter, aber sie sind mit Erdbeeren und Tomaten unverträglich. Die jährlichen Pflanzenproduktionsraten in Aquaponik variieren je nach angebauter Art. Salat wurde in verschiedenen Dichten (16 bis 44 Pflanzen/m2) und Kultivierungsperioden (21-28 Tage) angebaut, hauptsächlich auf Flosssystemen, was zu Erträgen zwischen 1.4 und 6.5 kg/m2 führte. Basilikum ist eine weitere weit verbreitete Kulturpflanze, die mit einer Dichte von 8-36 Pflanzen/m2 Erträge von 1.4 bis 4.4 kg/m2 bei einem Erntezyklus von 28 Tagen erzielt. Als sehr produktiv haben sich auch Warmkulturpflanzen erwiesen, wie z.B. Wasserspinat, der bei einer Dichte von 100 Pflanzen/m2 in 28 Tagen Erträge von 33-37 kg/m2 lieferte, während Okra bei einer Dichte von 2.7 bzw. 4 Pflanzen/m2 in weniger als drei Monaten Erträge von 2.5 und 2.8 kg/m2 lieferte. Spezialitäten- und Küchenkräuter wie Samphire (Salicornia) und Salzkraut (Salsola) ergaben Erträge von 7 kg m2 in 110 Tagen bzw. 5 kg m2 in 28 Tagen (Thorarinsdottir 2015). Gemüse fällt je nach seinem Gesamtnährstoffbedarf in drei Kategorien. Zu den Pflanzen mit geringem Nährstoffbedarf gehören Blattgemüse und Kräuter wie Salat, Mangold, Rucola, Basilikum, Minze, Petersilie, Koriander, Schnittlauch, Pak Choi und Brunnenkresse sowie Hülsenfrüchte wie Erbsen und Bohnen. Am anderen Ende des Spektrums stehen Pflanzen mit hohem Nährstoffbedarf, die manchmal 136 als "nährstoffhungrig" bezeichnet werden. Dazu gehören die botanischen Früchte, wie Tomaten, Auberginen, Gurken, Zucchini, Erdbeeren und Paprika. Pflanzen mit mittlerem Nährstoffbedarf gehören zur Familie der Kohlpflanzen, wie Grünkohl, Blumenkohl, Brokkoli und Kohlrabi (Somerville et al. 2014a). Aquaponik-Systeme müssen, was die Nährstoffe betrifft, sorgfältig bilanziert (ausgeglichen) werden. Die Fische (und damit das Fischfutter) müssen die Pflanzen mit ausreichend Nährstoffen versorgen, und die Pflanzen müssen das Wasser für die Fische filtern. Fruchtgemüse benötigt etwa ein Drittel mehr Nährstoffe als Blattgemüse, um die Entwicklung von Blüten und Früchten zu unterstützen (Somerville et al. 2014b): • Blattgemüse - 40-50 g Fischfutter/m2/Tag • Fruchtgemüse - 50-80 g Fischfutter/m2/Tag 7.2 Pflanzenauswahl Dieser Abschnitt behandelt einige der Pflanzenarten, die am häufigsten in Aquaponik angebaut werden. Es werden Einzelheiten über die idealen Wachstumsbedingungen, die Länge der Wachstumsperiode, häufige Schädlinge und Krankheiten sowie Empfehlungen für die Ernte und Lagerung gegeben. Samenhändler bieten ein umfangreiches Sortiment der Gemüsesorten an. Zwar können sowohl Feld- als auch Gewächshaussorten in einem Gewächshaus angebaut werden, doch ist es von Vorteil, wenn immer möglich, Gewächshaussorten zu verwenden, da sie oft so gezüchtet wurden, dass sie unter kontrollierten Umweltbedingungen sehr viel Ertrag bringen (Resh 2013). 7.2.1 Blattgemüse 7.2.1.1 Kopfsalat Kopfsalat (Lactuca sativa) nimmt relativ wenig Platz ein und hat eine kurze Wachstumsperiode, wenn er gesund ist: 5-6 Wochen nach der Verpflanzung oder 9-11 Wochen nach der Aussaat. Salat kann in Medienbeet-, NFT- und DWC-Systemen mit 20-25 Pflanzen/m² angebaut werden. Viele Sorten können in Aquaponik angebaut werden, darunter Eisbergsalat, der sich für kühlere Bedingungen eignet, Lattich (Römer-Salat), und Schnittsalate ohne Kopf, die direkt auf Medienbeete gesät und durch Pflücken oder Schneiden einzelner Blätter wiederholt geerntet werden kann. Die häufigsten Schädlinge und Krankheiten bei Salat sind Blattläuse, Miniermotten und Mehltau. Ideale Anbaubedingungen für Salat: • • Temperatur: 15-22 ⁰C pH-Wert: 5.8-7.0 Die Samen brauchen zwischen 3 und 7 Tage, um bei 13-21 ⁰C zu keimen. Eine zusätzliche Düngung mit Phosphor in der zweiten und dritten Wachstumswoche begünstigt ein gutes Wurzelwachstum und reduziert den Stress bei der Transplantation. Die Abhärtung der Pflanzen, indem die Sämlinge vor dem Verpflanzen 3-5 Tage lang kälteren Temperaturen und direktem Sonnenlicht ausgesetzt werden, führt ebenfalls zu höheren Überlebensraten. Die Sämlinge können nach 3 Wochen in die Hydroponik verpflanzt werden, wenn die Pflanzen 2-3 echte Blätter haben. Beim Umpflanzen von Salat bei 137 warmem Wetter sollten die Pflanzen 2-3 Tage lang leicht beschattet werden, um Wasserstress zu vermeiden (Somerville et al. 2014c). Für das Kopfwachstum sollte die Lufttemperatur 3-12 ⁰C betragen, mit einer Tagestemperatur von 1728 ⁰C. Das generative Wachstum wird von der Photoperiode und der Temperatur beeinflusst: Längeres Tageslicht und zu hohe Nachttemperaturen (>18 ⁰C) verursachen das Durchtreiben (Bildung von Schosser). Wassertemperaturen über 26 ⁰C können ebenfalls zu Schosserbildung und Blattbitterkeit führen. Einige Sorten sind toleranter gegenüber Hitze als andere. Falls die Luft- und Wassertemperaturen während der Saison steigen, sollten (Sommer-)Sorten, die resistent auf das Durchtreiben sind, verwendet werden. Auch kann man Salate in Medienbeeten so pflanzen, dass sie teilweise von höheren Pflanzen beschattet werden. Um einen knackigen, süssen Salat zu erhalten, müssen die Pflanzen schnell wachsen, dafür muss das Nitratgehalt angemessen sein. Die Pflanze hat zwar insgesamt einen geringen Nährstoffbedarf, jedoch tragen höhere Kalziumkonzentrationen im Wasser dazu bei, im Sommer ein Verbrennen der Spitzen zu verhindern. Während der ideale pH-Wert bei 5.8-6.2 liegt, wächst Salat bei einem pH-Wert von 7 immer noch gut, obwohl aufgrund der reduzierten Bioverfügbarkeit des Eisens oberhalb der Neutralität ein gewisser Eisenmangel auftreten könnte (Somerville et al. 2014c). Abbildung 1: Hydroponische Produktion verschiedener Salatsorten https://www.maxpixel.net/Natural-Lettuce-Fresh-Healthy-Raw-Food-Green-1239155 Die Ernte kann beginnen, sobald die Köpfe oder Blätter gross genug sind, um sie zu verzehren. Salat sollte früh am Morgen geerntet werden, wenn die Blätter knackig und voller Feuchtigkeit sind, und nach der Ernte sollten sie schnell gekühlt werden. Die Erntetechniken können die Haltbarkeit beeinflussen: es ist nicht gut, wenn der Salat während des Prozesses grob behandelt, gequetscht oder zerdrückt wird. Dies macht die Produkte viel anfälliger für Fäulnis und Krankheiten nach der Ernte. Ausserdem verlängern kalte Temperaturen die Haltbarkeit (Storey 2016f). Salat kann schnell geerntet werden, indem man den ganzen Kopf nimmt und mit einem Erntemesser jeden Kopf dort abschneidet, wo er auf die Oberfläche des Systems trifft. Einige Züchter ernten die 138 gesamte Pflanze, einschliesslich der Wurzeln, was die Haltbarkeit verlängern kann. Bei so viel Transpiration und Feuchtigkeit kann es schwierig sein, Salat länger als ein paar Tage zu lagern, bevor er anfängt zu welken und zu faulen. Salat kann bis zu drei Wochen frisch bleiben, wenn dieser knapp oberhalb von 0 ⁰C gelagert wird, aber er sollte nicht gefrieren, da sich die Blatthaut dann von den anderen Geweben trennt und das Blatt schnell zerfällt. Salat braucht Feuchtigkeit, um nicht auszutrocknen, aber Kondenswasser oder starke Feuchtigkeit auf den Blättern ist schädlich. Um die Kondensation zu vermeiden, ist es am besten die Temperaturen sehr konstant zu halten (Storey 2016f). Die Eingriffe an der Pflanze sollten auf ein Minimum beschränkt werden. Die einzige absolut notwendige Aufgabe ist das Entfernen der Blätter, die ausgetrocknet oder krank sind oder die Ästhetik der Pflanze beeinträchtigen. Vorzugsweise wird der Salat vor der Lieferung nicht gewachsen, obwohl einige Züchter sie in ein kaltes Wasser eintauchen, in dem Glauben, dass es die Haltbarkeit durch Schliessen der Spaltöffnungen verlängert (Storey 2016f). Abbildung 2: Hydroponische Produktion von Salat mit NFT-Kanälen https://www.maxpixel.net/Organic-Greenhouse-Farming-Hydroponic-Cucumber-2139526 7.2.1.2 Mangold oder Krautstiel Mangold (Beta vulgaris subsp. vulgaris) lässt sich leicht in Medienbeeten, NFT-Kanälen und DWCSystemen anbauen. Es ist eine ziemlich zähe Pflanze, die gelegentlich anfällig für Blattläuse und Mehltau ist, und obwohl hohe oder niedrige Temperaturen den Geschmack beeinträchtigen, ist die Pflanze insgesamt sehr tolerant gegenüber Stressbedingungen. Ideale Wachstumsbedingungen für Mangold: • Temperatur: 16-24 ⁰C und frostverträglich • pH-Wert: 6.0-7.5 139 Mangold ist ein moderater Nitratzehrer und benötigt geringere Kalium- und Phosphorkonzentrationen als Fruchtgemüse. Aufgrund seines hohen Marktwertes, seiner schnellen Wachstumsrate und seines Nährstoffgehalts wird Mangold häufig in kommerziellen Aquaponik-Systemen angebaut. Obwohl Mangold traditionell eine Spätwinter-/Frühjahrskultur ist, wächst sie auch in der vollen Sonne während der Sommer gut. In so einen Fall wird ein Schattierungsnetz empfohlen, wenn die Temperaturen über 26 ⁰C liegen (Somerville et al. 2014c). Mangold lässt sich am einfachsten aus Samen anziehen und keimt innerhalb von 4-5 Tagen bei 2530 ⁰C. Die Samen produzieren mehr als einen Keimling, so dass eine Ausdünnung erforderlich ist, wenn die Sämlinge zu wachsen beginnen. Die Setzlinge können mit 15-20 Pflanzen/m² verpflanzt werden. Wenn die Pflanzen während der Saison älter werden, können die älteren Blätter entfernt werden, um ein neues Wachstum zu fördern (Somerville et al. 2014c). Der Mangold kann 4-5 Wochen nach der Verpflanzung geerntet werden und bringt gute Erträge. Idealerweise werden sie nur teilweise geerntet, so dass 30 % der Blätter für die Photosynthese der Pflanze für die nächste Ernte übrigbleiben. Die grössten Blätter sollten so nah wie möglich an der Basis der Pflanze abgeschnitten werden. Die Ernte morgens oder abends kann dazu beitragen, den Mangold bei richtiger Behandlung über eine Woche lang frisch zu halten, ohne dass dieser welkt. Mangold hält am längsten, wenn er ohne Waschen in versiegelten Behältern oder Beuteln bei kühlen Temperaturen gelagert wird, was die Atmung und den Verfall drastisch reduziert (Storey 2016b). 7.2.1.3 Grünkohl oder Kale Der Anbau von Grünkohl (Brassica oleracea var. acephala) in Aquaponik ist relativ einfach und es stehen mehrere interessanten Sorten zur Auswahl. Die Pflanze wächst relativ schnell mit einem sechswöchigen Zyklus von der Verpflanzung bis zur Ernte oder kann teilweise geerntet werden, so dass 30 % für die nächste Ernte nachwachsen können. Ideale Wachstumsbedingungen für Grünkohl: • • Temperatur: 8-29 ⁰C pH-Wert: 6.0-7.5 Grünkohl ist eine Winter-Kulturpflanze, und viele Züchter wenden sogar kühlere Temperaturen an (bis hinunter zu 5 ⁰C), um einen geschmeidigeren, besseren Geschmack zu erzielen. Glücklicherweise wird Grünkohl, wenn es im Gewächshaus angebaut wird, nur von wenigen Schädlingen wie Blattläusen und etwas Mehltau befallen wird (Storey 2016p). 7.2.1.4 Asiatische Kohlsorten Pak Choi (Brassica chinensis), auch bekannt als Bok Choi, gibt es in verschiedenen Grössen, darunter grosse Sorten wie Joi Choi und kleinere Sorten wie Shanghai Green Pak Choy, die kompaktere, zarte Köpfe mit einem delikaten Geschmack bieten. Tatsoi (Brassica narinosa, auch Breitschnabelsenf genannt) hat die gleichen dicken Blätter und leichten Adern wie Pak Choi und kann unter ähnlichen Bedingungen angebaut werden. Napa-Kohl oder China-Kohl (Brassica rapa pekinensis) ist ein weiteres 140 Brassica-Mitglied, das zwar anders aussieht als Pak Choi und Tatsoi, aber den gleichen pH- und ECBereich wie Pak Choi aufweist und besser schmeckt, wenn es bei kühleren Temperaturen angebaut wird (Storey 2016i). Ideale Wachstumsbedingungen für Pak Choi: • • Temperatur: 13-23 ⁰C pH-Wert: 6.0-7.5 Obwohl Pak Choi in der Regel bei kühlen Temperaturen milder ist, ist es ziemlich temperaturtolerant, und damit leicht einsetzbar für Hydro- und Aquaponik. Nährstoffmängel sind bei Pak Choi relativ schwer zu erkennen, da die offensichtlicheren Symptome wie interveinale Chlorose, Brennen oder Bräunung nicht häufig auftreten. Die Mängel werden durch verkümmertes Wachstum, Schröpfen und eine gewisse Vergilbung gekennzeichnet. Pflanzen Sie Pak Choi aus dem Samen und pflanzen Sie es ein, sobald die Pflanze echte Blätter hat; dies geschieht normalerweise nach etwa vier Wochen. Obwohl die höchsten Erträge sechs Wochen nach der Verpflanzung erzielt werden, kann Pak Choi in kürzeren Rotationen von vier Wochen angebaut werden (Storey 2016i). Abbildung 3: Pak Choi, der im NFT-System auf den Lufa-Farmen wächst https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27515408 7.2.1.5 Kohl Kohl (mit mehreren Sorten von Brassica oleracea) ist eine relativ unproblematische Kulturpflanze. Allgemeine Schädlingsbekämpfungsmassnahmen mit einem integrierten Schädlingsbekämpfungs (ISB)-Plan halten die Schädlinge in der Regel in Schach, und beim Kohl ist kein zusätzlicher Schnitt erforderlich. Die Köpfe werden gross (3,5 kg sind keine Seltenheit), so dass die Landwirte auf kleinem Raum eine ziemlich grosse Ernte erzielen können. Ideale Anbaubedingungen für Kohl: • Temperatur: 15-20 ⁰C (aber frostverträglich) 141 • pH-Wert: 6.0-7.2 Kohl ist anfällig für häufige Schädlinge wie Blattläuse sowie für Pilzkrankheiten wie Schwarzbeinigkeit und Schwarzfäule. Letztere sind in der Regel darauf zurückzuführen, dass die Krone der Pflanze feucht gehalten wird. Abgesehen von Schädlingen und Krankheiten ist das häufigste Problem beim Kohlanbau die Spaltung, wenn der Kopf reisst und sich spaltet. Dies sieht für die Verbraucher unattraktiv aus und kann zu Verschmutzung und Krankheiten führen. Eine Aufspaltung kann vermieden werden, wenn die Wachstumsbedingungen konsistent bleiben und die Ernte zum richtigen Zeitpunkt erfolgt (Storey 2016k). Kohl wächst am besten in Medienbeeten, weil er beträchtliche Dimensionen erreicht und für Flösse oder Rohrleitungen zu gross und schwer sein kann. Als eine nährstoffbedürftige Pflanze ist es nicht für neu eingerichtete Aquaponikeinheiten (weniger als vier Monate alt) geeignet. Aufgrund des grossen Flächenbedarfs (4-8 Pflanzen m²) nehmen Kohlkulturen jedoch weniger Nährstoffe pro Quadratmeter auf als andere Blattgemüse (Salat, Spinat, Rucola usw.). Kohl liebt die volle Sonne und wächst am besten, wenn die Köpfe bei kühleren Temperaturen reifen, und sie sollten geerntet werden, bevor die Tagestemperaturen 23-25 ⁰C erreichen. Hohe Konzentrationen von Phosphor und Kalium sind unerlässlich, wenn die Köpfe zu wachsen beginnen. Eine Zugabe von organischen Düngern, die entweder auf den Blättern oder auf den Substraten abgegeben werden, kann notwendig sein, um die Pflanzen mit ausreichend Nährstoffen zu versorgen (Somerville et al. 2014c). Um beste Keimungsraten zu erzielen, sollten Sämlinge etwas wärmer gehalten werden als reife Pflanzen (18-29 ⁰C). Auch die Skarifikation 1 kann die Keimungsrate erhöhen. Nach der Auspflanzung keimt das Saatgut in 4-7 Tagen, und die Sämlinge sind 4-6 Wochen später mit 4-6 Blättern und einer Höhe von 15 cm pflanzbereit. Es ist wichtig, jedem Kopf genügend Platz zu lassen, damit er auf die gewünschte Grösse wachsen kann. Bei höheren Tagestemperaturen als 25 ⁰C sollte ein 20-% Lichtschutznetz verwendet werden, um ein Durchtreiben der Pflanzen zu verhindern. Je nach Kohlsorte und gewünschter Kopfgrösse ist die Ernte 45-70 Tage nach dem Umpflanzen erntereif. Sie sollte geerntet werden, wenn der Kopf fest und gross genug für den Markt ist, indem der Kopf mit einem scharfen Messer vom Stiel abgeschnitten und die äusseren Blätter verworfen werden (Somerville et al. 2014c). 7.2.1.6 Senfgrün Senfgrün (Brassica juncea) ist ein weiteres Mitglied der Brassica-Familie (ein Verwandter von Grünkohl und Kohl). Ideale Wachstumsbedingungen für Senfgrün: • 1 Temperatur: 10-23 ⁰C Sehr viele Samenschalen werden erst bei tieferen oder höheren Temperaturen durchlässiger. Die Keimung erfolgt, wenn der Samen Feuchtigkeit aufnehmen kann. Um eine Keimung in Gang zu setzen, ist eine Vorbehandlung nötig, um die Schale durchlässig zu machen, damit die Feuchtigkeit durchdringen kann. Die üblichste Methode ist vorsichtiges Anfeilen, Aufrauhen mit grobem Schmirgelpapier oder ein vorsichtiges Anritzen mit einem Messer. Anschließend mit heissem Wasser übergiessen und für ca. 12 - 48 Std., je nach Art, vorquellen lassen. 142 • pH-Wert: 6.0-7.5 Senfgrün kann ähnlich wie Grünkohl gezüchtet werden - aus Samen, die 4-7 Tage zum Keimen brauchen, sind die Sämlinge 2-3 Wochen später (3-4 Wochen nach der Auspflanzung) pflanzbereit. Nach 4-6 Wochen Wachstum sollten die Pflanzen teilweise geerntet werden, wobei nur 30% der Pflanze geerntet werden sollen und der Rest weiter wachsen kann (Storey 2016g). 7.2.1.7 Kapuzinerkresse (Nasturtium) Kapuzinerkresse (Tropaeolaceae tropaeolum) ist eine zarte Pflanze, die in Südamerika heimisch ist. Im Gegensatz zu vielen Nutzpflanzen sind sowohl die Blätter als auch die Blüten essbar und haben einen scharfen, pfeffrigen Geschmack, der an Senf oder Brunnenkresse erinnert. Kapuzinerkresse lässt sich leicht in Hydrokultursystemen anbauen. Wenn die Züchter jedoch für die Blumenproduktion optimieren, müssen sie möglicherweise das Nährstoffverhältnis und das Licht anpassen, um die Blüte anzuregen. Es kann auch notwendig sein, das Verhältnis von Stickstoff und Kalium zu kontrollieren, um das vegetative und fruchtbildende Stadium zu steuern, und das System entsprechend umzustellen, wenn sie etwa die Hälfte ihrer Wuchsgrösse erreicht haben, um die Blüten zu beginnen. Dies gibt der Pflanze die Möglichkeit, Wurzeln und photosynthetisierendes Gewebe zu bilden, so dass sie nach der Blüte mehr produzieren kann. Kapuzinerkresse leidet unter typischen Schädlingen wie Blattläusen und Spinnmilben. Sie kann in zwei verschiedenen Sorten bezogen werden: einer Rebsorte und einer Strauchsorte (Storey 2017b). Ideale Wachstumsbedingungen für Kapuzinerkresse: • • Temperatur: 13-23 ⁰C pH-Wert: 6.1-7.8 Kapuzinerkresse braucht viel Licht, aber am besten mit geringer Hitzebelastung. Sie keimen bei 13-18 ⁰C und erwachsene Pflanzen gedeihen am besten unter 21 ⁰C. Die blühende Pflanze gedeiht gut in Systemen mit niedrigem EC-Wert, wie z.B. solchen, die für Blattgemüse optimiert sind. Kapuzinerkresse-Samen brauchen 7-10 Tage zu keimen, und sind pflanzbereit, sobald die echten Blätter erscheinen, d.h. normalerweise 2-3 Wochen nach der Keimung. Die Pflanzen werden 5-6 Wochen später blühen, aber wenn der Züchter nur an den Blättern interessiert ist, können diese früher geerntet werden. Einige Züchter ziehen es vor, Kapuzinerkresse in hoher Dichte anzubauen um nur die Blätter zu ernten, solange diese noch jung sind (Storey 2017b). 7.2.2 Kräuter Kräuter sind in der Regel profitabler als Blattgemüse. Verschiedene Kräuter haben unterschiedliche Bedürfnisse, und mangelndes Verständnis dafür kann die Haltbarkeit verringern oder sogar die Produkte ruinieren, bevor sie verwendet werden können. Zu den Tipps, um Kräuter nach der Ernte frisch zu halten, gehören (Storey 2016o): 143 • Kühl halten, aber nicht zu kühl Die Atmungsraten verlangsamen sich, wenn die Ware kühl gehalten wird, da sich die Spaltöffnungen schliessen und der Gasaustausch abnimmt. Die Ernte während eines kühlen Teils des Tages wird ebenfalls helfen. Einige Kräuter, wie z.B. Basilikum, sind empfindlich gegen Kälte und können beschädigt werden. Basilikum sollte nicht unter 13 ⁰C aufbewahrt werden, sondern kann unter 15 ⁰C eine Haltbarkeit von 12 Tagen erreichen. • Seien Sie konsequent Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen sind weitgehend verantwortlich für Krankheits- und Fäulnisprobleme. Diese können vermieden werden, indem die Anzahl der Produkttransporte von einem Ort zum anderen reduziert wird und die Temperatur der Kühler und Transportfahrzeuge konstant gehalten wird. • Verringerung der Pflanzenschäden Die Produktion von Ethylen wird durch Wunden erhöht und beschleunigt die Geschwindigkeit des Verfalls. Es empfiehlt sich bei der Kräuterernte Schere einzusetzen, anstatt zu reissen, um die Pflanzen zu schonen. • Eine Grösse passt nicht allen Ernte- und Verpackungspraktiken sollten spezifisch für das Kraut sein. Die meisten der üblicherweise verwendeten Kräuter unterscheiden sich in ihrer Herkunft, ihren Bedürfnissen und ihrem Lebenszyklus. Das bedeutet, dass jedes Kraut anders behandelt werden sollte, um die Haltbarkeit zu verlängern. • Die Verpackung sollte den, mit Verfall entstehenden, Wasserverlust ausgleichen Zarte Kräuter wie Basilikum oder Schnittlauch verlieren weniger Wasser, wenn sie in Plastiktüten verpackt werden, aber die Kondensation erhöht die Zerfallsraten. • Kontrolle der Beleuchtung Ob unter Licht oder im Dunkeln gelagert, kann je nach Kraut die Zerfallsrate beeinflussen. 7.2.2.1 Koriander Während Koriander (Coriantrum sativum) eine einfache Kultur für Bodengärtner ist, können Indoorund Hydrokulturen nicht die höchste Flächennutzungseffizienz erreichen, da sie einen vergleichsweise langen Wachstumszyklus und einen begrenzten Ertrag hat. Auf der anderen Seite ist Koriander pflegeleicht, und wenn die Erzeuger sicher sind, dass sie einen guten Preis erzielen können, kann sich dieser Anbau lohnen. Da Koriander kleinwüchsig ist, kann er in fast jedem Hydrokultursystem angebaut werden, solange die pH- und EC-Bereiche angemessen sind (Storey 2017a). Ideale Wachstumsbedingungen für Koriander: • Temperatur: 5-23 ⁰C • pH-Wert: 6.5-6.7 144 Koriander kann eine heikle Kulturpflanze sein, da er sehr leicht durchtreibt, besonders bei höheren Temperaturen, was den Geschmack leicht bitter macht. Sie bevorzugt kühlere Temperaturen (5-23 ⁰C) und niedrige EC Werte. Die Vorliebe für kühle Temperaturen erstreckt sich auch auf die Keimung; Temperaturen von 15-20 ⁰C führen zu den besten Keimungsraten. Wenn es zum Durchtreiben kommt, sollten die Schosser beschnitten und Umweltbedingungen angepasst werden. Es ist auch möglich langsam schiessende Saatgut-Varietäten zu kaufen. Zwei der häufigsten Krankheiten des Korianders in der Hydrokultur sind die bakteriellen Blattflecken und der Echte Mehltau. Koriander ist auch anfällig für Pythium, besonders in Systemen mit unzureichender Wurzelbelüftung (Storey 2017a). Koriandersamen keimen in 7-10 Tagen, die Blätter sind 40-48 Tage später erntereif. Von der Aussaat bis zur Ernte benötigt Koriander 50-55 Tage. Koriander kann ganz oder teilweise geerntet werden und erfordert nur wenig Pflege, wie z.B. das Beschneiden. Bei Verwendung einer Teilernte wird die erste Ernte etwa 5 Wochen nach der Transplantation und die zweite etwa 8 Wochen nach der Transplantation erfolgen. Die zweite Ernte wird geringer ausfallen als die erste (Storey 2017a). 7.2.2.2.2 Minze Es gibt Dutzende von Minzarten, aber die Hauptsorten sind die Grüne Minze oder die Speer-Minze (Mentha spicata), die Pfefferminze (Mentha x piperita) und die Polei-Minze (Mentha pulegium); einige der anderen Minzen wie die Zitronenminze oder Zitronenmonarde (Monarda citriodora) sind eigentlich gar keine Minze. Minze ist eine der am einfachsten anzubauenden Kulturen. Sie ist leicht zu pflanzen, wächst schnell und ist leicht zu ernten. Ideale Wachstumsbedingungen für Minze: • Temperatur: 19-21 ⁰C • pH-Wert: 6.5-7.0 Die Minze ist tolerant gegenüber niedrigem EC und einigen Temperaturschwankungen, obwohl sie nicht gut abschneidet, wenn die Hitze über 26 ⁰C steigt. Sie kämpft weniger mit Schädlingen als viele der Kräuter, obwohl Verticillium-Welke und Mehltau problematisch werden können. Minze kann aus Samen angebaut werden, aber die Verwendung von Stecklingen oder Wurzelrhizom ist viel schneller, insbesondere im kommerziellen Massstab. Stängelstecklinge können durch das Entfernen gesunder grüner Zweige und das Einsetzen in Wasser hergestellt werden. Es bilden sich Wurzeln, und die Pflanzen werden innerhalb weniger Wochen zur Reife wachsen. Die Minze kann geerntet werden, indem man die Pflanzen auf etwa 5 Zentimeter Höhe abschneidet. Eine zweite Ernte wird in nur 2-3 Wochen fertig sein, wenn sie auf etwa 20 Zentimeter (Storey 2016m) ausgewachsen ist. 7.2.2.3 Basilikum Aufgrund der höheren Stickstoffaufnahme ist Basilikum (Ocimum basilicum) eine ideale Pflanze für die Aquaponik, die in Medienbeeten, NFT- und DWC-Systemen angebaut werden kann. Obwohl Basilikum in Bezug auf Wasser und pH-Wert nicht besonders ansprüchsvoll ist, erfordert es einen Rückschnitt um volle Erträge zu erzielen (siehe unten). Basilikum wächst am besten bei hohen Temperaturen, die sich 145 nur schwer mit anderen Kulturen kombinieren lassen, so dass es vielleicht am besten ist, es als Monokultur anzubauen. Viele Basilikumsorten wurden in Aquaponik bereits getestet, darunter Genoveser Basilikum, Thai Basilikum und roter Basilikum und feinblättriger Basilikum. Ideale Wachstumsbedingungen für Basilikum: • • Temperatur: 18-30 ⁰C, optimal 20-25 ⁰C pH-Wert: 5.5-6.5 Basilikumsamen benötigen stabile Temperatur von 20-25 ⁰C um die Keimung einzuleiten. Sie keimen innerhalb von 6 bis 7 Tagen. Die Sämlinge sollten in das Aquaponik-System verpflanzt werden, wenn sie 4-5 echte Blätter haben. Nach der Verpflanzung wächst Basilikum am besten unter warmen Bedingungen, auch bei voller Sonneneinstrahlung. Durch die Verwendung von leichten Schattierungen werden jedoch qualitativ bessere Blätter erzielt. Wenn die Temperaturen 27 ⁰C überschreiten, müssen die Pflanzen belüftet oder mit Schattierungsnetzen (20%) abgedeckt werden, um ein Verbrennen der Spitzen zu verhindern. Basilikum kann von verschiedenen Pilzkrankheiten befallen werden, darunter Fusarienwelke, Grauschimmel und Schwarzflecken, insbesondere bei suboptimalen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit. Belüftung und Wassertemperaturen, die höher als 21 ⁰C sind, tragen dazu bei, Pflanzenstress und das Auftreten von Krankheiten zu reduzieren (Somerville et al. 2014c). Die Form der Basilikumblätter bewirkt, dass sie Wasser auffangen und festhalten, daher ist die Kontrolle der Kondensation sehr wichtig. Die Luftfeuchtigkeit im Gewächshaus sollte zwischen 40-60% gehalten werden. Basilikum ist sehr empfindlich, daher benötigt es einen guten Luftstrom, aber keinen Luftzug. Sie wächst gut mit 10-12 Stunden Licht, aber zusätzliches Licht wird den Ertrag erhöhen. Absterbende Blätter sollten entfernt werden, da sie dazu neigen, an den anderen Blättern zu haften und diese zu beschädigen oder Pilze zu bilden. End- oder kopflastige Pflanzen sollten mit einer scharfen Schere beschnitten werden, anstatt sie zu kneifen, da die Gefahr besteht, dass ein ganzer Stamm beschädigt oder abgezogen wird. Die Bitterkeit im Basilikum kann vermieden werden, indem man es vor dem Blühen erntet, den alten/zähen Wuchs auswirft und die abgebrochenen Stiele entfernt (Storey 2016e). Abbildung 4: Basilikum, das in einem NFT-System wächst https://www.goodfreephotos.com/public-domain-images/plants-in-the-green-house.jpg.php 146 Basilikum wurde so gezüchtet, dass es ein einstämmiges, nach oben wachsendes Gewächs ist (apikales Wachstum). Für die meisten Züchter ist jedoch eine buschigere Pflanze besser. Eine beschnittene Pflanze sieht besser aus, liefert mehr Ertrag und kann je nach Anbaumethode leichter transportiert werden. Die Züchter können seitliches Wachstum auslösen. Eine junge Basilikumpflanze (12-25 Zentimeter hoch) hat seitliche Knospen an der Seite des Stängels, die nur wachsen, wenn der Hauptstiel stark beschädigt oder entfernt wird. Das bedeutet, dass die Knospen auswachsen, wenn die Züchter den Stiel direkt über diesen seitlichen Knospen (etwa 1 cm) abschneiden. Durch den Rückschnitt von Basilikum können die Züchter die Produktion dieses Zweiges erhöhen und die Form der Pflanze kontrollieren. Die Pflanze sollte oberhalb des zweiten Knospenpaares geschnitten werden, damit sich das Wachstum auffächert und den Luftstrom oder das Eindringen von Licht nicht behindert. Ein korrekter Rückschnitt führt in den ersten drei Ernten (etwa in den Wochen 5, 8 und 11) zu einer Ertragssteigerung (Storey 2016e). Die Ernte der Blätter beginnt, wenn die Pflanzen 15 cm Höhe erreichen und dauert 30-50 Tage. Basilikum muss vorsichtig behandelt werden, da jegliche Prellungen die Geschwindigkeit des Verfalls erhöhen. Er sollte nicht in einem Kühler gelagert werden, wo die Temperatur normalerweise bei 5-7 ⁰C gehalten wird. Um seine Haltbarkeit zu verlängern, sollte es über 13 ⁰C gelagert werden (vorzugsweise bei einer Temperatur von 16 ⁰C). Bei dieser Temperatur kann es eine Haltbarkeit von 12 Tagen erreichen. Wenn Basilikum in Behälter verpackt wird, die den Feuchtigkeitsverlust reduzieren (Kunststoff mit wenig oder keinem Luftaustausch), muss die Lagertemperatur konstant gehalten werden, um Kondensation zu vermeiden (Storey 2016e). 7.2.2.4 Schnittlauch Schnittlauch (Allium schoenoprasum) ist eine widerstandsfähige Pflanze, die einen grossen Temperaturbereich übersteht und sogar eine Zeit lang ohne Wasser auskommt, ohne dass die Qualität darunter leidet. Schnittlauch ist zudem ziemlich schädlings- und krankheitsresistent. Die häufigsten Probleme in Hydroponik sind Viren und Trauermücken (Storey 2016n). Ideale Anbaubedingungen für Schnittlauch: • • Temperatur: 18-26 ⁰C pH-Wert: 6.1 bis 6.8 Schnittlauch vermehrt sich schnell von der Wurzel her und kann durch Teilung vermehrt werden. Samen für den Anbau von Schnittlauchsetzlingen werden eher selten verwendet müssen, es sei denn, reife Schnittlauchpflanzen sind nirgendwo zu finden. Wenn Schnittlauch aus Samen angebaut wird, sind die Sämlinge nach etwa 4 Wochen pflanzbereit und 3-4 Wochen später erntereif. Wenn er von der Wurzel her gepflanzt wird, wird der Schnittlauch innerhalb von 2-3 Wochen etabliert und mit jeder Ernte dicker werden. Schnittlauch sollte alle zwei bis drei Wochen geerntet werden, indem er auf etwa 2,5-5 Zentimeter über die Basis zurückgeschnitten wird (Storey 2016n). 147 7.2.2.5 Petersilie Petersilie (Petroselinum crispum) wächst gut in Medienbeeten, NFT- und DWC-Systemen und ist aufgrund ihres hohen Marktwertes in kommerziellen Aquaponikanlagen üblich. Grossblättrige Sorten wie das italienische Flachblatt (P. crispum var. neapolitanum) wachsen besonders gut. Schädlinge auf der Petersilie sind selten, meist begegnet man Blattläuse oder Thrips. Ideale Wachstumsbedingungen für Petersilie: • Temperatur: 15-25 ⁰C; sehr kälteresistent • pH-Wert: 6.0-7.0 Petersilie ist ein zweijähriges Kraut, das traditionell als einjähriges Kraut angebaut wird. Die meisten Sorten werden über einen Zeitraum von zwei Jahren wachsen, wenn die Wintersaison mild und weitgehend frostfrei ist. Im ersten Jahr produzieren die Pflanzen Blätter, während sie im zweiten Jahr die Blütenstiele zur Samenproduktion hochschicken. Petersilie geniesst bis zu acht Stunden am Tag volle Sonne. Eine Teilbeschattung ist erforderlich, wenn die Temperaturen über 25 ⁰C liegen (Somerville et al. 2014c). Petersilie kommt als erschwingliches Saatgut und keimt innerhalb von 8-10 Tagen mit guter Feuchtigkeit und einer Temperatur von 20-25 ⁰C. Wenn die Samen nicht frisch sind, kann die Keimung bis zu 5 Wochen dauern. Um die Keimung zu beschleunigen, können die Samen 24-48 Stunden lang in warmem Wasser (20-23 ⁰C) eingeweicht werden, um die Samenschalen aufzuweichen. Die aufstrebenden Sämlinge sehen aus wie Gras, mit zwei schmalen gegenüberliegenden Samenblättern. Die Sämlinge sind nach 5-6 Wochen verpflanzungsbereit, wenn sie ihre wahren Blätter zeigen. Sie können mit 10-15 Pflanzen/m² gepflanzt werden. Die erste Ernte erfolgt in der Regel 20-30 Tage nach der Verpflanzung, sobald die einzelnen Stängel der Pflanzen mindestens 15 cm lang sind. Ernten Sie zuerst die äusseren Stängel, da dies das Wachstum während der gesamten Saison fördert (Somerville et al. 2014c). Alternativ kann die Petersilie mehrfach geerntet werden, indem man die Stängel mit einer Schere oder einem Erntemesser bis auf 5 Zentimeter von der Basis abschneidet. Eine weitere Ernte kann etwa 3 Wochen später erfolgen. Nach der zweiten Ernte (Storey 2016a) sollte ein neuer Zyklus begonnen werden. 7.2.2.6 Fenchel Fenchel (Foeniculum vulgare) kämpft selten mit Schädlingen, wenn er gesund gehalten wird, obwohl ein Blattlausbefall die Kulturpflanze beeinträchtigen könnte. Ideale Wachstumsbedingungen für Fenchel: • Temperatur: 16-21 ⁰C • pH-Wert: 6.4-6.8 148 Fenchel bevorzugt einen niedrigeren EC. Obwohl er sich oft als hitze- und kältebeständig erweist, ist er nicht frostbeständig. Fenchel hat eine grössere Bandbreite an Keimungsraten, von etwa 60% bis 90%. Das Saatgut braucht 1-2 Wochen um zu keimen, und ist in der Regel 3-5 Wochen später bereit zur Verpflanzung. Von der Verpflanzung dauert es etwa 6-8 Wochen, bis die Erntemenge erreicht ist. Die Zwiebeln können geerntet werden, sobald der Züchter es wünscht, aber 250 g bis 500 g Zwiebeln sind auf den meisten Märkten Standard. Fenchel kann zweimal geerntet werden (einmal nur für das Grün, einmal für die Zwiebel und das Grün zusammen), falls es einen Markt für den grünen Pflanzenteil gibt. Wie bei Mangold und Grünkohl sollten bei der ersten Ernte (Storey 2016d) nur 70% des Grüns entfernt werden. 7.2.3 Fruchtpflanzen Fruchtpflanzen (Tomaten, Peperoni) müssen korrekt beschnitten werden. Ohne regelmässigen Schnitt kann es zu übermässigem Wachstum kommen. Die Wurzelsysteme von Pflanzen, die in Aquaponik wachsen, sind nicht so stark wie im Boden wachsende Pflanzen, da die Wurzeln sich nicht auf der Suche nach Nährstoffen ausbreiten müssen. Deswegen können Pflanzen in Hydroponik aufgrund der schlechten Verankerung der Wurzeln keine hohen Lasten tragen. Der Pflanzenschnitt ist auch für die Gewächshausproduktion wichtig, da die Erzeuger aufgrund der höheren Kosten pro Quadratmeter die Fläche sehr effizient nutzen müssen. Daher ermöglicht der Rückschnitt eine hohe Pflanzdichte und eine bessere Qualität der Produkte. 7.2.3.1 Tomaten Tomaten (Solanum lycopersicum) kann man nach ihren Wachstumsform in zwei Hauptgruppen einteilen: Busch oder Strauchtomaten zeigen ein determiniertes Wachstum, dabei kommt der Wuchs der Triebe früher oder später an ein Ende. Dagegen zeigen Stabtomaten ein indeterminiertes Wachstum: sie wachsen während der gesamten Vegetationsperiode weiter in die Länge wachsen, können sehr hoch werden (bis über 200 cm) und müssen mit Stäben oder Schnüren gestützt. Sie bilden bis zum Herbst ständig neue Blätter und Blüten. Kommt zum determinierten Wachstum noch ein kompakter Wuchs hinzu, begründet in kurzen Abständen zwischen den Blättern und Triebknospen, dann haben wir perfekte Strauchtomaten, die je nach Sorte 25 cm bis 60 cm hoch werden, schnell ihre Endgrösse erreichen und dann blühen und ihre Früchte im auch schnell zur Reife bringen. Normalerweise haben sie nur eine Generation von Früchten. Während sich Strauchtomaten gut für ein Balkon eignen, neigen sie dazu, sich auf dem Boden eines Gewächshauses auszubreiten, was das Spalieren schwierig oder sogar unmöglich macht. Infolgedessen können die Züchter Schwierigkeiten haben, die Früchte zu erreichen, die Pflanzen zu beschneiden und das Gewächshaus zu navigieren. Indeterminierte Tomatensorten begrenzen ihr Triebwachstum nicht über endständige Blüten, die Haupttriebe wachsen immer weiter, bilden seitlich Blüten und auch sogenannte Geiztriebe aus. Indeterminierte Tomatensorten werden «ausgegeizt», d.h. die Geiztriebe werden beschnitten. Sie werden für die Kultivierung im Gewächshaus bevorzugt. Durch Schnitt sind die Pflanzen leichter zugänglich und können viel schneller geerntet werden. Eine typische Bato-Eimer- und Tomatenanordnung (siehe 9.2.4) umfasst zwei Pflanzen pro Eimer, wobei die Eimer 60-90 cm voneinander entfernt sind. Wenn die Tomaten als Einzelpflanzen (z.B. in einem Plattensystem) 149 angebaut werden, können sie auf zwei Stängel pro Pflanze beschnitten werden. Tomaten sind anfällig für viele Schädlinge und Krankheiten, die häufigsten sind Verticillium-Welke, Fusarium, Nematoden, Spinnmilben, Blattläuse, Dämpfungsabfälle und Mosaikviren. Achten Sie beim Kauf von Tomaten oder Saatgut auf das 'VFN'-Etikett, das auf Resistenz gegen Verticillium, Fusarium und Nematoden hinweist (Storey 2017c). Ideale Anbaubedingungen für Tomaten: • Temperatur: 13-26 ⁰C • pH-Wert: 5.5-6.5 Tomaten sind stark Nährstoffzehrend (Tabelle 1). Sie lieben die Hitze und wachsen in der gleichen Umgebung wie Pflanzen wie Okra oder Basilikum gut. Ein Nachteil von Tomaten ist, dass ihr Geschmack besonders durch das Medium, in dem sie wachsen, beeinflusst wird. Daher muss sichergestellt werden, dass das Systemwasser Nährstoffe im richtigen Verhältnis beinhaltet. Da Tomaten eine so häufig angebaute Kulturpflanze sind, findet man in Internet gibt es eine Fülle von Angaben zur Fehlerbehebung und zu Mängeln. Häufige Defizite bei Tomatenpflanzen sind Phosphor und Magnesium (Storey 2017c). Tabelle 1: Empfohlene Nährlösungszusammensetzungen, die auf die Wachstumsphase von Tomaten in erdloser Kultur abgestimmt sind (aus Raviv & Lieth 2007) Wachstumsphase N P K Ca Mg (mg L-1) Verpflanzung 80-90 30-40 120-140 180-220 40-50 Blüte und Anthese 2 120-150 30-40 180-220 230-250 40-50 Reifung und Ernte der Früchte 180-200 30-40 230-250 180-220 40-50 Fruchternte 120-150 30-40 180-220 180-220 40-50 Das Saatgut wird in 4-6 Tagen bei 20-30 ⁰C keimen. Pfähle oder Pflanzenstützen sollten vor dem Umpflanzen gesetzt werden, um Wurzelschäden zu vermeiden. Setzlinge können 3-6 Wochen nach der Keimung in das Aquaponiksystem verpflanzt werden, wenn die Setzlinge 10-15 cm hoch sind und die Nachttemperaturen konstant über 10 ⁰C liegen. Die Tomaten können in Medienbeeten angebaut werden, wobei der Wasserstau um den Pflanzenkragen vermieden werden soll, um das Risiko von Krankheiten zu verringern. Angesichts ihres hohen Nährstoffbedarfs, insbesondere für Kalium, sollte die Anzahl der Pflanzen pro Einheit entsprechend der Fischbiomasse geplant werden, um Nährstoffmängel zu vermeiden. Tomaten bevorzugen warme Temperaturen, bei voller Sonneneinstrahlung. Die optimale Tagestemperatur beträgt 22-26 ⁰C, während die Nachttemperatur von 13-16 ⁰C den Fruchtansatz fördert (Somerville et al. 2014c). Das Beschneiden ist für die Tomatenproduktion von entscheidender Bedeutung, da es die richtige Nutzung der Energie für das Wachstum der Früchte und des Hauptstammes gewährleistet. Sobald die 2 Die Anthese ist die Blütezeit einer Pflanze ab der Öffnung der Blütenknospe. 150 Tomatenpflanzen etwa 60 cm hoch sind, kann die Anbaumethode (Strauch oder Stab) durch Beschneiden der überflüssigen oberen Zweige bestimmt werden. Man kann Büsche als Sträucher wachsen lassen, indem man 3-4 Hauptzweige stehen lässt und alle Geizzweige entfernt, um die Nährstoffe zu den Früchten umzuleiten. Strauchtomaten können bis zu einer Höhe von 4 Metern wachsen, während 2 Meter eine normale Höhe ist. Bei den indeterminiert wachsenden Tomaten ist ein Rückschnitt erforderlich, da ohne Beschneiden und Spalieren 50 % des Tomatenertrags verloren geht. Sowohl Strauch- als auch Stabsorten sollten mit einem einzigen Stamm (bei hoher Pflanzenstärke doppelt) angebaut werden, indem alle Geiztriebe entfernt werden. Die beste Methode ist die wöchentliche manuelle Entfernung von Geiztrieben von 2 bis 2.5 mm Länge. Bei dieser Grösse können die Geiztriebe leicht abgebrochen werden, ohne den Hauptstamm zu verletzen. Bei Strauchsorten muss die apikale Spitze des Einzelstammes abgeschnitten werden, sobald die Pflanze 7-8 Blütenzweige erreicht, um die Fruchtbildung zu begünstigen. Tomaten sind auf Stützen angewiesen, die entweder aus Pfählen bestehen (Strauchsorten) oder an vertikalen Kunststoff-/Nylonschnüren gebunden sind, die an Eisendrähten befestigt sind, die horizontal über die Pflanzeneinheiten gezogen werden (Stabsorten). Es ist auch wichtig, die Blätter von den unteren 30 cm des Hauptstammes zu entfernen, um eine bessere Luftzirkulation zu fördern und die Pilzinfektion zu reduzieren. Die beste Methode, sie zu entfernen, besteht darin, sie zuerst nach oben zu biegen und dann nach unten zu ziehen, um ein Abschälen der Haut am Stiel zu verhindern. Entfernen Sie die Blätter, die jeden Fruchtarm bedecken, kurz vor der Reife, um den Nährstofffluss zu den Früchten zu begünstigen und die Reifung zu beschleunigen (Singh & Dunn 2017; Somerville et al. 2014c). Falls Tomaten im Freien wachsen, werden sie vom Wind oder von Bienen bestäubt. In Gewächshäusern reicht die Luftbewegung dafür nicht aus. Die Bestäubung kann entweder manuell oder mit Hilfe von Hummeln (Bombus sp.) durchgeführt werden. Es ist wichtig, die richtige Grösse der Hummelpopulationen aufrechtzuerhalten, da eine Überbevölkerung dazu führen kann, dass die Tomatenblüten überstrapaziert werden. Für die manuelle Bestäubung ist die Vibration der Tomatenblütenbüschel unerlässlich. Dies kann durch Klopfen auf die Blumen mit einem Stock, mit den Fingern oder mit einem elektrischen Vibrator, z.B. einer elektrischen Zahnbürste, geschehen. Die Bestäubung muss erfolgen während sich die Blüten in einem aufnahmefähigen Zustand befinden, was durch das Zurückrollen der Blütenblätter angezeigt wird. Die Pflanzen sollten mindestens jeden zweiten Tag bestäubt werden, da die Blüten etwa 2 Tage lang aufnahmefähig bleiben. Um beste Ergebnisse zu erzielen sollte die Bestäubung zwischen 11.00 Uhr und 15.00 Uhr unter sonnigen Bedingungen erfolgen. Wenn die Bestäubung korrekt durchgeführt wurde, entwickeln sich innerhalb von etwa einer Woche kleine perlenartige Früchte. Dies wird als Fruchtsatz bezeichnet. Wenn junge Pflanzen ihre ersten Rispen produzieren, bestäuben Sie jeden Tag, bis die Fruchtansätze sichtbar sind. Es ist wichtig, dass die Früchte auf diesen ersten Rispen wirklich ansetzen, da dies die gesamte Pflanze in einen reproduktiven Zustand versetzt, der eine grössere Blüten- und Fruchtproduktion mit zunehmendem Alter der Pflanze begünstigt. Nachdem die Früchte auf den ersten Rispen anfangen zu wachsen, kann die Bestäubung jeden zweiten Tag durchgeführt werden. Eine relative Luftfeuchtigkeit von 70% ist optimal für die Bestäubung, den Fruchtansatz und die Fruchtentwicklung (Resh 2013). Die Wachstumszeit beträgt 50-70 Tage bis zur ersten Ernte, und die Fruchtbildung dauert 90-120 Tage bei Strauchsorten und bis zu 8-10 Monate bei Stabsorten. Für den besten Geschmack ernten Sie die Tomaten, wenn sie fest und voll gefärbt sind. Die Früchte werden weiter reifen, wenn sie halbreif 151 gepflückt und ins Haus gebracht werden. Die Früchte können leicht 2-4 Wochen lang bei 5-7 ⁰C unter 85-90 % relativer Luftfeuchtigkeit gehalten werden (Somerville et al. 2014c). 7.2.3.2 Paprikaschoten Paprikaschoten (Capsicum anuum) bevorzugen warme Bedingungen und volle Sonneneinstrahlung. Wie bei anderen Fruchtpflanzen unterstützt Nitrat das ursprüngliche vegetative Wachstum (optimaler Bereich 20-120 mg/Liter), aber für die Blüte und den Fruchtansatz sind höhere Konzentrationen von Kalium und Phosphor erforderlich (Tabelle 2, Somerville et al. 2014c). Ideale Anbaubedingungen für Paprika: • • Temperatur: 19-23 ⁰C pH-Wert: 5.5-6.5 Das Saatgut wird in 8-12 Tagen unter 22-30 ⁰C keimen. Die Setzlinge können verpflanzt werden, sobald sich die Nachttemperatur über 10 ⁰C einstellt und sie 6-8 echte Blätter haben. Buschige, ertragreiche Pflanzen müssen mit Pfählen oder vertikalen Schnüren gestützt werden, die an horizontal über die Eimer gezogenen Eisendrähten hängen. Die ersten paar Blüten, die an der Pflanze erscheinen, sollten gepflückt werden, um das weitere Pflanzenwachstum zu fördern, und die Anzahl der Blüten sollte im Falle eines übermässigen Fruchtansatzes reduziert werden, um den Anbau von Früchten zu begünstigen, um eine angemessene Grösse zu erreichen (Somerville et al. 2014c). Tabelle 2: Empfohlene Nährlösungszusammensetzungen, die auf die Wachstumsphase von Paprika in erdloser Kultur abgestimmt sind (aus Raviv & Lieth 2007) Wachstumsphase N P K (mg L-1) Verpflanzung zur Blüte 50-60 50-60 75-80 Anthese zum Fruchtwachstum 80-100 80-100 100-120 Reifung und Ernte der Früchte 100-120 100-120 140-160 Fruchternte 130-150 130-150 180-200 Aufgrund der einzigartigen Wachstumsmuster der Paprika ist der Schnitt für eine erfolgreiche Ernte unerlässlich. Der Schnitt wird die Produktionskosten senken, den Ertrag erhöhen und die Krankheitsanfälligkeit verringern. Das Schneiden von Paprika unterscheidet sich vom Tomatenschnitt, da Paprika keine Seitentriebe wie Tomaten produziert. Nach dem Kneifen (Entfernen der Pflanzenspitze) beginnen die beiden oberen Knoten zu wachsen. Das Hauptziel des Paprikaschneidens ist die Entwicklung eines starken vegetativen Rahmens zur Unterstützung des Fruchtwachstums und des Gewichts während der Produktion. Hier sind die Schritte für den Paprikaschnitt (Singh & Dunn 2017): • Entfernen Sie den Wachstumspunkt oder die Stielspitze nach den ersten 40 Zentimetern 152 • Behandeln Sie jeden der beiden Stämme als ein Individuum und entfernen Sie abwechselnd den inneren und äusseren Seitentrieb von jedem Hauptstamm • Entfernen Sie den Seitentrieb, wenn er 50 mm lang ist. • Entfernen Sie an jedem einzelnen Stängel abwechselnde Blütenbüschel. Schwere Fruchtbelastung einer Pflanze kann zu einer geringeren Fruchtqualität führen und physiologische Störungen wie Blüten- und Endfäule verursachen. • Vollständige Entfernung der gelben Blätter aus dem Gewächshaus Die Wachstumszeit beträgt 60-95 Tage. Wie Tomaten müssen auch Paprika entweder manuell oder durch Einbringen eines Hummelstocks in das Gewächshaus bestäubt werden. Bei rotem Paprika sollten die grünen Früchte an der Pflanze belassen werden, bis sie reif sind und sich rot verfärben. Die Ernte sollte beginnen, wenn die Paprika eine marktfähige Grösse erreicht hat, und während der gesamten Saison fortgesetzt werden, um das Blühen, das Setzen der Früchte und das Wachstum zu fördern. Paprikaschoten können problemlos 10 Tage lang frisch unter 10 ⁰C bei 90-95 % Luftfeuchtigkeit (Somerville et al. 2014c) gelagert werden. 7.2.3.3 Gurken Die Gurke (Cucumis sativus) gibt es in drei geschlechtlichen Rassen: eine halb-und-halbe Mischung aus männlichen und weiblichen Blüten (monözisch); eine dreissig-fünfzigfache Mischung aus weiblichen und männlichen Blüten (gynäkisch); und vollständig weibliche Blütenpflanzen (parthenokarpe). Die Pflanzung ausschliesslich weiblicher blühender Pflanzen gewährleistet eine blühende Frucht mit jeder Pflanze und damit eine Kultur, die ohne Bestäubung Früchte tragen kann. Die von Bienen und anderen Bestäubern übertragenen Pollen können jedoch parthenokarpe Pflanzen verderben, weshalb es notwendig sein wird, potenzielle Bestäuber aus dem Gewächshaus fernzuhalten (Valdez 2017a). Gurken können in Medienbeetanlagen angebaut werden, da sie eine grosse Wurzeloberfläche haben, sowie auf DWC-Schwimmflossanlagen, obwohl in den Anzuchtrohren die Gefahr einer Verstopfung durch übermässiges Wurzelwachstum besteht (Somerville et al. 2014c). Ideale Wachstumsbedingungen für Gurken: • • Temperatur: 24-27 ⁰C pH-Wert: 5.5-6.5 Gurken benötigen grosse Mengen an Stickstoff und Kalium, weshalb bei der Entscheidung über die Anzahl der zu züchtenden Pflanzen die im Wasser verfügbaren Nährstoffe und die Biomasse des Fischbesatzes berücksichtigt werden sollten. Sie wachsen am besten an langen, heissen und feuchten Tagen, mit viel Sonnenschein und warmen Nächten. Die optimalen Wachstumstemperaturen liegen bei 24-27 ⁰C während des Tages, mit 70-90 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit und einer Nachttemperatur von 18-20 ⁰C. Sie sind sehr frostempfindlich. Volles Sonnenlicht und eine Temperatur 153 des Substrats von etwa 21 ⁰C sind ebenfalls optimal für die Produktion. Eine höhere Kaliumkonzentration begünstigt höhere Fruchtfolgen und Erträge (Somerville et al. 2014c). Die Samen keimen nach 3 bis 7 Tagen bei einer Temperatur von 20-30 ⁰C. Die Sämlinge können nach 2-3 Wochen verpflanzt werden, wenn sie 4-5 Blätter entwickelt haben. Einmal transplantiert, können Gurken nach 2-3 Wochen mit der Fruchtbildung beginnen. Unter optimalen Bedingungen können die Pflanzen 10-15 Mal geerntet werden. Eine Ernte alle paar Tage verhindert, dass die Früchte zu gross werden, und begünstigt das Wachstum der folgenden Früchte. Gurkenpflanzen wachsen sehr schnell, und es ist eine gute Praxis, ihre vegetative Kraft zu begrenzen und Nährstoffe zu den Früchten umzuleiten, indem man ihre apikalen Spitzen abschneidet, wenn der Stiel zwei Meter lang ist; das Entfernen der Seitenzweige begünstigt ebenfalls die Belüftung. Eine weitere Pflanzenverlängerung kann erreicht werden, indem nur die beiden am weitesten vom Hauptstamm entfernten Knospen belassen werden. Die Pflanzen werden durch regelmässige Ernte von Früchten marktfähiger Grösse zur weiteren Produktion angeregt. Gurkenpflanzen brauchen Unterstützung für ihr Wachstum, die ihnen auch eine ausreichende Belüftung bietet, um Blattkrankheiten wie Mehltau und Grauschimmel zu verhindern. Aufgrund des hohen Schädlingsaufkommens bei Gurkenpflanzen ist es wichtig, geeignete integrierten Schädlingsbekämpfungs (ISB)-Strategien umzusetzen (siehe Kapitel 8) und die Pflanzeneinheiten, die von den eingesetzten Behandlungen weniger betroffen sind, zwischenzupflanzen (Somerville et al. 2014c). 7.2.3.4 Aubergine Aubergine (Solanum melongena) ist eine gierige Pflanze, die bei hohen Temperaturen gedeiht und viel Platz zwischen den einzelnen Pflanzen benötigt. Es kann schwierig sein, die Temperaturen zu regulieren, um die Auberginen glücklich zu halten, während gleichzeitig andere Kulturen in derselben Umgebung angebaut werden. Daher werden sie am besten als Monokultur angebaut, um das Jonglieren mit der Klimakontrolle zu vermeiden (Valdez 2017a). Ideale Wachstumsbedingungen für Aubergine: • • Temperatur: 22-26 ⁰C pH-Wert: 5.5-7.0 Die Aubergine hat einen hohen Stickstoff- und Kaliumbedarf, so dass eine sorgfältige Wahl der Bewirtschaftung hinsichtlich der Anzahl der zu züchtenden Pflanzen erforderlich ist, um ein Nährstoffungleichgewicht zu vermeiden. Sie geniesst warme Temperaturen bei voller Sonneneinstrahlung und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60-70 Prozent. Die idealen Nachttemperaturen liegen bei 15-18 ⁰C. Auberginenpflanzen sind sehr anfällig für Frost (Somerville et al. 2014c). Die Samen keimen in 8-10 Tagen bei 26-30 ⁰C und die Sämlinge können im Frühjahr, wenn die Temperaturen steigen, mit 4-5 Blättern umgepflanzt werden. Gegen Ende des Sommers sollten neue 154 Blüten abgezwickt werden, um die Reifung der vorhandenen Früchte zu fördern. Am Ende der Saison können die Pflanzen drastisch auf 20-30 cm beschnitten werden, indem man nur drei Zweige stehen lässt. Diese Methode unterbricht die Ernte, ohne die Pflanzen während des Winters zu entfernen, und lässt die Pflanze danach die Produktion wieder aufnehmen. Die Pflanzen können ohne Beschneiden angebaut werden, und die Zweige können mit Pfählen oder vertikalen Schnüren gestützt werden. Die Wachstumszeit beträgt 90-120 Tage. Wie Tomaten und Paprika müssen auch Auberginen entweder manuell oder durch Einbringen eines Hummelstocks in das Gewächshaus bestäubt werden. Die Ernte sollte beginnen, wenn die Früchte 10-15 cm lang sind, wobei die Früchte mit einem scharfen Messer von der Pflanze abgeschnitten werden müssen, wobei mindestens 3 cm Stiel an der Frucht haften bleiben soll. Die Schale sollte glänzend sein; eine stumpfe und gelbe Schale ist ein Zeichen dafür, dass die Frucht überreif ist. Eine verzögerte Ernte macht die Früchte aufgrund des Vorhandenseins von Samen im Inneren unverkäuflich. Eine Pflanze kann 10-15 Früchte für einen Gesamtertrag von 3-7 Kilo produzieren (Somerville et al. 2014c). 7.2.3.5 Erdbeeren Die Gartenerdbeere (oder einfach nur Erdbeere; Fragaria × ananassa) ist eine weit verbreitete Hybridart der Gattung Fragaria, die gemeinsam als Erdbeere bezeichnet wird. Erdbeeren unterscheiden sich von anderen Kulturen. Sie leben lange, aber sie sind auch anfällig für viele Krankheiten. Kronen- oder Herzfäule ist eine Pilzkrankheit, die besonders häufig bei Erdbeeren auftritt. Die Krone der Pflanze ist die Region, in der die Wurzeln zum Stängel werden, daher ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Krone nicht in die Nasszone gelangt. Auch Milben können ein Problem sein. Die verschiedenen Sorten haben unterschiedliche Umweltpräferenzen und unterschiedliche Tragfähigkeiten: Eine Sorte kann einen Monat brauchen, um nach der Pflanzung Früchte zu tragen, während eine andere mehrere Monate braucht. Einige Sorten tragen auch nur für einen Teil des Jahres Früchte, sogar in Innenräumen. Ewig tragende oder tagesneutrale Sorten eignen sich am besten für Indoor-Züchter (Storey 2016l). Ideale Wachstumsbedingungen für Erdbeeren: • Temperatur: 18-20 ⁰C • pH-Wert: 5.5 bis 6.0 Tabelle 3: Empfohlene Nährlösungszusammensetzungen, die auf die Wachstumsphase von Erdbeeren in erdloser Kultur abgestimmt sind (aus Raviv & Lieth 2007) Wachstumsphase N P K Ca Mg (mg L-1) Verpflanzung 55-60 20-25 45-60 60-70 35-40 Anthese und erste Fruchtwelle 70-85 20-25 70-90 100 45 Zweite Fruchtwelle 80-85 25-30 80-90 100 45 Dritte Fruchtwelle 80-85 25-30 80-90 100 45 Vierte Fruchtwelle 55-60 20-25 55-60 80 35 155 Es ist einfacher die Erdbeeren aus Ausläufern statt aus dem Samen zu züchten. Das vegetative Wachstum (Ausläufer) neigt dazu, viel schneller zu sein als die sexuelle Vermehrung (Samen), so dass Sie die Zeit von der Auspflanzung bis zur Produktion um Monate oder Jahre verkürzen können, indem Sie einen Ausläufer verwenden. In einem gesunden System werden Erdbeerunterlagen in weniger als einer Woche neu wachsen, wobei die ersten Blüten nach etwa zwei Wochen erscheinen, aber es ist wichtig, die Knospen 4-6 Wochen lang zurückzuhalten, damit die Ressourcen der Pflanze auf das vegetative Wachstum ausgerichtet bleiben, was der Pflanze später die Fähigkeit zu höheren Erträgen verleiht. Wenn man die Blüten entwickeln lässt, bilden sich die Früchte in etwa 2 Wochen aus und reifen, wobei dies je nach Sorte und Anbauumgebung unterschiedlich ist. Im Freien können sich die Produzenten auf natürliche Bestäuber wie Bienen, Fliegen und Vögel verlassen, die den Pollen von den männlichen Teilen auf die weiblichen Teile der Erdbeerpflanzen verteilen. In Innenräumen müssen die Erzeuger entweder einen Bienenstock beherbergen oder von Hand bestäuben. Die Handbestäubung kann mit einem Pinsel durchgeführt werden. Indem das Zentrum der Blüten nacheinander leicht gestört wird, verbreitet es den Pollen von Blüte zu Blüte. Die Handbestäubung kann pro Pflanze 10-30 Sekunden dauern, was in grossem Massstab zeitaufwändig sein kann, so dass es möglicherweise wirtschaftlicher ist, stattdessen Bienen einzusetzen (Storey 2016l). Das Beschneiden von Erdbeeren besteht aus dem Schneiden von Blättern, Blüten und Kronen und dem Entfernen der Ausläufer. Beim Blattschnitt werden alte Blätter entfernt, die anfangen zu vergilben. Diese Blätter verhindern auch die Luftzirkulation und das Eindringen von Licht in das Kronendach und erhöhen damit die Wahrscheinlichkeit der Krankheitsentstehung. Das Wachstum der Läufer während der Produktionsperiode ist unnötig und eine Verschwendung von Kohlenhydraten, die für die Blumenproduktion verwendet werden können. Deshalb ist der Schnitt der Ausläufer auch wichtig für die Produktion von Obst guter Qualität. Der Blütenschnitt bei Erdbeeren wird durchgeführt, um das vegetative Wachstum oder die Produktion von grossen Früchten zu fördern. Wenn Pflanzen von Ausläufern gestartet werden, müssen sie eine grosse Krone bilden. Für die Kronenentwicklung werden die während des frühen Wachstums entwickelten Blüten entfernt, so dass die durch Photosynthese erzeugten Zucker dem vegetativen Wachstum zugeordnet werden. Die Grösse der Früchte steht im umgekehrten Verhältnis zur Anzahl der Blüten. Wenn eine grosse Anzahl von kleinen Blumen produziert wird, ist eine kleine Obstproduktion wahrscheinlich, so dass der Blumenschnitt für eine gute Obstproduktion notwendig ist. Der Kronenschnitt ist auch wichtig für die Induktion der Blütenknospen bei Erdbeeren, wenn die Pflanzen übermässig vegetativ sind. Während der Winterproduktion ist ein Kronenschnitt notwendig, um die richtige Kronendichte im Gewächshaus-Erdbeeranbau zu erhalten (Singh & Dunn 2017). 156 Abbildung 5: Anbau von Erdbeeren in NFTKanälen https://www.maxpixel.net/Produce-StrawberriesHydroponic-Farming-Growing-621914 7.2.4 Auswahl der Pflanzen für verschiedene Systeme Die Art des Beetes beeinflusst die Auswahl der Pflanzen. In substratgefüllten Beeten ist es, sofern sie die richtige Tiefe (mindestens 30 cm) haben, üblich, gleichzeitig eine Polykultur von Blattgemüse, Kräutern und Fruchtgemüse anzubauen. Die Polykultur auf kleinen Flächen kann auch die Vorteile von Begleitpflanzungen zur Schädlings- und Krankheitsbekämpfung sowie ein besseres Raummanagement nutzen, da schattentolerante Arten unter höheren Pflanzen wachsen können. Monokultur-Praktiken sind in kommerziellen NFT- und DWC-Einheiten häufiger anzutreffen, da der Züchter durch die Anzahl der Löcher in den Rohren und Flössen, in denen Gemüse gepflanzt wird, eingeschränkt ist. Mit Hilfe von NFT-Einheiten ist es möglich, die grösseren Fruchtgemüse wie Tomaten anzubauen, aber diese Pflanzen müssen Zugang zu reichlich Wasser haben, um eine ausreichende Nährstoffversorgung zu gewährleisten und Wasserstress zu vermeiden. Die Verwelkung von Fruchtpflanzen kann fast sofort auftreten, wenn der Fluss gestört wird, mit verheerenden Auswirkungen für die gesamte Kultur. Fruchtende Pflanzen müssen in grössere Pflanz-Röhren gepflanzt werden, idealerweise mit flachem Boden, und über eine grössere Distanz als Blattgemüse positioniert werden. Das liegt daran, dass die Fruchtpflanzen grösser werden und mehr Licht benötigen, um ihre Früchte reifen zu lassen, und auch daran, dass der Wurzelraum in den Rohren begrenzt ist. Andererseits werden grosse Zwiebelund/oder Wurzelkulturen wie Kohlrabi, Karotten und Rüben eher in Medienbeeten angebaut, da DWCund NFT-Einheiten kein gutes Wachstumsumfeld und keine ausreichende Unterstützung für die Pflanzen bieten (Somerville et al. 2014a). 157 Bei der Auswahl von Pflanzen für die Tiefwasserzucht (DWC) oder für Flösssysteme sollen einige Faktoren berücksichtigt werden (Valdez 2017b): • Gewicht - Flösse sind normalerweise ziemlich haltbar und erschwinglich, aber sie können nur ein bestimmtes Gewicht tragen. Die besten Pflanzen für den Tiefwasseranbau sind klein und leicht. Salat zum Beispiel ist eine beliebte DWC-Kultur und die perfekte Grösse, um auf Flösse zu passen. Grössere Pflanzen wie Tomaten wachsen kopflastig. Ohne die Wurzelverankerung durch ein dichtes Medium können kopflastige Pflanzen umkippen oder an den Stämmen brechen. • Volumen - DWC-Systeme funktionieren auf einer einzigen horizontalen Ebene, da sie typischerweise zu schwer zum Stapeln sind. Dies bedeutet, dass das Verhältnis von Volumen zu Wachstumsfläche 1:1 beträgt, so dass es notwendig ist, die horizontale Ebene effizient auszufüllen, indem Pflanzen gewählt werden, die in höheren Pflanzdichten angebaut werden können (d.h. Blattgemüse). • Wasserfreundlich - Dürreliebende Pflanzen und Kräuter wie Oregano und Rosmarin, die "trockene Füsse" bevorzugen, kommen in DWC-Systemen nicht gut zurecht. Dafür werden durstige Pflanzen wie Salat in Tiefwasserkultursystemen gut gedeihen. Bato-Eimer (oder "holländische" Eimer) sind eine Variante der Medienbeettechnik, bei der eine Reihe kleiner Medienbetten in Eimern verwendet werden. Ein Bato-Eimer-System wird normalerweise mit auf einer Bank oder auf dem Boden gestaffelten Eimern aufgestellt, wobei das Wasserzufuhr von oben zu den Eimern und die Abflussleitung (oder Rücklaufleitung) das Wasser von unten wegleitet. Die drei am häufigsten in Bato-Eimer-Systemen verwendeten Medien sind Perlit, Blähton und KokosnussKokos. Diese können allein oder zusammen in verschiedenen Verhältnissen verwendet werden (Valdez 2017a). Die beliebtesten Kulturen für Bato-Eimer sind grosse und/oder kletternde Pflanzen wie Tomaten, Gurken, Paprika und Auberginen. Viele dieser Pflanzen können mit einem Spalier versehen und nach oben gezogen werden, wodurch Reihen von hoch aufragenden Pflanzen entstehen, die leicht zugänglich und zu überwachen sind. Die Auswahl der Kulturen für ein Bato-System erfordert folgende Überlegungen (Valdez 2017a): 1) Krankheitsresistenz - Bato-Eimer sind platzsparend, aber die Kulturen sind eng gruppiert, wodurch sie anfällig für Krankheiten sind. Widerstandsfähigere Pflanzen bedeuten weniger Risiko und Enttäuschung. 2) Fussabdruck und Pflanzenstil - Die für den Anbau in Bato-Eimern ausgewählten Pflanzen haben Einfluss auf Raum, Pflege und Erntestrategien. Da die Bato-Eimer auf horizontalen Ebenen, auf Bänken oder auf dem Boden aufgestellt werden, ist es wichtig, dass die Züchter das Raumvolumen über den Eimern so weit wie möglich ausnutzen, wie zB durch Spalierbau. 158 Abbildung 6: Batoeimer (rechts), die auf der urbanen Farm der University of District of Columbia in Beltsville (https://www.flickr.com/photos/usdagov/32245870463) für den Erdbeeranbau verwendet werden. Die besten Pflanzen für Bato-Eimer sind: • • • • Tomaten - erlauben 60-90 Zentimeter zwischen den Eimern. Zwei Planzen pro Bato-Eimer werden die maximale Produktion für das investierte Material liefern. Die Pflanzen kann in einem Gewächshaus bis zu sechs oder sogar zwölf Meter hoch werden. Paprikaschoten - 30-50 Zentimeter zwischen den Eimern erlauben Gurken - erlauben 60-80 Zentimeter zwischen den Eimern Aubergine - erlauben 20-40 Zentimeter zwischen den Eimern 7.3 Ernteplanung Die gleichzeitige Anpflanzung aller Kulturen eines Betriebs führt zu Produktionswellen statt zu einer kontinuierlichen Produktion. Eine kontinuierliche Produktion ist das, was die Produzenten brauchen, um die wöchentliche oder sogar zweiwöchentliche Nachfrage zu befriedigen, indem sie immer reife Pflanzen im Betrieb haben. Ein Pflanz- und Ernteplan, der die Lebenszyklen der einzelnen Kulturen berücksichtigt, ist ein nützliches Instrument, um dies zu erreichen (Storey 2016c): • Blattgemüse wie Mangold, Salat und Kohl haben einen 4-6-wöchigen Zyklus von der Verpflanzung bis zur Ernte. • Schnelle Kräuter wie Schnittlauch und Minze haben einen 3-4-wöchigen Zyklus zwischen den Ernten • Koriander, Petersilie und Basilikum haben einen 5-Wochen-Zyklus, wenn die Bedingungen geeignet sind. 159 • Fruchttragende Kulturen wie Erdbeeren und Tomaten produzieren kontinuierlich. Sie können daher alle gleichzeitig gepflanzt werden. Es ist auch wichtig, die Auswirkungen der Ernte der Pflanzen auf das gesamte Ökosystem der Aquaponik zu berücksichtigen. Wenn alle Pflanzen auf einmal geerntet würden, wäre das Ergebnis ein unausgeglichenes System ohne genügend Pflanzen, um das Wasser zu reinigen, was zu Nährstoffspitzen führen würde. Einige Aquaponik-Betreiber wenden diese Technik an, aber sie muss mit einer grossen Fischernte oder einer Reduzierung der Futterration einhergehen. Es wird jedoch empfohlen, einen gestaffelten Ernte- und Wiederbepflanzungszyklus anzuwenden. Das Vorhandensein von zu vielen Pflanzen, die synchron wachsen, würde dazu führen, dass die Systeme gegen Ende der Erntezeit, wenn die Aufnahme maximal ist, einen Mangel an einigen Nährstoffen haben. Durch Pflanzen in verschiedenen Wachstumsstadien - einige Sämlinge und einige reife Pflanzen - wird der Gesamtnährstoffbedarf immer gleich sein. Dies wird eine stabilere Wasserchemie gewährleisten und auch eine regelmässigere Produktion ermöglichen (Somerville et al. 2014a). Während die Gewächshaus-Produzenten die Vorteile der ganzjährigen Ernte geniessen, können sie dennoch wertvolle Zeit verlieren, wenn ihr System zwischen den Erntezyklen leer ist (Ausfallzeit). Um Ausfallzeiten zu minimieren, müssen die Sämlinge bereit sein, in das Aquaponik-System zu verpflanzen, wenn die Vorfrucht erntereif ist. Dies kann durch die Berechnung der Anzahl der Tage im Voraus erfolgen, an denen Sie neue Samen keimen sollten, so dass sie am Tag der Pflanzbereitschaft in das System eingesetzt werden en können. Verwenden Sie einen Kalender oder ein Gantt-Diagramm und folgen Sie diesen Schritten (Godfrey 2018): Erntetag markieren: Addieren Sie die Keimzeit und die Wachstumszeit Ihrer Kultur. Dadurch erhalten Sie die Anzahl der Tage vor der Ernte, an denen Sie mit der Aussaat für den nächsten Erntezyklus beginnen sollten. Zählen Sie auf dem Kalender zurück und markieren Sie den Tag, an dem Ihre Samen keimen und an dem Sie sie zur Vermehrung bringen sollten. Der Tag, an dem Sie in das System verpflanzen, sollte auf den Tag unmittelbar nach der Ernte des vorangegangenen Zyklus fallen. Je nach der Grösse Ihres Systems können Sie möglicherweise am selben Tag ernten und transplantieren. Wenn Sie einen grossen Betrieb haben, kann die Ernte einige Tage dauern. Die Umweltbedingungen und die Sorte beeinflussen den Zeitpunkt der Ernte. Abbildung 7 zeigt einen hypothetischen Anbauplan für eine Salatsorte, bei der die gesamte Pflanze geerntet wird (im Gegensatz zu einer "schneiden-und-nachwachsenden"-Sorte). Auf die fünftägige Keimzeit folgt eine 16-tägige Vermehrungszeit, in der die Sämlinge zur Verpflanzung in die aquaponische Einheit bereit sind. Nach weiteren neun Tagen des Wachstums sind die Salate erntereif. Der zweite Erntezyklus wird so getaktet, dass die Sämlinge noch am selben Tag, an dem der erste Zyklus geerntet wird, für die Verpflanzung in die Aquaponic-Einheit bereit sind, wodurch die Ausfallzeiten minimiert werden. 160 Abbildung 7: Ein hypothetischer Ernteplan für Salat Bei überlappenden Erntezyklen, wie im obigen Beispiel, wird jede Woche eine kleine Ernte eingebracht, statt alle fünf Wochen eine grosse. Dies ist eine offensichtliche Strategie für einen Landwirt mit einem Vertrag, in dem er sich verpflichtet, jede Woche eine bestimmte Menge an Produkten zu liefern. Die Schritte zur Erstellung eines effektiven Terminplans sind wie folgt (Godfrey 2018): 1. Stellen Sie einen Arbeitsplan für die Ernte auf - Wenn Sie selbst ernten werden, stellen Sie sicher, dass Sie genügend Zeit haben, um alles zu ernten, was Sie brauchen, damit es rechtzeitig für den Verkauf bereit ist. 2. Kennen Sie Ihre Sorten - Jede Pflanze hat einen unterschiedlichen Zykluszeitpunkt, also informieren Sie sich über die einzigartigen Anforderungen der Pflanze. Dies wird alle Ihre Entscheidungen von der Keimung über die Ernte bis hin zur Lieferung beeinflussen. Überlegen Sie ausserdem, welche Art von Ernte die Pflanze benötigt. Zum Beispiel wird Salat wahrscheinlich vollständig geerntet werden, was bedeutet, dass Sie früher umpflanzen müssten, als wenn Sie etwas wie Basilikum anbauen würden, bei dem Sie den gleichen Erntezyklus mehrmals ernten könnten. 3. Wählen Sie Ihre Erntetechnik - Wie Sie ernten, hängt von der Art Ihrer Kultur ab; einige Kulturen ermöglichen es Ihnen, die Ernte nach dem Schnitt und dem Neuwachstum zu verwenden, während andere sich eher für eine volle Ernte eignen. Eine Ernte nach dem Prinzip "schneidenund-nachwachsen" wird wahrscheinlich länger dauern als eine vollständige Erntetechnik, da Sie die gleiche Pflanze mehrmals schneiden werden, anstatt die ganze Pflanze in einem Zug zu ernten. 4. Berücksichtigen Sie die Grösse Ihres Betriebs - Je grösser das System, desto länger dauert die Ernte. Das ist eine allgemeine Regel, auch wenn Sie Mitarbeiter haben, die für Sie arbeiten. Arbeit ist einer der grössten Kostenfaktoren für den Betrieb von Indoor-Betrieben, und weil die Dinge einfach lange dauern. Stellen Sie sicher, dass Sie bei der Planung Ihres Zeitplans berücksichtigen, wie gross Ihr System ist; machen Sie sich Notizen, wie lange es im Durchschnitt dauert, Ihre Ernten zu machen, und berücksichtigen Sie dies bei Ihren Berechnungen des Erntezeitpunkts. Dies wird auch Ihre Entscheidung darüber beeinflussen, wie gross die Abschnitte Ihres Betriebs sind, die Sie für jeden überlappenden Anbauzyklus bestimmen werden. 161 5. Denken Sie an Ihre Kunden - Wenn Ihr Markt es nicht will, lassen Sie es nicht wachsen. Wenn Ihr Markt das Produkt will und Sie es gut wachsen lassen können, dann planen Sie viel Zeit und Ressourcen ein, um der Kultur das zu geben, was diese will, wenn sie es will. 7.4 Referenzen Godfrey, M. 2018. How to Minimize Downtime Between Hydroponic Crop Cycles. Upstart University. Raviv, M. & Lieth, J.H. 2007. Soilless Culture: Theory and Practice. Elsevier. Resh, H.M. 2013. Hydroponic Food Production: A Definitive Guidebook for the Advanced Home Gardener and the Commercial Hydroponic Grower (7th edition). Newconcept Press, Mahwah, SA. Singh, H. & Dunn, B. 2017. Pruning Hydroponic Crops. Oklahoma Cooperative Extension Service. Somerville, C. et al. 2014a. Plants in aquaponics. In Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli, A. Small-Scale Aquaponic Food Production – Integrated Fish and Plant Farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, pp. 83-102. Somerville, C. et al. 2014b Management and troubleshooting. In Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli, A. Small-Scale Aquaponic Food Production – Integrated Fish and Plant Farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, pp. 123-139. Somerville et al. 2014c. Appendix 1 – Vegetable production guidelines for 12 common aquaponics plants. In Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli, A. Small-Scale Aquaponic Food Production – Integrated Fish and Plant Farming. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, pp. 169-181. Storey, A. 2016a. Best Conditions and Methods for Growing Parsley in Hydroponics. Upstart University. Storey, A. 2016b. Everything You Need to Know About Growing Chard Without Soil. Upstart University. 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INTEGRIERTE SCHÄDLINGSBEKÄMPFUNG 8.1 Das Konzept der integrierten Schädlingsbekämpfung (IPM) Viele nationale Regierungen und internationale Gremien haben entschieden, dass das offiziell anerkannte Paradigma für den Pflanzenschutz der "integrierte Pflanzenschutz" (Integrated Pest Management, IPM) ist. Zum Beispiel verpflichtet eine Richtlinie der Europäischen Union (EU) (Das Europäische Parlament und der Europarat 2009) seit 2014 alle professionellen Pflanzenzüchter zur Anwendung der allgemeinen Grundsätze der integrierten Schädlingsbekämpfung (IPM). Die IPM ist eine ökosystembasierte Strategie, die sich auf die langfristige Prävention von Schädlingen oder deren Schädigung durch eine Kombination von Techniken wie biologische Kontrolle, LebensraumManipulation, Änderung der gärtnerischen Praktiken und den Einsatz resistenter Sorten konzentriert (Tang et al. 2005). Obwohl man davon ausgeht, dass Aquaponik im Vergleich zur konventionellen hydroponischen Produktion widerstandsfähiger gegen Krankheitserreger ist (Gravel et al. 2015), ist es dennoch unmöglich, Schädlinge und Krankheiten zu vermeiden. Gesunde Nutzpflanzen sind in erster Linie die Folge guter Wachstumsbedingungen und der Wahl einer geeigneten Pflanzensorte, die es den Pflanzen ermöglicht, ihr hohes Produktionspotenzial zu erreichen, und nicht das Ergebnis des chemischen und biologischen Pflanzenschutzes ist. Eine höhere mikrobielle Diversität verbessert die Widerstandsfähigkeit der Pflanzen in der Rhizosphäre gegen Wurzelkrankheiten sowie die Nährstoffaufnahme durch die Pflanze. Daher sind eine optimale Pflanzenernährung, angemessene Umweltbedingungen im Anbausystem und durchdachte Anbautechniken von entscheidender Bedeutung. Der Umgang mit Schädlingen und Krankheitserregern sollte den Einsatz von biologischen und chemischen Produkten minimieren. Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation (Food and Agriculture Organisation, FAO) wird die integrierte Schädlingsbekämpfung (IPM) definiert als "ein Schädlingsbekämpfungssystem, das im Zusammenhang mit der damit verbundenen Umwelt und der Populationsdynamik der Schädlingsarten alle geeigneten Techniken und Methoden in möglichst kompatibler Weise anwendet und die Schädlingspopulationen auf einem Niveau unterhalb derer hält, die wirtschaftliche Schäden verursachen" (FAO 2018). Integrierter Pflanzenschutz und Schädlingsbekämpfung (IPM) umfasst präventive Massnahmen, die Anwendung von Barriere-basierten Ansätzen (z.B. Agrotextilien), biotechnologische Methoden (z.B. Pflanzenzüchtung), biologische Schädlingsbekämpfung mit natürlichen Feinden und die kontrollierte Anwendung von chemischen Produkten, die im ökologischen Landbau erlaubt sind. Die IPM ist daher eine kosteneffiziente, umweltverträgliche und sozialverträgliche Methode zur Bekämpfung von Schädlingen und Krankheiten. Sowohl in der konventionellen Hydrokultur als auch in der Aquaponik müssen sich die Produktionsverantwortlichen mit verschiedenen Arten von biologischen Bedrohungen auseinandersetzen. Schädlinge sind nicht nur wegen den direkten Schäden, die sie an der Pflanze verursachen, problematisch, sondern auch, weil sie oft als Überträger (Vektoren) für bakterielle oder virale Krankheiten fungieren. Sowohl Insekten als auch Krankheiten profitieren von den kontrollierten Klimabedingungen in Gewächshäusern: Sie sind vor Regen, Wind und starken Temperaturschwankungen geschützt. Diese Umweltbedingungen erlauben jedoch auch einen effektiven Einsatz von Nützlingen gegen Insekten. Verschiedene Managementstrategien sollten dazu beitragen, den Pestizideinsatz zu minimieren und die Pflanzengesundheit zu verbessern. Während die 164 biologische Schädlingsbekämpfung Teil des integrierten Pflanzenschutzes (IPM) ist, gibt es einige Unterschiede zwischen dem allgemeinen Konzept der IPM und der biologischen Schädlingsbekämpfung (biological pest control, BPC) (Tabelle 1). Tabelle 1: Integrierte Schädlingsbekämpfung (ISB) im Vergleich zum ökologischen Landbau (Quelle: FiBL – Betriebsmittelliste 2019 für den biologischen Landbau in der Schweiz) Integrierte Schädlingsbekämpfung (IPM) Präventive Methoden Richtlinien für die ökologische Landwirtschaft Pflanzenhygiene (Unkrautbeseitigung, Raumdesinfektion usw.) physische Barrieren gegen Schädlinge (Netze usw.) Verwendung starker und widerstandsfähiger Sorten Hygienemassnahmen am Eingang zum Produktionsräumen Beschränkung der Besucherzahlen Einsatz von Nutzinsekten gegen Schädlinge (Biologische Schädlingsbekämpfung (BSB)) Marienkäfer-Larve gegen Blattläuse Chemische Kontrolle Im Notfall könnten synthetischer Pestizide, die nicht fischgiftig* sind, unter kontrollierten Bedingungen eingesetzt werden, wie z.B. Fliegenparasit (Encarsia formosa) gegen die Weisse Fliegen Gallmücken (Aphidoletes aphidimyza) gegen Blattläuse Enthomopathogene Nematoden Enthomopathogene Bakterien und Pilze Pymetrozin gegen Blattläuse, Weisse Fliegen Verwendung natürlicher Pestizide gegen Echten Mehltau, wie zum Beispiel Öle* (Fenchelöl) Kaliumbicarbonat (Oidium, Leveillula, Sphaerotheca) Clofentezin gegen Milben Schwefel* (Oidium, Leveillula, Sphaerotheca) Fosetyl-Aluminium gegen den Falschen Mehltau Lecithin* (Erysiphe) Die Verwendung von natürlichen Pestiziden, die unter BPC aufgelistet sind, ist ebenfalls möglich. * TER (Toxizitäts-ExpositionsVerhältnis) = akute LC50 (mg Wirkstoff/Liter)/PEC (Predicted Environmental Concentration) > 100 für Fische und > 10 für wirbellose Wassertiere. 165 Prüfen Sie die Sicherheit der Fische, bevor Sie irgendwelche Phytopharmaka, biologische Bekämpfungsmittel oder Insektizide und Fungizide auf pflanzlicher Basis verwenden. Im Gegensatz zur konventionellen Hydrokultur sind Aquaponik-Systeme unabhängige Ökosysteme mit unterschiedlichen Zonen (oder Kompartimenten). Neben den Zielkulturen (Fische und Pflanzen) beherbergt das System auch eine breite Palette von unterschiedlichen Mikroorganismengemeinschaften (Schmautz et al. 2017) sowie kleine Insekten und Spinnen, die entweder eine positive, neutrale oder schädliche Wirkung auf die Kulturpflanzen haben. Aquaponische Systeme zeichnen sich zudem in der Regel durch eine hohe Dichte an Fischen und Pflanzen an einem Ort aus, was die schnelle Ausbreitung von Krankheiten oder Schädlingen im gesamten System begünstigt. Im Gegensatz zu konventionellen Anbausystemen, bei denen der Einsatz von chemischen Pestiziden zur täglichen Routine gehört, sind solche Methoden für die Aquaponik nicht geeignet (Bittsánszky et al. 2015). Die Folgen schwerer Krankheitsinfektionen oder eines Schädlingsbefalls werden noch verschlimmert, da Verluste oder die Entfernung von Pflanzen oder Fischen das Gleichgewicht zwischen den Fischen, Pflanzen und der Wasserchemie stören. Der Einsatz von chemischen Produkten sollte sehr sorgfältig vorgenommen werden. Der Eintrag von organischen oder anorganischen Chemikalien könnte sowohl für Wassertiere als auch für das mikrobiologische Gleichgewicht im System tödlich sein. Deshalb ist es besser, auf chemische Produkte zu verzichten, als fatale Folgen für das gesamte Aquakultur-System zu riskieren. Die Reaktionsoptionen der IPM auf Krankheiten und/oder Schädlinge in der Aquaponik werden daher eingeschränkt durch: (i) die Kombination von Fischen, Pflanzen und Bakterien, da Fische empfindlich auf Pflanzenbehandlungen und umgekehrt reagieren können und Bakterien sowohl auf Fisch- als auch auf Pflanzenbehandlungen empfindlich sein können; und (ii) der Wunsch, den chemikalienfreien oder organischen Zustand zu erhalten. Abbildung 1: Das fünfstufige IPM-Programm in Aquaponik 166 8.2 Präventionsmethoden im integrierten Pflanzenschutz Eine gute Pflanzengesundheit ist nicht nur die Abwesenheit von Krankheiten und Schädlingen. Für ein gesundes Wachstum sind gute Anbautechniken mit angemessener Ernährung, Wasserqualität, klimatischen Bedingungen und Produktionshygiene erforderlich. Um ein nachhaltiges Pflanzenschutzmanagement zu erreichen, ist es wichtig zu verstehen, wie das Risiko von Pflanzenkrankheiten und -schädlingen minimiert werden kann. Die Prävention ist der wichtigste Teil der integrierten Schädlingsbekämpfung (Tabelle 2). Tabelle 2: Massnahmen zur Prävention von Pflanzenkrankheiten in Aquaponik Kontrollmassnahme Beispiele für Aktionen Hygiene der Anbaubedingungen Einhaltung der Hygienevorschriften, spezifische Kleidung, separater Raum für die Pflanzenkeimung, Vermeidung von Algenbildung Physikalische Wasseraufbereitung UV-Behandlungen Wärmebehandlung Physikalische Barrieren gegen Insektenvektoren Netze Achtung der guten landwirtschaftlichen Praxis Verwendung von toleranten und resistenten Pflanzensorten Fallen Ausreichende Versorgung mit Nährstoffen Korrekte Pflanzenabstände Regelmässige Überwachung Management von Umweltbedingungen Die Regulierung von Luftfeuchtigkeit und Temperatur ist von zentraler Bedeutung für die Prävention von Pilz- und Bakterienkrankheiten in überdachten Kulturen. Die Heizung, Belüftung, Beschattung, Ergänzungsbelichtung, Kühlung und Vernebelung müssen manipuliert werden, um die optimalen Bedingungen zu finden, die sowohl die Pflanzenproduktion als auch die Krankheitsbekämpfung ermöglichen. Unterstützung der natürlichen Gemeinschaft von krankheitsunterdrückenden Organismen Nützliche Mikroorganismen Nützliche Insekten Kompost-Extrakte 8.2.1 Hygiene der Anbaubedingungen Bevor mit Aquaponik (oder einer anderen Kultivierungsmethode) in einem Gewächshaus begonnen wird, müssen das Innere der Anlage und alle Werkzeuge gereinigt und desinfiziert werden. Zuerst sollte alles Pflanzenmaterial, Platten, Bodenbeläge etc. entfernt werden. GewächshausKunststoffabdeckungen, die älter als 3-4 Jahre sind, neigen dazu, schmutzig und weniger lichtdurchlässig zu sein, und sind daher für das Pflanzenwachstum suboptimal. Jedes Jahr sollte die Aussenseite des Gewächshauses gewaschen werden, um die Lichtverhältnisse für die Pflanzen zu 167 verbessern. Vor der Desinfektion eines Gewächshauses müssen alle Oberflächen sauber und frei von organischen Stoffen sein. Nachhaltige Desinfektionsmittel sind Wasser, Wasserdampf, Alkohol (70%), Peroxid, organische Säuren usw. Es wird auch empfohlen, Arbeitsinstrumente wie Messer zu desinfizieren. Ein sauberes Gewächshaus bietet die besten Startbedingungen für gesunde und kräftige Setzlinge. Eine Desinfektion vor dem Betreten eines Gewächshauses, wie z.B. die Anwendung von Handwaschtechniken und die Desinfektion von Schuhen mit desinfizierenden Fussmatten, ist unerlässlich (siehe auch Kapitel 10). Die Reinigung leerer Gewächshäuser, Bewässerungssysteme, Pflanzenbehälter und Erntegeräte mit einer Desinfektionslösung sind ebenfalls wichtige Faktoren zur Gewährleistung der Lebensmittelsicherheit. Wenn nötig sollten auch Schutzkleidung und Schuhüberzüge verwendet werden. 8.2.2 Tolerante und resistente Pflanzensorten Die Pflanzenresistenz gegen Insekten ist eine von mehreren gärtnerischen Kontrollmethoden. Diese Bekämpfungsmethoden beinhalten die Anwendung agronomischer Praktiken, um die Schädlingshäufigkeit und die Schäden unter das Niveau zu senken, die ohne diese Praxis entstanden wären. In der IPM bezieht sich die Pflanzenresistenz gegen Insekten auf den Einsatz resistenter Pflanzensorten zur Unterdrückung von Schädlingsschäden durch Insekten. Die Pflanzenresistenz soll in Verbindung mit anderen direkten Kontrolltaktiken eingesetzt werden. Die Entwicklung toleranter und resistenter Pflanzensorten ist bemerkenswert, und Saatgutkataloge sollten sorgfältig durchgeschaut werden, um Sorten auszuwählen, die gegen Krankheiten resistent sind. Bei einigen Kulturen, wie Tomaten, Gurken, Paprika oder Auberginen (Abbildung 3 und 4), ermöglicht die Veredelung sehr gute Ergebnisse. Mit etwas Übung ist es möglich, selbst zu veredeln. Handbücher, wie z.B. Kleinhenz et al. (2011), und Tutorials, die die Veredelungstechnik beschreiben, sind im Internet verfügbar. Abbildung 3: Gepfropfte Tomatenkeimlinge (Foto ZHAW) Abbildung 4: Botrytis-Infektion an Salat (Foto ZHAW) 8.2.3 Angemessene Pflanzenabstände Angemessene Pflanzenabstände sind eine Herausforderung bei jedem Gewächshausanbau, denn alle Kulturen beginnen sehr klein und wachsen und entwickeln sich. Eine hohe Pflanzdichte erhöht die Konkurrenz um Licht, schwächt die Pflanzenkraft und lädt Schädlinge und Krankheiten aufgrund der 168 geringeren Durchlüftung des Pflanzenbestandes zur Ansiedlung ein. Ein regelmässiger Schnitt ist unerlässlich. 8.2.4 Ausreichende Versorgung mit Nährstoffen Unterschiedliche Kulturen erfordern unterschiedliche Düngungsregime. Ein berühmtes Beispiel ist die Tomatenkultur in der konventionellen Hydrokultur mit mehr als fünf verschiedenen Nährstoffrezepten (Raviv & Lieth 2007); in der Aquaponik ist dies jedoch wegen der Rezirkulation nicht möglich. Dagegen erhalten Kulturen mit kurzen Anbauzeiten und geringerer Abhängigkeit von vegetativen und generativen Phasen in der Regel eine gleichmässige Nährstoffversorgung während des gesamten Wachstumszyklus. Falsche Nährstoffversorgung fördert Schädlingsbefall und Krankheiten. Ein zu hoher Stickstoffgehalt macht zum Beispiel Pflanzengewebe sukkulenter und erleichtert das Eindringen von Schädlingen. Es gibt im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, den Nährstoffgehalt in der Aquaponik zu regulieren: - Zugabe von löslichem Dünger entsprechend dem Nährstoffbedarf der Kultur (Resh 2013, siehe auch Kapitel 5, 6 und 9) - Regulierung der Ernährung entsprechend der Salzkonzentration im Wasser (EC-Niveau). Diese Methode setzt voraus, dass das Verhältnis zwischen verschiedenen Nährstoffen (Salzen) stabil ist. In der Aquaponik werden normalerweise EC-Werte zwischen 0.5 – 1.5 mS/cm angewendet (Vermeulen & Kamstra 2012). Wenn die Salzkonzentration 2.5 mS/cm überschreitet, sollte Frischwasser hinzugefügt werden. Zu hohe Salzkonzentrationen im Wasser verursachen physiologische Störungen, die zu Nekrosen auf der Blattoberfläche oder an den Blatträndern führen. Solche Schäden schaffen Zugang für sekundäre Pflanzenkrankheiten. Weitere Informationen finden Sie in den Kapiteln 5 und 6. 8.2.5 Überwachung IPM-Programme beinhalten Überwachung von Schädlingen und Krankheiten und deren genauer Identifizierung, so dass geeignete Kontrollentscheidungen in Verbindung mit Handlungsschwellen getroffen werden können. Durch Überwachung und Identifizierung wird die Möglichkeit ausgeschlossen, dass Pestizide eingesetzt werden, wenn sie nicht wirklich benötigt werden, oder dass die falsche Art von Pestiziden verwendet wird. Die regelmässige Überwachung von Schädlingen und Krankheiten ist daher von grundlegender Bedeutung. Jede Verfärbung oder Verformung der Blätter und das Auftreten von Schimmelpilzen auf den Blättern oder Früchten sollte erfasst werden (siehe auch unten). Da es schwierig ist, Pilzkrankheiten oder Schädlinge zu diagnostizieren, wird empfohlen, sich an Pflanzenschutzberater zu wenden. 8.2.6 Physische Verteidigung Die Pflanzengesundheit kann sehr davon profitieren, wenn Verletzungen durch ArthropodenSchädlinge (Gliederfussschädlinge, d.h. Insekten, Milben und Spinnen) von Anfang an verhindert oder 169 begrenzt werden. Zu den physischen Bekämpfungsstrategien gehören Methoden, um Schädlinge auszuschliessen oder ihren Zugang zu den Kulturen zu beschränken, das Verhalten der Schädlinge zu stören oder eine direkte Mortalität zu verursachen (Vincent et al. 2009). Physikalische Kontrollmethoden lassen sich in aktive und passive Methoden einteilen (Vincent et al. 2009). Aktive Methoden umfassen die Entfernung einzelner Schädlinge von Hand, das Herausschneiden von befallenem Pflanzengewebe und die Entfernung stark befallener Pflanzen. Zu den passiven Methoden gehört in der Regel die Verwendung eines Gerätes oder Werkzeugs zum Ausschliessen oder Entfernen von Schädlingen aus einer Kultur. Typischerweise dienen diese Geräte als Barrieren zwischen den Pflanzen und den Schädlingen und schützen so die Pflanzen vor Verletzungen und Schäden. Weitere passive Instrumente sind Abwehrmittel und Fallen. Während Fallen häufig zur Überwachung der Schädlingshäufigkeit und -verteilung eingesetzt werden, sind viele als "Lock- und Tötungs"Technologien konzipiert, die Insektenschädlinge durch Farbe, Licht, Form, Textur oder Geruch oder eine Kombination davon anlocken. 8.2.6.1 Netzung Die Verwendung von Netzen ist eine einfache Methode, um zu verhindern, dass Schädlinge mit der Kulturpflanze in Kontakt kommen. Die Maschenweite hängt vom jeweiligen Schädling ab: • 0.15 mm gegen Thripse • 0.35 mm zum Ausschluss von Weissen Fliegen und Blattläusen • 0.8 mm, um Miniermotten und Käfer auszuschliessen • 20 mm gegen Vögel Das Netz hat aber auch eine negative Seite: Es reduziert das Licht und erhöht die Luftfeuchtigkeit und damit das Risiko von Pilzkrankheiten. Dies gilt insbesondere für Netze mit einer Maschengrösse von < 2 mm. 8.2.6.2 Fang Zur Überwachung oder Erkennung einer Schädlingspopulation, zum Fangen und Identifizieren des Schädlings und zur Verringerung der lokalen Schädlingsdichte können Fallen eingesetzt werden. Kommerzielle Fallen stehen zur Bekämpfung oder zum Nachweis verschiedener Mottenarten (Pheromonfallen), Weisser Fliegen und Thripse (Klebefallen), Fliegen und Gelbmäntel, Schnecken und Nacktschnecken, Bettwanzen, Spinnen, Kakerlaken und vieler anderer Schädlinge zur Verfügung. Farbige Klebefallen ziehen verschiedene Schädlinge an. Sie sollten etwas über dem Kronendach der Pflanzen positioniert werden. Blaue Klebekarten fangen adulte Stadien von Thripsen ein. Gelbe Klebekarten werden zur Überwachung vonr Weissen Fliegen und schädlichen Schmetterlingen verwendet. Bei der Anwendung von Nützlingen zur Schädlingsbekämpfung ist es am besten, zuerst einen Experten zu konsultieren. 170 8.2.7 Unterstützung der natürlichen krankheitsunterdrückenden Organismen Gemeinschaft von Kontrollierte Umgebungen beinhalten sowohl Risiken als auch Chancen für die integrierte Schädlingsbekämpfung. Gewächshausbedingungen fördern Organismen mit erhöhten Anforderungen an Temperatur und Luftfeuchtigkeit, wie z.B. Pilzkrankheiten. Aber diese Klimafaktoren stimulieren auch die Entwicklung vieler Nützlinge. Die Verwendung von Nützlingen ist im Gewächshausanbau gut etabliert. Schädlinge und Krankheiten können auch bei der besten Prävention auftreten. Einer der Grundsätze der integrierten und ökologischen Landwirtschaft ist, dass Pflanzen in der Gegenwart von Krankheitserregern oder Schädlingen gedeihen. Dies ist nur möglich, wenn nützliche Makro- oder Mikroorganismen die Bekämpfung von Schädlingen und Krankheiten unterstützen. Eine natürliche Gemeinschaft von krankheitsunterdrückenden Organismen kann durch die Zugabe von biologischen Wirkstoffen zum Wasser als Stimulans für die Pflanzenresistenz unterstützt werden. 8.2.7.1 Nützliche Mikroorganismen Wichtige nützliche Mikroorganismen sind: • Bacillus amyloliquefaciens oder Trichoderma harzianum als Vorbeugung Wurzelkrankheiten (z.B. Pythium) im Frühstadium der Kultur (z.B. Setzlingsstadium) • Bacillus subtilis gegen Rhizoctonia • Gliocladum catenulatum gegen Fusarium, Phytophthora, Pythium, Rhizoctonia an Gurke, Tomate, Paprika und Küchenkräutern gegen Die Produkte sind in Online-Shops oder Gartenzentren erhältlich. 8.2.7.2 Nützlinge und Bankpflanzen Nützlinge (oder natürliche Feinde) werden normalerweise im ökologischen und konventionellen Gemüseanbau in Gewächshäusern eingesetzt. Weit verbreitete und kommerziell verfügbare Typen sind: • Schlupfwespen (Ichneumoniden) gegen Blattläuse, Weisse Fliegen und Ähnliches • Gallmücken (Aphidoletes aphidimyza) gegen Blattläuse • Raubmilben gegen Spinnmilben • Spiegelwanzen (Macrolophus pygmaeus) gegen Weisse Fliegen Mit dieser Art der Schädlingsbekämpfung lassen sich sowohl Pestizidrückstände als auch pestizidbedingte Resistenzen vermeiden. Eine erfolgreiche Schädlingsbekämpfung mit Nützlingen kann jedoch eine Herausforderung sein. Jeder Nützling hat seine eigenen individuellen Bedürfnisse. Spezifische blühende Lockpflanzen «banker plants» oder Begleitpflanzen, die in der Nähe oder im Gewächshaus gepflanzt werden, können Nützlinge unterstützen (Conte et al. 2000). Beispiele für 171 solche Pflanzen sind Buchweizen (Fagopyrum esculentum), Kornblume (Centaurea cyanus) und Kornrade (Agrostemma githago). 8.2.7.3 Kompost-Extrakte Diese werden auch als "Komposttee" bezeichnet und enthalten viele nützliche Mikroorganismen. Sie werden durch Aufbrühen und Belüften von Kompost in Wasser (normalerweise für 24 Stunden) hergestellt, um die nützlichen Organismen zu extrahieren. Komposttee muss sofort aufgetragen werden, entweder direkt auf die Wurzelzone oder auf die Blätter. Eine erste Anwendung kann unmittelbar nach der Aussaat und eine zweite vor der Auspflanzung erfolgen. Rezepte und Brauverfahren finden Sie im Internet, zum Beispiel hier: http://www.soilfoodweb.com/. 8.2.8 Wenn alles andere scheitert ... Manchmal können Eingriffe mit chemischen Produkten gerechtfertigt sein, aber in diesem Fall sind strenge Vorschriften zu beachten. Wann immer möglich, sollten zuerst pflanzliche Pestizide verwendet werden, da sie biologischen Ursprungs sind. Einige Extrakte aus Mikroorganismen sind für Fische sicher und können in der Aquaponik verwendet werden. Das eine ist ein Gift aus Bacillus thuringiensis, das gegen Raupen, Blattwalzen oder andere Schmetterlingslarven eingesetzt werden kann. Der andere ist Beauveria bassiana, ein Pilz, der in die Haut des Insekts eindringt und gegen eine Reihe von Schädlingen wie Termiten, Thripse, Weisse Fliegen, Blattläuse und Käfer wirksam ist. Die meisten chemisch-synthetischen Fungizide und Insektizide, aber auch einige Produkte, die im ökologischen Landbau zugelassen sind, sind giftig und schädigen Wasserorganismen. Eine Anwendung ist nur bei Jungpflanzen vor der Verpflanzung in das System erwägenswert. Wenn die chemische Kontrolle der letzte Ausweg ist, muss die spezifische Fischtoxizität des Produkts sehr sorgfältig geprüft werden. Anhang 2 von "Small-scale aquaponic food production" (Somerville et al. 2014) listet eine Auswahl möglicher Insektizide mit Hinweisen auf ihre relative Toxizität für Fische auf. Die Aquaponik ist ein komplexes Ökosystem, das sich aus verschiedenen Arten von Bakterien, Pilzen und höheren Organismen zusammensetzt und ein hohes Potenzial an natürlicher Widerstandskraft besitzt. Es ist wichtig, das ökologische Gleichgewicht dieses Ökosystems durch geeignete Präventionsmassnahmen, wie oben beschrieben, aufrechtzuerhalten. Dies sollte dazu beitragen, die Notwendigkeit der Einführung direkter Methoden der Schädlingsbekämpfung auf ein Minimum zu reduzieren. 8.3 Die häufigsten Schädlinge und Krankheiten 8.3.1 Identifizierung von Schädlingen und Krankheiten Die richtige Identifizierung von Schädlingen und Krankheiten ist wichtig. Unabhängig davon, ob es sich bei dem Schädling um ein Insekt, ein Nagetier, einen phytopathogenen Pilz oder einen anderen Organismus handelt, macht die korrekte Identifizierung die Bekämpfung einfacher und wirksamer. Ein Fehler bei der Identifizierung kann zu unsachgemässen Regulierungstaktiken führen, die Zeit und Geld kosten. Sie kann auch zu unnötigen Risiken für Menschen, Fische oder die Umwelt führen. Um eine potenzielle Krankheit zu identifizieren, sollte man die in Abbildung 5 und 6 beschriebenen Schritte befolgen. Manchmal ähneln die Krankheitssymptome den Symptomen eines 172 Pflanzennährstoffmangels. Im Zweifelsfall sollte man einen Spezialisten konsultieren. Wenn dies nicht möglich ist, beschreiben Sie die Symptome und machen Sie Fotos (die auch als zukünftige Referenz dienen). Dann suchen Sie im Internet nach Fotos und Beschreibungen von Krankheitssymptomen, die mit denen Ihrer Pflanzen übereinstimmen. Abbildung 5: Krankheitssymptome an Pflanzen 173 •Identifizieren Sie die betroffenen Bereiche: Blätter, Blüten, Früchte, Wachstumsspitze, Stängel, Kronenbereich oder Wurzeln. Es kann eine Kombination aus diesen sein 1: Betroffene •Wenn die Pflanze z.B. tagsüber verwelkt (hohe Licht- und Temperaturverhältnisse), können die Wurzeln infiziert werden, was die Wasseraufnahme verringert. Stellen 2: Wurzeln •Schneiden Sie einige Wurzeln ab, um festzustellen, ob sie prall und weiß oder weich und schleimig sind. •Weiche und schleimige Wurzeln weisen auf ein Wurzelproblem hin •Ist die Gesamtform der Pflanze verkümmert oder kleinwüchsig? Ist die Oberseite der Pflanze sehr buschig mit vielen kleinen Blättern und kurzen Internodien? 3. Gesamte •Jede Verfärbung oder Weichheit am Kragen (Krone) der Pflanze würde auf eine Krankheit Pflanzenform hinweisen 4. Blätter 5. Stiel 6. Früchte •Achten Sie auf die folgenden Symptome: deformierte, faltige, gerollte, gerollte, gewellte, gesprenkelte, chlorotische oder nekrotische Blättchen •Achten Sie auf das Vorhandensein konzentrischer oder gekrümmter Flecken von weißem, pulverförmigem, haarähnlichem Wuchs auf den Blättern (verursacht durch einige Pilze, wie z.B. Echter Mehltau und Botrytis) •Schneiden Sie den Stängel einer Pflanze auf, um herauszufinden, ob das Gefässgewebe klar und weiss ist oder nicht; wenn es braun und weich ist, würde dies auf das Vorhandensein eines Krankheitsorganismus hinweisen. •Eine Frucht kann deformiert sein oder Flecken oder Läsionen aufweisen, die auf das Vorhandensein einer Krankheit hinweisen Abbildung 6: Vorgehensweise bei der Identifizierung von Pflanzenkrankheiten 8.3.2 Häufige Pflanzenkrankheiten 8.3.2.1 Grauschimmel (Botrytis) Dies ist die häufigste Pilzkrankheit bei Salat, Auberginen, Tomaten und Gurken (Abbildung 7), wenn die Luftfeuchtigkeit zu hoch und die Luftzirkulation schlecht ist. Aufrechterhaltung eines optimalen Feuchtigkeitsniveaus durch Belüftung und Temperaturregelung. Im Allgemeinen ist eine relative Luftfeuchtigkeit von 75% für die meisten Kulturen gut und nicht zu feucht, was Krankheiten nicht zusätzlich fördert. Das Entfernen der unteren, vergilbenden Blätter hilft, die Feuchtigkeit in der Nähe der Pflanzenbasis niedrig zu halten und die Luft zirkulieren zu lassen. Machen Sie einen sauberen Bruch oder Schnitt an der Basis des Blattstiels (wo das Blatt mit dem Stiel zusammentrifft). Botrytis befällt auch Früchte, Stängel und Blätter. Schneiden Sie die Früchte bei der Ernte mit einer Gartenschere oder einem scharfen Messer, um eine schnelle Wundheilung zu fördern. Entfernen Sie nach der Blüte abgestorbene Blüten, die noch keine Früchte getragen haben, da Botrytis oft schnell in diese toten Gewebe eindringt. 174 1.1. A B D C Abbildung 7: Symptome einer Botrytis-Infektion an Salat (A), Tomate (B), Aubergine (C) und Gurkenblättern (D) 8.3.2.2 Stängelfäule (Sklerotinia) Dieser Pilz infiziert den Stängel von Auberginen, Salat (Abbildung 8) und Tomaten. Beugen sie wie bei Botrytis vor. Richtige Sanitäranlagen und Belüftung helfen bei der Prävention dieser Krankheit. Abbildung 8: Symptome der Stängelfäule bei Salat 8.3.2.3 Echter Mehltau (Ordnung Erysiphales) Mehltau-Erkrankungen werden durch viele verschiedene Pilzarten der Ordnung Erysiphales verursacht. Sie ist die häufigste Krankheit bei Gurken und Salat (Abbildung 9). Der Echte Mehltau ist eine der leichter zu identifizierenden Pflanzenkrankheiten, da seine Symptome sehr ausgeprägt sind. Infizierte Pflanzen zeigen kleine weisse, pulverige Flecken auf der Blattoberseite und den Stängeln. Die unteren Blätter sind am stärksten betroffen, aber der Mehltau breitet sich schnell an jedem 175 oberirdischen Teil der Pflanze aus. Mit dem Fortschreiten der Krankheit vergrössern sich die Flecken und breiten sich aus, um die gesamte Blattoberfläche zu bedecken, da eine grosse Anzahl ungeschlechtlicher Sporen gebildet wird, und der Mehltau kann sich über die Länge der Pflanze nach oben und unten ausbreiten. Richtige Sanitäranlagen und Belüftung helfen bei der Prävention dieser Krankheit. Die beste Prävention ist die Auswahl resistenter oder hoch toleranter Sorten. Abbildung 9: Symptome von Mehltau an Salat (links) und Gurke (rechts) 8.3.3 Gewöhnliche Pflanzenschädlinge Die meisten Schädlinge, wie Blattläuse, Raupen- und Mottenlarven, Wollläuse, Zweifleck-Spinnen, Thripse und Weisse Fliegen befallen alle Kulturen. Einige sind jedoch bei bestimmten Kulturen aggressiver als bei anderen. Platzieren Sie gelbe Klebefallen an Freileitungen oder Tragschnüren etwa 300 mm über der Pflanzenoberseite, um diese Schädlinge zu fangen und zu überwachen. 8.3.3.1 Blattläuse Blattläuse sind fast immer vorhanden. Sie sind je nach Art grün, braun oder schwarz (Abbildung 10). Es gibt geflügelte und flügellose Formen. Ein herausragendes Merkmal ihres Befalls an Pflanzen ist das Vorhandensein von "Honigtau", der beim Saugen an den Pflanzen aus dem Unterleib ausgeschieden wird, was zu einer Klebrigkeit der Blätter und Pflanzenteile führt. Häufig infizieren Russschimmel (Pilze) als Sekundärorganismus die Blätter und bilden einen schwarzen Film auf den Blättern. 176 Oben - Abbildung 10: Grüne Blattläuse auf einem Blatt Rechts - Abbildung 11: Lebenszyklus von Blattläusen (Zeichnung mit freundlicher Genehmigung von J.R. Baker, North Carolina Agricultural Extension Service) 8.3.3.2 Weisse Fliegen (Familie Aleyrodidae) Weisse Fliegen sind kleine Hemipteren, die sich typischerweise von der Unterseite der Pflanzenblätter ernähren (Abbildung 12). Mehr als 1550 Arten sind beschrieben worden. Dies ist einer der lästigsten Schädlinge im Zusammenhang mit Tomaten. Diese Insekten sind an ihren weissen Flügeln und ihrem Körper zu erkennen. Am häufigsten sind sie an der Unterseite der Blätter zu finden, und sie fliegen schnell weg, wenn sie gestört werden. Es gibt sowohl Nützlinge als auch Pestizide zu ihrer Bekämpfung. Oben - Abbildung 12: Weisse Fliegen Rechts - Abbildung 13: Lebenszyklus von weissen Fliegen (Zeichnung mit freundlicher Genehmigung von J.R. Baker, North Carolina Agricultural Extension Service) 177 8.3.3.3 Zweifleckige Spinnmilbe oder Rote Spinne (Tetranychus urticae) Milben sind mit Spinnen und Zecken verwandt (Abbildung 14). Sie haben vier Beinpaare im Gegensatz zu Insekten, die nur drei Beinpaare haben. Zweifleckige Spinnmilben haben, wie der Name schon sagt, zwei dunkel gefärbte Flecken auf ihrem Körper. Wenn sie an den Blättern saugen, bilden sich kleine gelbe Flecken, die schliesslich zusammenwachsen und den Blättern ein bronzefarbenes Aussehen verleihen. Sie erzeugen auch ein Gewebe auf der Blattoberfläche, wenn der Befall zunimmt. Wenn sie nicht kontrolliert werden, wenn die Anzahl überschaubar ist, führen sie zum vollständigen Ausbleichen und Absterben der Blätter, da sie den gesamten Inhalt der Zellen aussaugen. Andere Spinnmilben, die ebenfalls Gewächshauskulturen schädigen, sind Karminmilben (Tetranychus cinnabarinus) und Breitmilben (Polyphagotarsonemus latus). Diese sind jedoch nicht so verbreitet wie die Zweifleckmilbe und unterscheiden sich in der Farbe. Die Karminmilbe ist leuchtend rot, während die Breitmilbe durchsichtig ist und nur mit einer Handlinse gesehen werden kann. Breitmilben verursachen Blatt- und Fruchtdeformationen. Abbildung 14: Zweifleckige Spinnmilbe Abbildung 15: Der Lebenszyklus von Zweifleck(Adulte Tiere und Ei) (Zeichnung mit freundlicher Spinnenmilben Genehmigung von J.R. Baker, North Carolina Agricultural Extension Service) 8.3.3.4 Miniermotten Eine Miniermotte ist die Larve eines Insekts, die im Blattgewebe von Pflanzen lebt und dieses frisst (Abbildung 16). Die überwiegende Mehrheit der blattminierenden Insekten sind Motten (Lepidoptera), Sägemücken (Symphyta, nahe Verwandte der Wespen) und Fliegen (Diptera), obwohl einige Käfer dieses Verhalten auch zeigen. Adulte Miniermotten legen Eier in die Blätter, die sich als weisse Schwellungen zeigen. Wenn die Larven schlüpfen, fressen sie 'Tunnel' durch das Blatt zwischen der oberen und unteren Blatthaut, wodurch 'Minen' entstehen. Mit zunehmendem Befall verbinden sich die Minen und führen zu grossen Schadensflächen, die schliesslich zum Absterben des Blattes führen. Die reifen Larven fallen auf den Boden (Oberfläche des Substrats), wo sie sich innerhalb von 10 Tagen verpuppen (sich zu Adulten verwandeln). Der Zyklus beginnt dann wieder von vorne. Der Befall kann durch die Entfernung von stark infizierten Blättern und abgefallenen Blättern vom Boden reduziert werden. Wenn das Substrat mit weissem Polyethylen bedeckt ist, um zu verhindern, dass die Larven eindringen, wenn sie von den Blättern fallen, wird die Vermehrung der Insekten minimiert. Dies ist besonders hilfreich, wenn die Pflanzen in Töpfen oder Beeten wachsen, denn dadurch wird der Befall durch die Unterbrechung des Lebenszyklus eingeschränkt. 178 Oben - Abbildung 16: Blattschäden durch eine Miniermotte Rechts - Abbildung 17: Der Lebenszyklus einer typischen Miniermotte (Zeichnung mit freundlicher Genehmigung von J.R. Baker, North Carolina Agricultural Extension Service) 8.3.3.5 Thripse (Ordnung Thysanoptera) Thripse sind winzige, schlanke Insekten (Abbildung 18) mit gefransten Flügeln und einzigartigen asymmetrischen Mundwerkzeugen. Es gibt mehr als 6000 Thripsarten, die das Leben von Pflanzen auf der ganzen Welt aussaugen. Diese Insekten werden in erster Linie von den Blüten angezogen. Ihre Besonderheit ist das Vorhandensein von gefiederten Flügeln. Sie haben kratzende Mundwerkzeuge, die die Blattoberfläche abkratzen und den Pflanzensaft aufsaugen, wodurch weisse, silbrig glänzende Streifen auf den Blättern entstehen. Sie tragen, wie die Weissen Fliegen und die Blattläuse, ebenfalls Viren mit sich. Thripse werden für die Bestandesüberwachung von blauen Klebefallen angezogen. a) b) Abbildung 18: Thripsschäden an Basilikum: (a) Frassspuren und Kot, und (b) Thrips-Nymphe. 179 Abbildung 19: Der Lebenszyklus von Thripsen (Zeichnung mit freundlicher Genehmigung von J.R. Baker, North Carolina Agricultural Extension Service) 8.4 Biologische Schädlingsbekämpfung Die Begriffe "biologische Kontrolle" und ihr abgekürztes Synonym "Biokontrolle" wurden in verschiedenen Bereichen der Biologie verwendet, vor allem in der Entomologie und der Pflanzenpathologie. In der Entomologie wurde er zur Beschreibung der Verwendung von lebenden räuberischen Insekten, entomopathogenen Nematoden oder mikrobiellen Pathogenen zur Unterdrückung von Populationen verschiedener Schadinsekten verwendet. In der Pflanzenpathologie bezieht sich der Begriff auf den Einsatz von mikrobiellen Antagonisten zur Unterdrückung von Krankheiten sowie auf den Einsatz von wirtsspezifischen Pathogenen zur Kontrolle von Unkrautpopulationen. In beiden Bereichen wird der Organismus, der den Schädling oder Krankheitserreger unterdrückt, als biologisches Bekämpfungsmittel (biological control agent, BCA) bezeichnet. 8.4.1 Natürliche Feinde von Schädlingen Parasiten, Krankheitserreger und Raubtiere sind die Hauptgruppen, die bei der biologischen Kontrolle von Insekten und Milben eingesetzt werden. Die meisten Parasiten und Krankheitserreger und viele Raubtiere sind hoch spezialisiert und befallen eine begrenzte Anzahl eng verwandter Schädlingsarten. 8.4.1.1 Parasiten Ein Parasit ist ein Organismus, der in oder auf einem Wirt lebt und sich von ihm ernährt. Insektenparasiten können sich an der Innen- oder Aussenseite des Wirtskörpers entwickeln. Oftmals ernährt sich nur das juvenile Stadium des Parasiten von Wirt. Adulte Weibchen bestimmter Parasiten (wie z.B. viele Wespenarten, welche Schildläuse und Weisse Fliegen angreifen) ernähren sich jedoch von ihren Wirten und töten diese. Obwohl hier der Begriff "Parasit" verwendet wird, töten echte Parasiten (z.B. Flöhe und Zecken) ihre Wirte in der Regel nicht. Arten, die für die biologische Kontrolle nützlich sind und hier diskutiert werden, töten ihre Wirte; genauer gesagt werden sie als "Parasitoide" bezeichnet. Die meisten parasitären Insekten sind entweder Fliegen (Ordnung Diptera) oder Wespen (Ordnung Hymenoptera). Es ist wichtig zu beachten, dass diese kleinen bis mittelgrosse Wespen nicht in der Lage sind, Menschen zu stechen. Die häufigsten parasitären Fliegen sind die typisch behaarten Tachinidae. Adulte Tachiniden ähneln oft Stubenfliegen. Ihre Larven sind Maden, die sich im Inneren des Wirtes ernähren. 8.4.1.2 Krankheitserreger Natürliche Krankheitserreger sind Mikroorganismen, einschliesslich bestimmter Bakterien, Pilze, Nematoden, Protozoen und Viren, die den Wirt infizieren und töten können. Die Populationen einiger Blattläuse, Raupen, Milben und anderer wirbelloser Tiere werden manchmal durch natürlich vorkommende Krankheitserreger drastisch reduziert, meist unter Bedingungen wie anhaltend hohe Luftfeuchtigkeit oder dichte Schädlingspopulationen. Einige nützliche Krankheitserreger sind als 180 biologische oder mikrobielle Pestizide im Handel erhältlich. Dazu gehören Bacillus thuringiensis, entomopathogene Nematoden und Granuloseviren. Zusätzlich werden einige Nebenprodukte von Mikroorganismen, wie Avermectine und Spinosyne, in bestimmten Insektiziden verwendet; die Anwendung dieser Produkte wird jedoch nicht als biologische Bekämpfung angesehen. 8.4.1.3 Raubtiere Raubtiere töten und ernähren sich im Laufe ihres Lebens von mehreren bis vielen einzelnen Beutetieren. Viele Amphibien-, Vogel-, Säugetier- und Reptilienarten beuten ausgiebig Insekten aus. Raubkäfer, Fliegen, Florfliegen, echte Wanzen (Ordnung Hemiptera) und Wespen ernähren sich von verschiedenen Schadinsekten oder Milben. Die meisten Spinnen ernähren sich ausschliesslich von Insekten. Raubmilben ernähren sich hauptsächlich von Spinnmilben. 8.4.1.4 Unterscheidung der Schädlinge von natürlichen Feinden Die richtige Identifizierung von Schädlingen und die Unterscheidung von Schädlingen von natürlichen Feinden ist für eine wirksame biologische Bekämpfung unerlässlich. Beobachten Sie sorgfältig die Milben und Insekten auf Ihren Pflanzen, um ihre Aktivität zu erkennen. Manche Menschen verwechseln beispielsweise die Larven der Schwebfliegen mit Raupen. Allerdings finden sich Syrphidenfliegenlarven, die sich von Blattläusen ernähren und nicht an der Pflanze selbst kauen. Wenn Sie Milben auf Ihren Pflanzen finden, beobachten Sie sie mit einer guten Handlupe. Raubmilben scheinen aktiver zu sein als pflanzenfressende Arten. Im Vergleich zu Schädlingsmilben sind Raubmilben oft grösser und kommen nicht in grossen Gruppen vor. 181 Tabelle 3: Einige Schädlinge und ihre natürlichen Feinde Natürliche Feinde Schädlinge Parasiti ParasitiSpitze- Marien -sche sche Flügel -käfer Fliegen Wespen Blattläuse X X Raupen X Weisse Riesenfliege X X X Netzwanzen X X X Wollläuse Psylliden X X X X X X Skalen X X X X X X Spinnmilben X Thripse X X X X X Rüsselkäfer, Wurzeloder Bodenbewohner Weisse Fliegen X X Nacktschnecken, Schnecken Raubmilben X X Andere Gruppen und Beispiele Entomopathogene Pilze, Soldatenkäfer, Syrphidenfliegenlarven Bacillus thuringiensis, Vögel, entomopathogene Pilze und Viren, Raubwanzen und Wespen, Trichogramma spp. (eiparasitische Wespen), Spinnen Encarsia hispida, E. noyesi, Entedononecremnus krauteri, Idioporus affinis (parasitäre Wespen), Syrphidenfliegenlarven Meuchelmörder- und Piratenwanzen, Spinnen Mehlkäfer-Zerstörer, Marienkäfer Piraten-Wanzen Aphytis, Coccophagus, Encarsia und Metaphycus spp., parasitäre Wespen Rumina decollata (Raubschnecke), räuberische Laufkäfer, Vögel, Schlangen, Kröten und andere Wirbeltiere Grossaugenwanzen und winzige Piratenwanzen, Feltiella spp. (Raubfliegenlarven), Sechs-PunktThripse, Stethorus picipes (Spinnmilbenzerstörer, Marienkäfer) Winzige Piratenwanzen, räuberische Thripse X Steinernema carpocapsae, Heterorhabditis bacteriophora (entomopathogene Nematoden) X Grossäugige Wanzen und winzige Piratenwanzen, Cales, Encarsia und Eretmocerus spp., parasitäre Wespen, Spinnen 182 8.4.2 Beispiele für biologische Hilfsstoffe Tabelle 4 zeigt ausgewählte auf dem Markt erhältliche biologische Bekämpfungsmittel gegen Pflanzenpathogene. Verschiedene Länder haben unterschiedliche Vorschriften darüber, wer diese Produkte verwenden darf. Es kann notwendig sein, eine Prüfung abzulegen, um diese Produkte kaufen und anwenden zu können. Auch sind nicht all diese Produkte in jedem Land erhältlich. Tabelle 4: Ausgewählte biologische Bekämpfungsmittel Pflanzenkrankheiten biologische Bekämpfungsmittel Kulturpflanzen Echter Mehltau Ampelomyces quisqualis Erdbeere, Tomate, Paprika, Kürbis Echter Mehltau, Grauschimmel, Weissschimmel (Sklerotinia) Bacillus amyloliquefaciens ssp. Plantarum Stamm D747, Bacillus subtilis Stamm QST 713 Erdbeere, Tomate, Gurke, Paprika, Kürbis, Brunnenkresse, Salat, Spinat, Gewürzkräuter Weisser Schimmelpilz (Sklerotinia) Coniothyrium minitans Jede Kulturpflanze Grauschimmel, falscher Mehltau, Fusariumwelke, Dämpfung Gliocladium catenulatum Erdbeere, Tomate, Kürbis, Paprika, Brunnenkresse, Salat, Spinat, Kräuter Boden-Kryptogam Streptomyces K61 Jede Kulturpflanze Keimlings-, Wurzel-, Stängelund Kolbenfäule Trichoderma asperellum, Trichoderma harzianum Jede Kulturpflanze 8.4.2.1 Gemeine Florfliegen (Chrysoperla carnea) Chrysoperla carnea ist ein aktiver Räuber vieler weichkörperlicher Arthropoden und ihrer Eier, die nach der zarten Flügelvene der ausgewachsenen Tiere oder nach dem unersättlichen Appetit ihrer Larven benannt sind. Verschiedene Arten der Gattung Chrysoperla werden in mehreren Ländern in Massenproduktion hergestellt, sowohl für die Verwendung in Freiland- als auch in geschützten Kulturen. Die Larve im dritten Stadium ist extrem gefrässig und kann eine Blattlaus oder eine weisse Fliegenpuppe in weniger als einer Minute verzehren. Die Larven sind Kannibalen und können, wenn sie jung sind, nicht ausgebrütete Eier andere Larven und sogar Adulte fressen, wenn die Nahrung knapp wird. Bei gemischter Beute greifen die Florfliegen zuerst Blattläuse an, gefolgt von Thripsen und Spinnmilben. Es ist auch bekannt, dass sie sich von jungen Raupen und Motteneiern, Wollläusen, Schildläusen, weissen Fliegenlarven und Puppen ernähren. Pflanzen mit dichtem Blattwerk sind für diese Raubtiere am besten geeignet, insbesondere wenn die Beute gleichmässig im Kronendach verteilt ist. Florfliegenlarven sind auf ökologischen Kulturen nützlich, wo Pestizidbeschränkungen einen allgemeineren Räuber zur Bekämpfung vieler Schädlingsarten erfordern. C. carnea sind toleranter gegenüber niedriger Luftfeuchtigkeit als andere Florfliegenarten. 183 Abbildung 20: Florfliegen-Raubtierlarve (links) und ausgewachsene Larve (rechts) Abbildung 21: Lebenszyklus der Florfliege (K. Kos, mit urheberrechtlicher Genehmigung) 8.4.2.2 Der weisse Fliegenparasitoid Encarsia formosa Encarsia formosa wurde in England entdeckt und 1926 erstmals erfolgreich eingesetzt. Innerhalb von zwei Jahren wurden 250.000 Parasitoide für den Einsatz in Baumschulen in England, Frankreich und später in Kanada aufgezogen. Diese Art ist jetzt in vielen Ländern im Handel erhältlich. Ausgewachsene Weibchen sind 0,6 mm lang, haben einen schwarzen Kopf und Thorax, einen gelben Bauch und durchsichtige Flügel. Das offensichtlichste Anzeichen für die Aktivität von Encarsia spp. ist das Vorhandensein von schwarzen "Schuppen" auf den Blättern. Dies sind die Verpuppungsstadien des Parasitoiden und werden innerhalb der Puppen der Weissen Fliege gebildet. Ausgewachsene Wespen werden durch flüchtige Verbindungen, die vom Honigtau der Weissen Fliege freigesetzt werden, von der Wirtsschuppe der Weissen Fliege angezogen (so genannt, weil das Larvenstadium der Weissen Fliege meist unbeweglich ist und Insekten im Miniaturformat ähnelt). Adulte ernähren sich vom Honigtau. In der Regel wird ein einzelnes Ei gelegt, das drei Larvenstadien durchläuft, während derer die weisse Fliegenschuppe weiss bleibt und sich normal entwickelt. Wenn sie voll entwickelt ist, wird die weisse Fliegenschuppe schwarz, wenn sich der Parasitoid verpuppt. Die Puppen bleiben am Blatt haften, und das adulte Tier schlüpft etwa 10 Tage später aus einem Loch aus, das mit einem speziellen 184 "Zahn" durch das Puparium geschnitten wurde. E. formosa wird als schwarze Schuppen auf die Pflanzen ausgebracht, die auf Karten geklebt werden, aus denen einige Tage später adulte Tiere hervorgehen. Abbildung 22: Encarsia formosa, die ein Ei auf einer weissen Fliege legt (links) und schwarze 'Schuppen' (rechts) Abbildung 23: Synchronisierter Lebenszyklus von Encarsia formosa mit dem Lebenszyklus der Weissen Fliege (K. Kos, mit urheberrechtlicher Genehmigung) 8.4.2.3 Entomopathogene Nematoden Entomopathogene Nematoden werden auch als Aal- oder Spulwürmer bezeichnet. Diese winzigen Organismen sind relativ einfach - bilateral symmetrisch, länglich und an beiden Enden verjüngt. Die hier beschriebenen Arten sind fakultative Parasitoide (d.h. sie können sowohl als Saprophyten als auch als Parasitoide leben). Obwohl sie in der Natur vorkommen, können sie mit künstlicher Nahrung in Massenproduktion hergestellt werden, wobei ein Fermentationsprozess in flüssigem Medium 185 verwendet wird, und werden kommerziell als biologische Bekämpfungsmittel eingesetzt. Im Gegensatz zu pflanzenpathogenen Nematoden haben diese entomopathogenen Arten symbiotische Bakterien in ihrem Verdauungstrakt. Diese produzieren ein Gift, und das ist der tödliche Wirkstoff. Sobald der Nematode in den Wirt eingedrungen ist und sich von seiner Hämolymphe ernährt (die Flüssigkeit, analog zum Blut bei Wirbeltieren, die im Inneren des Arthropoden-Körpers zirkuliert), scheidet er ein kleines Pellet mit den pathogenen Bakterien aus, das bei den richtigen Temperaturbedingungen den Wirt bereits nach 2-3 Tagen tötet. Die Nematoden vermehren sich dann in der Suppe aus Bakterien und Hämolymphe und hinterlassen den Kadaver als infektiöse Larven im dritten Stadium. Diese sind ungewöhnlich widerstandsfähig gegen ungünstige Umweltbedingungen und können mehrere Monate überleben. Abbildung 24: Lebenszyklus eines Stein- oder Heterorhabiditiden-Nematoden (Zeichnung von A. E. Burke) 8.4.2.4 Raubmilben Dabei handelt es sich um kleine, sich schnell bewegende Milben, die spezifische Raubtiere sein können, wie Phytoseiulus persimilis, oder allgemeinere Raubtiere, wie viele der Amblyseius-Arten. Alle legen Eier in der Nähe der beabsichtigten Beute ab, die als sechsbeinige Nymphen schlüpfen, zwei Häutungen durchlaufen und sich dann als achtbeinige Adulte entwickeln. Die Lokalisierung von Beutetieren erfolgt in der Regel durch Kairomone (semiochemisch), die durch den Kot der Beutetiere, Pflanzenschäden oder, im Falle von Spinnmilben, durch ihr Netz, das beim Raubtier einen Lock- und 186 Arretierungsreiz erzeugt, der sie in unmittelbarer Nähe der Wirtsbeute festhält. Die meisten Raubmilben sind in der Lage, mit einer relativ geringen Anzahl von Beutetieren zu überleben und können sich schnell vermehren, um ein angemessenes Mass an Kontrolle zu gewährleisten, bevor es zu einem grösseren Ausbruch kommt. Raubmilben sind überall auf der Welt anzutreffen, und einige davon werden kommerziell für die Massenfreisetzung produziert, insbesondere für geschützte Kulturen. Ihr Einsatz bei Freilandkulturen nimmt jedoch zu, insbesondere bei essbaren Kulturen, bei denen die Nachernteintervalle vieler Pestizide chemische Eingriffe einschränken oder sogar verhindern. Viele der Amblyseius-Arten können mit einer auf Kleie basierenden Ernährung in Massenproduktion hergestellt werden, die zusammen mit einer künstlichen Wirtsmilbe in Papierbeutel verpackt werden kann, um die Verteilung und die Etablierung auf einer Kulturpflanze zu erleichtern. Abbildung 25: Adulte Raubmilbe, welche die phytophagen Milben frisst (links), Beutel mit kontrollierter Freisetzung (CRS), der in eine kommerzielle Kulturpflanze gehängt wird, um amblyseidische Raubmilben auszusetzen (rechts) Abbildung 26: Lebenszyklus von Raubmilben, Familie Phytoseiidae (K. Kos, mit urheberrechtlicher Genehmigung) 187 8.4.2.5 Parasitoide Wespen (Aphidius colemani) Aphidius colemani ist eine kleine, schwarze Wespe, 4-5 mm lang, die ein einzelnes Ei in eine Wirtslaus einführt. Alle anderen Lebensstadien treten innerhalb der Blattlaus auf. Das Erscheinen einer goldbraunen Mumie deutet auf das Vorhandensein dieser Parasitoide auf einer Kulturpflanze hin. Im Allgemeinen greift dieser Parasitoid die kleineren Blattlausarten an. Diese Art ist in vielen Ländern im Handel erhältlich. Aphidius spp. können ein vernünftiges Mass an Bekämpfung bieten, wenn sie frühzeitig eingeführt werden, wenn die Schädlingszahlen niedrig sind. Wenn jedoch Blattläuse in Kolonien angesiedelt sind, wird A. colemani einige Zeit brauchen, um sich auf die Schädlingspopulation auszuwirken, so dass Raubtiere oder ein selektives Pestizid in Betracht gezogen werden sollten. Das Mumienstadium ist tolerant gegenüber den meisten kurzlebigen Pestiziden, aber solche wie synthetische Pyrethroide haben eine lange Restaktivität und können den Adulten beim Austritt aus der Blattlausmumie töten. In Kulturen, in denen eine kontinuierliche Versorgung mit Parasitoiden erforderlich ist, sind Begleitpflanzen (meist Getreide), die mit einer bestimmten Aphid (Blattlaus) infiziert sind, nützlich. Abbildung 27: Adulte parasitoide Wespe (Aphidius colemani), die Eier in eine Blattlaus legt (links). Von Aphidius colemani parasitierte Blattläuse: Mumienstadium (rechts). 188 Abbildung 28: Parasitoide Wespe (Aphelinus mali) zur biologischen Bekämpfung von Blattläusen (Eriosoma lanigerum) (K. Kos, mit urheberrechtlicher Genehmigung) 8.5 Referenzen Bittsánszky, A., Gyulai, G., Junge, R., Schmautz, Z. & Komives, T. 2015. Plant protection in ecocyclebased agricultural systems: Aquaponics as an example. In Proceedings of the International Plant Protection Congress (IPPC), Berlin, Germany Vol. 2427. Conte, L., Chiarini, F., Zancanaro, A., & Monta, L.D. 2000. 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Hydroponic Food Production: A Definitive Guidebook for the Advanced Home Gardener and the Commercial Hydroponic Grower (7th edition). CRC Press, Boca Raton. 189 Schmautz, Z., Graber, A., Jaenicke, S., Goesmann, A., Junge, R. & Smits, T.H. 2017. Microbial diversity in different compartments of an aquaponics system. Archives of Microbiology 199 (4): 613-620. Somerville et al. 2014. Appendix 2 – Plant pests and disease control In Somerville, C., Cohen, M., Pantanella, E., Stankus, A. & Lovatelli, A. Small-scale Aquaponic Food Production: Integrated Fish and Plant Farming, pp. 183-186. FAO Fisheries and Aquaculture Technical Paper No. 589. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome Tang, S., Xiao, Y., Chen, L. & Cheke, R.A. 2005. Integrated pest management models and their dynamical behaviour. Bulletin of Mathematical Biology 67: 115-135. The European Parliament and the Council of the European Union 2009. Directive 2009/128/EC of the European Parliament and of the Council of 21 October 2009 establishing a framework for Community action to achieve the sustainable use of pesticides. Official Journal of the European Union L 309/71. Vermeulen, T. & Kamstra, A. 2012. The need for systems design for robust aquaponic systems in the urban environment. In International Symposium on Soilless Cultivation 1004: 71-77. Vincent, C., Weintraub, P. & Hallman, G. 2009. Physical control of insect pests. In V.H. Resh & R.T. Cardé (eds.) Encyclopedia of Insects (2nd edition), pp. 794-798. Academic Press, San Diego. 190 9. ÜBERWACHUNG (MONITORING) 9.1 Einführung in das Monitoring 9.1.1 Wissenschaftliche Parameter Ein wissenschaftlicher Parameter ist ein definierbares oder messbares Merkmal oder ein Wert, der aus einem Satz von Daten ausgewählt wird. Eine Variable ist jeder Faktor, jedes Merkmal oder jede Bedingung, die in unterschiedlichen Mengen oder Typen vorliegen können. In der experimentellen Wissenschaft gibt es normalerweise drei Arten von Variablen: unabhängig, abhängig und kontrolliert. Die unabhängige Variable ist diejenige, die der Experimentator verändert, um eine Reaktion oder einen Effekt zu messen oder zu beobachten. Die abhängige Variable ist die gemessene Reaktion auf die Änderungen, die an der unabhängigen Variablen vorgenommen wurden. Die kontrollierten Variablen sind die Variablen, die sich während des Experiments nicht verändern bzw. konstant gehalten werden. Lassen Sie uns diese Variablen mit einem imaginären Experiment unter Verwendung eines AquaponicSystems veranschaulichen. Wir sind daran interessiert, wie die Gesamtmasse der Fische die Ammoniakproduktion in dem Fischbehälter (der an eine Hydroponik angeschlossen ist) beeinflusst. Die Ammoniakkonzentration wird sowohl im Fischbecken als auch in der Hydroponik in g/L gemessen. Die Futtermenge und die -rate bleiben konstant, während die Bestockung der Fischbecken, und damit die Gesamtmasse variiert. In diesem imaginären Experiment ist die Gesamtmasse der Fische die unabhängige Variable (das ist es, was wir ändern), und die Ammoniakkonzentration ist die abhängige Variable (das ist es, was uns interessiert - es ist das, was wir als Antwort auf die Veränderung der Fischmasse messen). Variablen, wie z.B. die Futtermenge, die Fütterungsrate, die Zeitintervalle zwischen den Fütterungen, die Zeitintervalle zwischen der Veränderung der Gesamtmasse der Fische, die Wassertemperatur im Fischbecken, die Wassertemperatur in der Hydroponik, die Oberfläche des Biofilters, die Anzahl der Pflanzen in der Hydrokulturanlage usw. müssen konstant gehalten werden, um nur die Auswirkungen der Veränderung der Gesamtmasse der Fische auf die Ammoniakproduktion zu messen, und sie sind daher die kontrollierten Variablen. Es ist wichtig zu beachten, dass wissenschaftliche Experimente (oder Messungen desselben Parameters bei der Überwachung) in Vielfachen, normalerweise Triplikaten, durchgeführt werden, um empirische Daten oder die beobachteten Ergebnisse zu validieren. Drei Replikationen reichen in der Regel aus, um mögliche Ausreisser auszuschliessen (wenn die beiden anderen Messungen übereinstimmen). Um die Genauigkeit des Ergebnisses zu verbessern, wird dann ein Mittelwert (in der Statistik als arithmetisches Mittel bezeichnet) aus solchen Messungen gebildet. Die Standardabweichung (SD) der drei Replikate sollte ebenfalls berechnet werden, um über die Variabilität der Daten zu berichten. Eine geringe Standardabweichung ist vorzuziehen. Vergessen Sie nicht, Einheiten in Ihre Messungen einzubeziehen. Die Gleichungen für die Berechnung des arithmetischen Mittels und der Standardabweichung sind unten dargestellt. 191 Die Gleichung für die Berechnung des arithmetischen Mittels: ¯ Wobei gilt: 𝑥𝑥 = 𝑥𝑥1 + 𝑥𝑥2 + 𝑥𝑥3 + ⋯ + 𝑥𝑥𝑛𝑛 𝐾𝐾 𝑥𝑥 = arithmetisches Mittel 𝑥𝑥1 , 𝑥𝑥2 , 𝑥𝑥3 , 𝑥𝑥𝑛𝑛 = Einzelwerte im Datensatz 𝐾𝐾 = die Anzahl der Datenpunkte im Datensatz (die Anzahl der x-Werte) Die Gleichungen für die Berechnung der Standardabweichung: ¯ Wobei gilt: ∑(𝑥𝑥 − 𝑥𝑥 )2 𝑆𝑆𝑆𝑆 = � 𝐾𝐾 − 1 𝑆𝑆𝑆𝑆 = Standardabweichung (standard deviation) Σ = Summationssymbol 𝑥𝑥 = jeder einzelne Wert im Datensatz 𝑥𝑥 = arithmetisches Mittel 𝐾𝐾 = die Anzahl der Datenpunkte im Datensatz (die Anzahl der ‘x’ -Werte) 9.1.2 Warum soll Aquaponik überwacht werden? Die Notwendigkeit der Überwachung in der Aquaponik ergibt sich aus zwei Gesichtspunkten: Gesetzgebung und Management. Der ganzheitliche Charakter der Aquaponik bewirkt, dass sie in mehrere verschiedenen legislativen Kategorien fällt, was die Politik auf EU-Ebene betrifft. Die Gemeinsame Fischereipolitik (GFP) und die Gemeinsame Agrarpolitik (GAP) sowie die Regelungen zur Lebensmittelsicherheit, zur Tiergesundheit und zum Tierschutz, zur Pflanzengesundheit und zur Umweltgesetzgebung kommen je nach den operationellen Merkmalen des Systems zur Anwendung. Zu den Gesetzen und Vorschriften, die bei der Aquaponik-Produktion zu beachten sind, gehören in Europa unter anderem: • Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EG) (WRRL) - Die WRRL legt unter anderem die Regeln für die Überwachung, Probenahme und Analyse von Abwassereinleitungen in Wasserläufe fest. Sie verlangt von den Mitgliedstaaten auch, dass sie in ihrem Land ein Überwachungssystem einrichten, das häufig Inspektionen an den Einleitungsstellen zur Analyse der Abwässer umfasst. • In der Nitratrichtlinie (91/676/EWG) sind die Parametergrenzwerte für Abwässer, die eingeleitet werden können, festgelegt • Vorschriften zur Lebensmittelsicherheit, die in Kapitel 10 dieses Lehrbuchs ausführlicher behandelt werden 192 • Vorschriften zum Tierschutz und zur Fischgesundheit, wie die Richtlinie 91/496/EWG, die die Grundsätze für die Organisation der Veterinärkontrollen von aus Drittländern in die EU eingeführten Tieren festlegt In den meisten Ländern werden die Regierungsbehörden Hilfe anbieten, um den Betreib der Aquaponik im Einklang mit dem Gesetz zu halten, und die Betreiber sollten sich daher bei den zuständigen Behörden umfassend über ihre spezifische Situation informieren (Joly 2018). Die regelmässige Überwachung der Parameter ist ein unverzichtbarer Teil des Betriebs und der Wartung eines Aquaponiksystems. Die Überwachung der Wasserqualität und der Gesundheit der Fische und Pflanzen zeigt, wie gut das System funktioniert, was erhebliche Kostenvorteile hat. Gute Aufzeichnungen der Messungen sind bei der Beobachtung von Trends und der Problemdiagnose sehr hilfreich. Es ist wichtig, alle Messungen aufzuzeichnen. Parameter wie Ammoniak, Nitrit, gelöster Sauerstoff und der pH-Wert können einen Hinweis darauf geben, ob das System unterdurchschnittliche Leistungen erbringt. Die Identifizierung des problematischen Parameters (d.h. ausserhalb des gewünschten Bereichs) hilft dem Betreiber, das Problem schnell zu beheben und die Funktion des Systems wieder auf ein optimales Niveau zu bringen. 9.1.3 Verschiedene Ansätze der Überwachung Die Überwachungsansätze zur Prüfung der Qualität von Aquaponikwasser reichen von sehr einfach und preiswert bis hin zu komplexen und teuren Analysegeräten. Die einfachste und billigste Methode ist die Verwendung von Teststreifen, die man in das Wasser taucht. Die Streifen enthalten ein Reagenz, das bei Kontakt mit dem Wasser seine Farbe ändert. Die entstehende Farbe kann mit der beigelegten Farbkarte verglichen werden, die ein relativ genaues Mass für die vorhandene Menge der getesteten Substanz spiegelt. Die Streifen können jedoch in der Regel nur für einen begrenzten Bereich verwendet werden. Einige Teststreifen für den pH-Wert funktionieren beispielsweise nur in einem pH-Bereich von 5.0 bis 8.0. Wenn der pH-Wert im Wasser unter 5.0 oder über 8.0 liegt, können die Teststreifen falsche Ergebnisse liefern. Diese Kits sind meist preiswert und einfach zu verwenden. Da es sich jedoch um Verbrauchsmaterialien handelt, müssen die Lagerbestände ständig aufgefüllt werden. Die nächste Stufe in Bezug auf Komplexität und Kosten sind Tests mit chemischen Reagenzien und einer Farbkarte. Hier wird die Probe in ein kleines Reagenzröhrchen gegeben und die Reagenzientröpfen werden gemäss den Anweisungen hinzugefügt. Es kommt zu einer Reaktion, und die Farbe der Lösung im Reagenzglas wird mit der beigelegten Farbkarte verglichen. Der Preis dieser Tests variiert. Eine präzisere und fortschrittlichere Version dieser Tests misst die Farbe mit Spektralphotometern. Die Spektrometrie ist eine Methode zur quantitativen Analyse, bei der die Absorption von Licht genutzt wird. Normalerweise wird eine Wasserprobe zentrifugiert oder filtriert, um suspendierte Feststoffe zu 193 entfernen, und ein für den gewünschten Test spezifisches Reagenz wird zugegeben. Dieses wird dann zur Analyse in ein Spektrophotometer gegeben. Der vom Spektrophotometer angegebene Messwert kann dann mit bekannten Standardkurven für diesen bestimmten chemischen Parameter in Beziehung gesetzt werden, um eine Konzentration zu erhalten. Einige Hersteller bieten auch Testkits für eine schnellere Analyse an, ohne dass Kalibrierungskurven verwendet werden müssen (bzw. diese sind bereits «eingebaut»). Diese sind für eine Vielzahl von Wasserqualitätsparametern verfügbar. Der fortschrittlichste und teuerste Ansatz zur Überwachung beinhaltet die Verwendung von Sonden und elektronischen Messgeräten. Diese existieren in Einzelparameter- oder in Mehrfachkonfigurationen. Die Sonden werden an ein digitales elektronisches Messgerät angeschlossen und in das Wasser getaucht. Auch im Inneren des Fischbeckens können kontinuierliche Online-Monitore installiert werden, wobei eine Sonde ständig in Kontakt mit dem Wasser steht. Sie kosten im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Tests mehr, sind jedoch in der Regel die genauesten und haben den grössten Messbereich (Klinger-Bowen et al. 2011). Der gewählte Monitoringkonzept hängt mit der Grösse und der Produktivität des Aquaponiksystems zusammen. Professionelle kommerzielle Systeme verwenden normalerweise kontinuierliche OnlineMonitore für gelösten Sauerstoff (DO), Wasserstand und Stromversorgung. Die kleinen oder Hobbysysteme benutzen meist die einfachsten und billigsten Ansätze wie Teststreifen oder auch nur eine visuelle Inspektion der Wassertrübung, der Sauerstoffversorgung des Biofilters, der Pflanzen- und Fischgesundheit. 9.1.4 Klassifizierung der Monitoringparameter Die Parameter, die in einem Aquaponiksystem überwacht werden müssen, sind die Wasserqualität, die Gesundheit der Fische und die Gesundheit der Pflanzen, und sie können in die folgenden Typen klassifiziert werden: chemisch, physikalisch und biologisch. Chemische Parameter haben mit der Qualität des Wassers zu tun und umfassen pH-Wert, gelösten Sauerstoff (DO), Ammoniak, Nitrit, Nitrat, Phosphorgehalt und Wasserhärte. Zu den physikalischen Parametern gehören Wasser- und Lufttemperatur, relative Luftfeuchtigkeit und UV-Lichtintensität. Biologische Parameter bieten einen direkten Einblick in die Systemleistung und umfassen alles, von der Masse und Gesundheit der Fische, Masse und Gesundheit der Pflanzen, Nährstoffmangel der Pflanzen, Algenverunreinigung und andere mikrobiologische Parameter. Jeder Organismus in einer Aquaponikeinheit - die Fische, die Pflanzen und die Bakterien im Biofilter - hat einen spezifischen Toleranzbereich für jeden physikalischchemischen Parameter (Tabelle 1). Die Toleranzbereiche sind für alle drei Organismengruppen zwar relativ ähnlich, aber es besteht trotzdem die Notwendigkeit eines Kompromisses (Somerville et al. 2014a). Das Ziel ist die Erhaltung eines gesunden Ökosystems mit physikalisch-chemischen und anderen Parametern, die die Anforderungen an den gleichzeitigen Anbau von Fisch, Gemüse und Bakterien erfüllen. Es gibt Situationen, in denen die Wasserqualität aktiv manipuliert werden muss, um diese Kriterien zu erfüllen und damit eine gute Funktion des Systems zu gewährleisten. 194 Tabelle 1: Optimale Bereiche einiger Parameter für Fische (Warm- und Kaltwasser), Pflanzen und nitrifizierende Bakterien Organismus-Typ Temperatur (oC) pHWert Ammoniak (mg/L) Nitrit Nitrat DO (mg/L) (mg/L) (mg/L) Warmwasserfisch e 22-32 6-8.5 <3 <1 <300 4-6 Kaltwasserfische 10-18 6-8.5 <1 <0.2 <300 6-8 Pflanzen 16-30 5.5-6.5 <30 <1 - >3 Bakterien 14-34 6-8.5 <3 <1 - 4-8 9.1.5 Häufigkeit der Überwachung Die Monitoring-Häufigkeit variiert je nach dem überwachten Parameter. Generell gilt, dass neue Analgen (bei der Erstbestockung mit Pflanzen und Tieren) täglich getestet werden sollten, damit bei Bedarf schnell Anpassungen vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann die Fütterung reduziert, die Belüftung erhöht oder das Wasser bei hohen Ammoniakwerten verdünnt werden. Sobald die Nährstoffzyklen stabil sind (nach mindestens 4 Wochen ohne nennenswerte Parameterschwankungen), reicht in der Regel ein wöchentliches Monitoring. Wenn jedoch bei täglichem Rundgang ein Problem vermutet wird (Veränderung des Aussehens oder Verhaltens der Fische, Mangelindikatoren bei Pflanzen), sollte die Wasserqualität wieder häufiger überwacht werden. Daher ist eine tägliche Überwachung der Gesundheit der Fische und Pflanzen unerlässlich, um mögliche Probleme frühzeitig zu erkennen. Es ist auch sehr wichtig, eine gute Aufzeichnung der Überwachungsparameter zu führen, z.B. Aussehen und Verhalten der Fische (normal/unüblich), Aussehen der Pflanzen (normal/ungesundes Aussehen) und wasserchemische Parameter (pH, DO, Ammoniak, Nitrite, Nitrate). Auf diese Weise kann die Ursache eines potenziellen Problems leichter identifiziert werden, und falls das Problem erneut auftritt, kann die zuvor gut funktionierende Änderung schnell umgesetzt werden (Sallenave, 2016; Somerville et al. , 2014a). Ein Beispiel für ein Datenlogbuch ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 1: Ein Beispiel für eine Monitoringprotokoll-Tabelle. SS in der Tabelle steht für 'Musterstandort'. 195 9.2 Wichtige Parameter in der Aquaponik Neben der Überwachung der allgemeinen physikalisch-chemischen Parameter, die für die Aufrechterhaltung der Wasserqualität in Aquaponik wichtig sind, und der biologischen Parameter, die die Leistung des Systems anzeigen und mögliche Probleme mit der Wasserqualität aufzeigen, ist es auch notwendig, die Leistung der Technologie (Filter, Wasser, Luftpumpen usw.) regelmässig zu überprüfen. 9.2.1 Technik Entfernung von Feststoffen BETRIEBSVERFAHREN: Eine wichtige Überlegung bei der Aquaponik ist die Entfernung grosser Partikel und die Reduzierung der Verweilzeit dieser Partikel. Zu diesen Partikeln gehören nicht gegessene Nahrung, Fischabfälle sowie anderes biologische Material, wie z.B. Pflanzenpartikel. Sie können sich negativ auf chemische Parameter wie pH-Wert und DO auswirken. Mechanische Filtration (physikalische Siebe und Filter) sollen zuerst kontrolliert werden, um eine effiziente Entfernung von Partikeln zu ermöglichen. Die visuelle Inspektion der Siebe und Filter ist oft die beste Methode zur Überprüfung. Es ist wichtig, dass die Partikel schnell entfernt werden, um zu verhindern, dass sie in kleinere Stücke zerfallen, was die Zeit bis zur Entfernung verlängert und zu einem erhöhten Sauerstoffbedarf aufgrund einer erhöhten Nährstoffbelastung (Thorarinsdottir et al. 2015) führt. Die Siebe sollten häufig gereinigt werden, um sicherzustellen, dass der Schmitz entfernt wird. MONITORING: Bei kleineren Partikeln ist ein nützliches Mass die Wasserklarheit, auch bekannt als Trübung, obwohl dies je nach der verwendeten Methode eine subjektive Messung sein kann. Es wird gemessen, wie gut das Licht durch das Medium (Wasser) übertragen wird. Die Hauptursache für Trübungen sind häufig Schwebstoffe, die als Gesamtschwebstoffe (TSS) bestimmt werden. Diese werden als Trockengewicht gemessen. Zunächst wird eine definierte Wassermenge aus dem System entnommen. Dies sollte relativ zur Trübung des Wassers sein, meist reicht 1 L aus. Bei mit sehr trüben bzw. Schwebstoffen beladenem Wasser soll die Probe kleiner, und umgekehrt, bei klarem Wasser grösser sein. Die Wasserprobe wird durch ein vorgewogenes Filterpapier mit einer bestimmten Porengrösse filtriert. Die Feststoffe bleiben auf dem Filterpapier, das gewogen werden kann, wenn es vollständig getrocknet ist (d.h. wenn das Papier nach fortgesetztem Trocknen nicht mehr an Gewicht verliert). Das erhöhte Gewicht des Filterpapiers liefert ein Mass für die Menge der vorhandenen Partikel, die in mg/L oder kg/m3 (Reis et al. 2012) ausgedrückt werden kann (Tabelle 2). VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Manchmal stellt sich heraus, dass sich grosse Rückstände mit einer Geschwindigkeit ansammeln, die die Fähigkeit der Filter, sie zu entfernen, übersteigen. In solchen Fall sollte ein erhöhter Reinigungsplan implementiert werden. Filter sollten daher regelmässig überprüft werden, um sicherzustellen, dass keine Verstopfungen vorliegen, oder wenn möglich sollten Siebgrößen reduziert werden, um kleinere Partikel einzufangen. 196 Tabelle 2: Das Verfahren für Messungen von suspendierten Feststoffen Nr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Verfahren Das Filterpapier auf 0.1 mg genau einwiegen Die Filtrationsvorrichtung aufstellen, einen Filter einsetzen und mit einer Vakuumpumpe ein Vakuum anlegen, um das Wasser durch den Filter zu ziehen. Befeuchten Sie das Filterpapier mit einer kleinen Menge deionisiertem Wasser (DI). Schütteln Sie die Probe kräftig und messen Sie dann das vorgegebene Probenvolumen mit einem Messzylinder aus. Spülen Sie den Messzylinder und den Filter mit drei 20 mL Volumen DI-Wasser, um eine vollständige Entleerung zwischen den Wäschen zu ermöglichen. Setzen Sie das Ansaugen mit der Vakuumpumpe für drei Minuten fort, nachdem die Filtration abgeschlossen ist. Den Filter vorsichtig auf eine Aluminium-Wägeschale legen und den Filter auf eine Keksplatte oder ein ähnliches Gerät legen. Die Filter in einen auf 104 ± 1 ⁰C eingestellten Ofen stellen, und mindestens eine Stunde trocknen lassen. Nehmen Sie die Filter aus dem Ofen und legen Sie sie in einen Exsikkator, um sie auf Raumtemperatur abzukühlen. Wägen Sie einen Probenfilter auf 0,1 mg genau ein. Anmerkungen Erfassen Sie die Masse als Masse 1 Zeichnen Sie das gefilterte Volumen auf Tragen Sie die Masse als Masse 2 ein und wenden Sie die folgende Gleichung an: TSS (mg/L) = (Masse 1 - Masse 2) / Probenvolumen Biofiltration BETRIEBSVERFAHREN: Die mechanische Funktion der Biofiltereinheit sollte täglich überprüft werden, um sicherzustellen, dass das Belüftungssystem ordnungsgemäss funktioniert und Luftblasen sichtbar sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bakterienkolonien mit Luft versorgt werden. Licht sollte vom Biofilter ausgeschlossen werden, da dies das Algenwachstum fördern kann. Es sollte sichergestellt werden, dass freie Wasseroberflächen, d. h. über den Aquarien sowie an der Pflanzeneinheit, mit lichtdichten Abdeckungen bedeckt sind. Auf den Biofiltermedien kann sich auch Schlamm ansammeln. Daher sollten wöchentliche Überprüfungen durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass sich die Ablagerungen auf einem akzeptablen Niveau befinden. Andernfalls kann die Effizienz des Systems beeinträchtigt werden. ÜBERWACHUNG: Die beste Möglichkeit, die Funktion des Biofilters zu überwachen, ist die Analyse des Wassers auf Ammonium-, Nitrit- und Nitratwerte, um sicherzustellen, dass diese in optimalen Bereichen für die Zielarten gehalten werden und um die lokalen und EU-Gesetze einzuhalten. Die Konzentrationen von Ammonium, Nitrit und Nitrat werden in der Regel mit speziellen elektronischen Sonden oder aber mit photometrischen Tests gemessen. Die Ergebnisse können dann mit den Zielwerten verglichen werden. 197 VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Es gibt mehrere Schritte, die unternommen werden müssen, wenn hohe Ammonium- oder Nitritwerte festgestellt werden. Zunächst muss festgestellt werden, ob der Biofilter eine geeignete Sauerstoffversorgung hat und frei von Schlamm ist. Der pH-Wert sollte genau überwacht werden, da Ammonium bei höheren pH-Werten in giftiges Ammoniak (NH3) umgewandelt wird und für Fische besonders schädlich ist. Siehe Tabelle 3 in Kapitel 5. Die Fische sollten dann einige Tage lang weniger gefüttert werden, um zu verhindern, dass zu viel Ammonium in Form von Fischabfällen in das System gelangt. Dies verringert die Verfügbarkeit von Ammonium, begrenzt das Wachstum von Nitrosomonas und ermöglicht den Nitrobakter-Kolonien überschüssige Nitrite in Nitrate umzuwandeln. Ammoniak und Nitrit können auch die Sauerstoffaufnahme in Fischen beeinträchtigen. Daher sollten die Sauerstoffkonzentrationen im Aquarium optimal gehalten werden. Wenn die Fische gefährdet sind, soll das System NICHT mit Süsswasser gespült werden, wie manche Authoren es vorschlagen (Thorarinsdottir et al. 2015). Siehe dazu auch Kapitel 12.8.2. Bildung von Biofilmen BETRIEBSVERFAHREN: Nicht zu unterschätzen ist die Bildung von Biofilmen, die Systemkomponenten wie Rohre oder Auslässe verstopfen oder dazu führen können, dass automatische Sensoren fehlerhafte Messungen durchführen. Daher sollten Biofilme regelmässig überprüft und entfernt werden (wöchentliche Reinigung wird empfohlen). VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Wenn beispielsweise nur ein Sensor des Systems bei einem Sauerstoffalarm einen zu niedrigen / zu hohen Wert anzeigt, hat sich möglicherweise ein Biofilm auf dem entsprechenden Sensor gebildet, was zu falschen Messungen führt. Es wurde beobachtet, dass mit zunehmendem Biofilm die Werte für EC und Sauerstoff kontinuierlich abnehmen. Im Alarmfall müssen trotzdem sofort Massnahmen ergriffen werden. Es darf nicht davon ausgegangen werden, dass die Messung auf eine Biofilmbildung am Sensor zurückzuführen ist. Wasser- und Luftpumpen BETRIEBSVERFAHREN: Die mechanischen Geräte, die gelösten Sauerstoff und Bewegung liefern, müssen häufig überprüft werden (Tabelle 3), um sicherzustellen, dass diese ordnungsgemäss funktionieren. Wasserpumpen erzeugen in Aquaponiksystem eine Strömung, die Nährstoffe und Sauerstoff im Kreislauf transportiert. Sie transportiert auch Abfallprodukte zu den Filtern, damit sie entfernt werden können. Wenn Pumpen nicht gut funktionieren, führt das zu einer verminderten Produktion. Ohne ausreichende Belüftung werden die Fische und Pflanzen sterben. Daher muss sichergestellt werden, dass die Luftpumpen korrekt funktionieren. Dies kann visuell geschehen, indem man sicherstellt, dass ein stetiger Strom von Blasen aus den Belüftern kommt. Eine Verringerung des gelösten Sauerstoffs (DO) kann ebenfalls ein Hinweis auf ein Problem sein. Wenn Probleme auftreten, sollte ein entsprechend ausgebildeter Ingenieur gesucht werden, um das Problem zu beheben. 198 Siebe Siebe bilden eine physische Barriere zwischen Pumpen, Filtern und in einigen Fällen auch der Aussenwelt. Fische, die aus Aquaponik entweichen, können Geräte und Filter beschädigen und im Extremfall dazu führen, dass nicht einheimische Arten in ein natürliches Ökosystem gelangen. Es ist wichtig, dass geeignete Standorte für Siebe identifiziert werden. Dazu gehören Pumpen, Eingangsströme für Filter und Rohre, in denen Wasser in das System ein- und ausaustritt. BETRIEBSVERFAHREN: Die Siebe sollten täglich auf Verschleisserscheinungen überprüft und beschädigte oder verschlissene Siebe mit geeigneten Ersatzteilen ersetzt werden. Tabelle 3: Aufgaben im Zusammenhang mit einem Umlaufsystem Täglich: • Beobachten Sie den Wasserfluss an mehreren Stellen des Systems (das Wasser muss ständig zirkulieren) • Überprüfen Sie das Wasserpumpenintervall; kürzeres Intervall = besserer Wasserfluss • Stellen Sie sicher, dass die Wasserpumpe mit den Ventilen synchronisiert ist, durch die das Wasser in die Fischbecken und die Hydroponikeinheit gelangt • Stellen Sie sicher, dass keine Überläufe verstopft sind (z. B. durch Fischschlamm, nicht gefressenes Futter, Pflanzenmaterial oder durch Systemteile). Saisonbedingt: • Überprüfen Sie die Funktion der Wasserpumpe und des Belüftungssystems • Reinigen Sie die Pumpe(n), das Belüftungssystem, die Leitungen und die Hydroponikeinheit • Überprüfen Sie den Zustand der Rohre und Ventile • Reinigen Sie regelmässig den Vorfilter der Wasserpumpen • Tauschen Sie regelmässig die Membranen und Verschleißteilen in Luftpumpen Abkoppelung der Hydroponik Im Falle einer Kontamination in einem Systembereich ist es vorteilhaft, wenn der betroffene Systemteil leicht vom Rest des Systems getrennt werden kann (z. B. eine Pumpe ausstecken). Dies kann sichergestellt werden, indem die Hydroponik- und Aquakultureinheit beispielsweise durch einen Pumpensumpf, der die beiden Systemschleifen verbindet, verbunden werden. Es ist wichtig, dass sich alle Systemkomponenten für die Wasseraufbereitung im Aquakulturteil befinden, d. H. vor dem Pumpensumpf, damit die Wasserqualität für die Fische sichergestellt werden kann. FEHLERSUCHE: Am wichtigsten ist es, dass die Fische geschont werden, falls im Hydroponikbereich eine Kontamination auftritt, beispielsweise aufgrund des unsachgemässen Pestizideinsatzes. Es kann aber auch umgekehrt vorteilhaft sein, wenn Fische wegen Krankheit mit Salz behandelt werden müssen. Während der Entkopplungsphase kann das Wasser des Hydroponiksystems mit organischen Düngemitteln gedüngt werden, die für Fische unschädlich sind. Ddenken Sie immer daran, dass die beiden Systemschleifen so schnell wie möglich wieder miteinander verbunden werden sollten. 199 9.2.2 Wasserqualität Der Begriff Wasserqualität umfasst alles, was die für die Erhaltung gesunder Fische und Pflanzen erforderlichen Bedingungen beeinträchtigt. Die Aufrechterhaltung einer guten Wasserqualität in einem Aquaponik-System ist von äusserster Wichtigkeit. Wasser ist das Medium, durch das alle Makround Mikronährstoffe zu den Pflanzen transportiert werden, und das Medium, durch das die Fische Sauerstoff erhalten; daher wird es die Produktivität und Lebensfähigkeit des Systems direkt beeinflussen. Es gibt fünf Schlüsselparameter der Wasserqualität, die für eine genaue Überwachung im System entscheidend sind: gelöster Sauerstoff (DO), Säuregehalt (pH), Wassertemperatur, Stickstoffverbindungen (Ammoniak, Nitrit und Nitrat) und Wasserhärte. Auch andere Parameter müssen überwacht werden, um ein gesundes, ausgewogenes System zu erhalten, wie z.B. Phosphor und andere Nährstoffe, Algenverunreinigung, Schwebstoffe, Kohlendioxidkonzentration usw. Allerdings können diese Parameter in einem ausgewogenen System weniger häufig überwacht werden (Somerville et al. 2014a; Thorarinsdottir et al. 2015). Gelöster Sauerstoff (dissolved oxygen, DO) Gelöster Sauerstoff beschreibt die Menge an molekularem Sauerstoff im Wasser und wird üblicherweise in Milligramm pro Liter (mg/L) gemessen. Wenn die DO-Werte nicht ausreichen, stehen die Fische unter Stress oder leiden unter einem langsamen Wachstum und könnten sterben. Die DOAnforderungen unterscheiden sich für Warm- und Kaltwasserfische. Barsche und Welse zum Beispiel, die zu den Warmwasserarten gehören, benötigen etwa 5 mg/L für ein maximales Wachstum, während Forellen, ein Kaltwasserfisch, etwa 6,5 mg/L DO benötigen. Hohe DO-Werte werden auch von den nitrifizierenden Bakterien im Biofilter benötigt, die für die Umwandlung von Fischabfällen in Pflanzennährstoffe unerlässlich sind. DO beeinflusst daher indirekt auch das Pflanzenwachstum. Ausserdem benötigen Pflanzen einen hohen DO-Gehalt (> 3 mg / l), was es der Pflanze erleichtert, Nährstoffe über ihre Wurzeloberflächen zu transportieren und assimilieren. Darüber hinaus können bei niedrigem Sauerstoffgehalt Pflanzenwurzelpathogene auftreten. Es wird empfohlen, die DO-Werte in einen Aquaponik bei 5 mg/L oder höher zu halten. MONITORING: In einem neuen System sollte der Sauerstoffgehalt häufig gemessen werden, aber sobald die Prozeduren standardisiert sind (z.B. wenn der richtige Fischbesatz und die richtige Fütterungsrate erreicht sind und für eine ausreichende Belüftung gesorgt wird), ist es nicht mehr so oft notwendig, den DO zu messen. Die Überwachung von DO kann eine Herausforderung sein, da die Messgeräte sehr teuer sein können. Es gibt einige Aquarienkits, die Reagenzien zum Testen des DOGehalts enthalten, aber der zuverlässigste Ansatz ist die Verwendung von DO-Sonden mit elektronischen Messgeräten oder Online-Monitoren. In einer kleinen Einheit könnte es ausreichen, stattdessen häufig das Verhalten der Fische, das Wasser und die Luftpumpen zu überwachen. Wenn die Fische bei sauerstoffreichem Oberflächenwasser an die Oberfläche kommen, deutet dies darauf hin, dass die DO-Werte im System zu niedrig sind. Stellen Sie sicher, dass die Wasser- und Luftpumpen ständig zirkulieren und das Wasser belüften. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Niedrige DO-Werte sind normalerweise kein Problem für HobbyAquaponik-Züchter, die niedrige Fischbesatzraten haben. Das Problem tritt eher in Betrieben mit hoher Besatzdichte auf. Wenn die DO-Werte in Ihrem System zu niedrig sind, erhöhen Sie die Belüftung durch Hinzufügen von mehr Luftsteinen oder durch Umschalten auf eine grössere Pumpe. Es besteht keine 200 Gefahr, dass zu viel Sauerstoff hinzugefügt wird; wenn das Wasser gesättigt ist, wird der zusätzliche Sauerstoff einfach in die Atmosphäre verteilt. Beachten Sie, dass die DO-Werte eng mit der Wassertemperatur verbunden sind. Kaltes Wasser kann mehr Sauerstoff enthalten als warmes Wasser, daher ist bei wärmerem Wetter die Überwachung von DO oder die präventive Erhöhung der Belüftung unerlässlich. Der Sauerstoffverbrauch hängt auch mit der Grösse der Fische zusammen: kleinere Fische verbrauchen wesentlich mehr Sauerstoff als grosse Fische. Diese Tatsache muss beim Aufbau des Systems und beim Besatz mit kleinen Fischen berücksichtigt werden (Sallenave 2016; Somerville et al. 2014a). Wenn im Wasser der Hydroponikeinheit niedrige Sauerstoffwerte festgestellt werden, kann dies durch die Installation einer Luftpumpe behoben werden. pH-Wert Der pH-Wert einer Lösung ist ein Mass dafür, wie sauer oder alkalisch sie auf einer Skala von 1 bis 14 ist. pH 7 ist neutral, pH <7 ist sauer und pH >7 ist alkalisch. pH ist definiert als die Menge oder die Aktivität von Wasserstoffionen (H+) in einer Lösung: 𝑝𝑝𝐻𝐻 = −𝑙𝑙𝐾𝐾𝐿𝐿 (𝐻𝐻 + ) Die Gleichung zeigt, dass der pH-Wert mit steigender Wasserstoffionen-Konzentration sinkt. Dies bedeutet, dass saures Wasser einen hohen H+-Gehalt und damit einen niedrigen pH-Wert aufweist. Der pH-Wert des Wassers ist ein besonders wichtiger Parameter für Pflanzen und Bakterien. Bei Pflanzen steuert der pH-Wert die Verfügbarkeit von Nährstoffen. Bei einem pH-Wert von 5.5-6.5 sind alle Nährstoffe für die Pflanzen leicht zugänglich, aber ausserhalb dieses Bereichs wird es schwierig (Abbildung 2). Selbst eine Abweichung des pH-Wertes auf 7.5 oder mehr kann zu einem Mangel an Eisen, Phosphor und Mangan in Pflanzen führen. Siehe auch Abbildung 10 in Kapitel 5. Abbildung 2: Der Einfluss des pH-Wertes auf die Nährstoffverfügbarkeit für Pflanzen. Von FMoeckel [Öffentlicher Bereich], aus Wikimedia Commons 201 Nitrifizierende Bakterien sind nicht in der Lage, Ammoniak bei einem pH-Wert von 6,0 oder darunter in Nitrat umzuwandeln. Dadurch wird die Biofiltration weniger erfolgreich, und die Ammoniakwerte könnten anfangen zu steigen. Fische haben einen pH-Toleranzbereich von etwa 6,0 bis 8,5. Um die Bedürfnisse aller drei Organismen (Pflanzen, Fische und Bakterien) zu befriedigen, sollte der pH-Wert im Aquaponik-System irgendwo zwischen 6,0 und 7,0 gehalten werden. Bestimmte Ereignisse oder Prozesse im Aquaponik beeinflussen den pH-Wert, so dass er nicht konstant bleibt. Diese Prozesse sind Nitrifikation, Fischbesatzdichte und Phytoplanktonkontamination. Bei der Nitrifikation produzieren die Bakterien geringe Konzentrationen an Salpetersäure (HNO3) und der pHWert wird gesenkt. Die Fischbesatzdichte beeinflusst auch den pH-Wert des Systems. Wenn Fische atmen, produzieren sie CO2, das ins Wasser abgegeben wird. Bei Kontakt mit Wasser wird CO2 in Kohlensäure (H2CO3) umgewandelt, wodurch auch der pH-Wert des Wassers gesenkt wird. Dieser Effekt ist bei höheren Fischbesatzdichten grösser. Phytoplankton ist im Allgemeinen immer im System vorhanden, obwohl hohe Mengen unerwünscht sind, da es mit den Pflanzen um die Nährstoffe konkurriert. Da das Phytoplankton Photosynthese betreibt, die das CO2 im Wasser verbraucht, erhöht sich der pH-Wert, vor allem tagsüber, wenn die Photosynthese maximal ist. Alles in allem säuert Aquaponik-Wasser im Allgemeinen an und der pH-Wert muss regelmässig überwacht und angepasst werden (Somerville et al. 2014a; Thorarinsdottir et al. 2015). ÜBERWACHUNG: Es gibt mehrere Methoden zur Überwachung des pH-Wertes. Am einfachsten und preiswertesten ist es, pH-Teststreifen zu verwenden, jedoch ist die Methode nur mässig genau. Die nächste Stufe der Genauigkeit umfasst die Verwendung von Wassertestsätzen. Die empfohlene und genaueste Methode ist jedoch die Verwendung von digitalen Messgeräten mit pH-Sonden und OnlineMonitoren zur kontinuierlichen Überwachung. Im Idealfall sollte der pH-Wert kontinuierlich oder zumindest täglich überwacht werden. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Es gibt mehrere Möglichkeiten, den pH-Wert im System zu erhöhen. Zu den häufigsten Methoden gehören: • Hinzufügen von NaHCO3, wann immer nötig. Lösen Sie NaHCO3 in etwas Wasser auf, geben Sie es allmählich ins Systemwasser und messen Sie den pH-Wert. Möglicherweise benötigen Sie bis zu 20 g pro 100 l Systemwasser. Fügen Sie nicht zu viel auf einmal hinzu, da dies den Fisch töten kann. • Zugabe von starken Basen, wie z.B. Calciumhydroxid (Ca(OH)2) oder Kaliumhydroxid (KOH). Lösen Sie die Pellets oder das Pulver in Wasser auf und geben Sie es nach und nach in das Fischbecken. In einigen Fällen ist das in das System zugeführte Wasser hart mit einem hohen pH-Wert, typischerweise in Regionen mit Kalk- oder Kreidegrund. Der pH-Wert kann auch steigen, wenn eine hohe Verdunstungsrate vorliegt oder wenn die Fischbesatzdichte nicht ausreicht, um genügend 202 Ammonium zu produzieren, um die Nitrifikation voranzutreiben. In diesen Fällen muss der pH-Wert durch Zugabe von Säure gesenkt werden. Die beste Praxis besteht darin, den pH-Wert des Reservoirwassers vor dem Fischtank zu senken, damit zuerst eine Verdünnung erfolgen kann. In diesem Fall kann Phosphorsäure (H3PO4), die eine relativ milde Säure ist, dem Reservoirwasser (niemals direkt in den Fischtank!) zugegeben werden (Thorarinsdottir et al. 2015). Wassertemperatur Die Wassertemperatur wirkt sich auf alle Aspekte einer Aquaponik aus. Jeder Organismus innerhalb des Systems hat seinen eigenen optimalen Wassertemperaturbereich, der bei der Auswahl der Fischarten und der Art der Kulturen berücksichtigt werden muss. Darüber hinaus sollte eine Kombination aus Fischen und Pflanzen gewählt werden, die der Umgebungstemperatur am Standort des Systems entspricht, da die Änderung der Wassertemperatur sehr energieintensiv sein kann. Die Temperatur wirkt sich sowohl auf den DO als auch auf die Toxizität (Ionisierung) von Ammoniak aus; hohe Temperaturen haben weniger DO und mehr gewerkschaftlich gebundenes (toxisches) Ammoniak. Hohe Temperaturen können auch die Aufnahme von Kalzium in Pflanzen einschränken. MONITORING: Die Wassertemperatur kann mit analogen oder digitalen Thermometern oder mit Temperaturfühlern überwacht werden. Bei Verwendung eines Online-Messgeräts ist die Temperaturüberwachung in der Regel im System enthalten. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Die Wasseroberflächen der Aquarien, Hydrokulturanlagen und Biofilter sollten durch Schattierungsstrukturen vor der Sonne geschützt werden. Ebenso kann das System durch eine Isolierung gegen kühle Nachttemperaturen geschützt werden. Alternativ gibt es Methoden zur passiven Erwärmung von Aquaponic-Einheiten unter Verwendung von Gewächshäusern oder Solarenergie mit aufgewickelten schwarzen Schläuchen, die vor allem bei Temperaturen unter 15 °C nützlich sind (Somerville et al. 2014a). Gesamtstickstoff (Ammoniak, Nitrit, Nitrat) Stickstoff ist ein entscheidender Parameter für die Wasserqualität. Die Summe, aus der nicht ionisierten toxischen Form und der nicht toxischen ionischen Form von Ammoniak wird als GesamtAmmoniakstickstoff (TAN) bezeichnet. TAN ist das, was die meisten kommerziellen AmmoniakTestsätze messen. In einer voll funktionsfähigen aquaponischen Anlage mit ausreichender Biofiltration sollten die Ammoniak- und Nitritwerte nahe bei Null liegen oder höchstens 0.25-1.0 mg/L betragen (siehe Kapitel 5). BETRIEBSVERFAHREN: Wasseranalysen auf Stickstoffverbindungen (TAN, NO2-, NO3-) sollten täglich oder mindestens wöchentlich durchgeführt werden, um Ammonium- und Nitritspitzen im Auge zu behalten. 203 Tabelle 4: Ziel-, Maximal- und Minimalwerte von Stickstoffverbindungen im Systemwasser Parameter Symbol Einheit Zielwert Untere Schwelle Obere Schwelle Gesamt-Ammoniak-Stickstoff TAN mg/L 0.0 - 1.0 Nitrit NO2- mg/L 0.0 - 0.2 Nitrat NO3- mg/L 0.0 - 300 ÜBERWACHUNG: Aquariensätze zur Messung von Ammoniak, Nitrit und Nitrat sind recht genau und kostengünstig. Für genauere Messungen werden Spektrophotometer, wie z.B. von Hach, Hanna Instruments oder Macherey-Nagel, kombiniert mit chemischer Laboranalyse eingesetzt. Zur Messung von Ammoniak, Nitrit und Nitrat stehen spektrometrische Testkits zur Verfügung. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Wenn Nitrit- oder Ammoniakspitzen auftreten, reduzieren Sie die Fisch-Futterration (aber hören Sie nicht auf zu füttern, weil damit die Mikroorganismen im Filter auch ausgehungert werden. Phosphor und andere Nährstoffe Nährstoffe spielen eine entscheidende Rolle für die Pflanzengesundheit, und eine Methode zur Überprüfung des Ernährungszustandes ist die Beobachtung der Pflanze in ihrer Gesamtheit und insbesonders das Pflanzengewebe. Veränderungen in der Form und Farbe der Blätter sowie das Welken können ein Hinweis auf bestimmte Nährstoffmängel sein, und es ist eine sofortige Untersuchung erforderlich, um das Überleben der Pflanze zu sichern. Im Folgenden werden die Anzeichen beschrieben, die Pflanzen zeigen können, wenn das Vorhandensein ihrer wichtigsten Nährstoffe eingeschränkt wird. Das optimale Nährstoffangebot ist von Kultur zu Kultur unterschiedlich, daher ist es wichtig, dass der Anwender mit dem optimalen Nährstoffangebot für die gewählte Kultur (Thorarinsdottir et al. 2015) vertraut ist. Phosphor (P): Mängel sind gekennzeichnet durch schlechtes Wurzelwachstum, Rötung der Blätter, sowie dunkelgrüne Blätter und verzögerte Reife. Die Blattspitzen der Pflanzen können auch verbrannt erscheinen (Thorarinsdottir et al. 2015). Kalium (K): Ein Mangel führt zu einer geringeren Wasseraufnahme und beeinträchtigt die Krankheitsresistenz. Anzeichen für Kaliummangel sind verbrannte Flecken auf älteren Blättern, Welken und die mangelnde Entwicklung von Blüten und Früchten (Thorarinsdottir et al. 2015). Kalzium (Ca): Mängel sind bei der Aquaponik recht häufig, und Anzeichen sind u.a. Spitzenbrand bei Blattpflanzen, Blüten- und Fäulnis an Fruchtpflanzen und unsachgemässes Wachstum von Tomaten (Thorarinsdottir et al. 2015). Magnesium (Mg): Die Mängel zeigen sich in der Regel als Farbveränderungen alter Blätter, wobei der Bereich zwischen den Adern gelb, steif und brüchig wird, bevor er abfällt. In der Aquaponik ist Magnesiummangel eher selten (Thorarinsdottir et al. 2015). 204 Schwefel (S): Beim Mangel kommt es in der Regel zu Farbveränderungen der neuen Blätter, wobei der Bereich zwischen den Adern gelb, steif und brüchig wird, bevor er abfällt. Es handelt sich um ein Problem, das in Aquaponik (Thorarinsdottir et al. 2015) nur selten auftritt. Eisen (Fe): Ein Eisenmangel zeigt sich, indem die Spitzen der Pflanzen und die ganzen Blätter der jungen Pflanzen gelb werden. Dies wird sich schliesslich in weiss mit nekrotischen Flecken verwandeln. Ein Mangel kann leicht erkannt werden, wenn man die Veränderungen an den neuen Blättern im Vergleich zu den alten Blättern feststellt. Neue Blätter wachsen und erscheinen weiss, während alte Blätter grün bleiben. Um die Aufnahme durch Pflanzen zu erleichtern, wird Eisen oft in seiner chelatierten Form in Konzentrationen von bis zu 2 mg/L zugesetzt. Eisen kann auch direkt mit einem Spray als Blattdüngung aufgetragen werden. Wenn Eisenmangel vermutet wird, muss man den pH-Wert überwachen, denn bei einem pH-Wert unter 8 kann Eisen aus dem Wasser ausfallen und die Pflanzenaufnahme wird verhindert. Eine gute Regel, die man befolgen sollte, ist die Zugabe von 5 mL Eisen pro 1 m2 Kulturpflanze. Eine (zu) hohe Eisenkonzentration schadet einem Aquaponik-System nicht, obwohl sie dem Wasser eine leichte Rotfärbung verleihen kann (Roosta et al. 2011; Thorarinsdottir et al. 2015). Zink (Zn): Infolge des Zinkmangels wird das Wachstum der Pflanzen verkümmert und sich als verkürzte Internodien und kleinere Blätter präsentieren. Generell ist die Zink-Toxizität ein grosses Problem bei Aquaponik, denn während Pflanzen einen Überschuss gut vertragen, können Fische dies nicht und es kann zu Todesfällen führen. Zink wird als Teil des Galvanisierungsprozesses von Fischbecken, Muttern und Bolzen usw. verwendet und ist in Fischabfällen enthalten. Mängel sind daher selten ein Problem. Der Zinkgehalt sollte zwischen 0,03 und 0,05 mg/L gehalten werden, da die meisten Fische bei 0,1 bis 1,0 mg/L gestresst werden und bei 4-8 mg/L zu sterben beginnen. Da Zink hauptsächlich durch die Beschichtung von Geräten in das System eingeführt wird, ist die beste Möglichkeit, den Zinkgehalt im Rahmen zu halten, die Verwendung von Alternativen zu verzinkten Geräten, wie z.B. Edelstahl oder Kunststoff (Storey 2018). Ausführliche Informationen finden Sie auch in Tabelle 9 in Kapitel 5. ÜBERWACHUNG: Obwohl die Überwachung von Pflanzengeweben einen Hinweis auf den Nährstoffzustand gibt, zeigt sie sich erst, wenn ein Mangel so weit fortgeschritten ist, dass sich ein Problem innerhalb der Kultur ergibt. Die beste Lösung ist daher eine konsequente Überwachung des Wassers (siehe Wasserqualität in 9.2.2.). Wasserhärte Es gibt zwei Arten von Wasserhärte, die für Aquaponik besonders relevant sind: die allgemeine Härte (GH) und die Karbonathärte (KH). GH kann im Wesentlichen als die Menge an Kalzium (Ca+), Magnesium (Mg+) und, in geringerem Masse, Eisen (Fe+) Ionen beschrieben werden, die im Wasser vorhanden sind. GH kommt in der Regel natürlich in Gebieten vor, in denen Wasserläufe durch und in Gebiete mit hohen Konzentrationen von Kalksteinablagerungen fliessen. GH ist sowohl für Pflanzen als auch für Fische innerhalb von Aquaponiksystemen wichtig, da Ca+ und Mg+ essenzielle Pflanzennährstoffe sind und daher für eine gesunde Pflanzenproduktion benötigt werden. Es kann auch eine nützliche Quelle von Mikronährstoffen für Fische innerhalb des Systems sein; z.B. kann Ca+ 205 im Wasser verhindern, dass Fische andere Salze verlieren, wodurch die Gesamtproduktivität des Systems erhöht wird. KH ist in erster Linie als Puffer wichtig. KH kann als die Gesamtmenge an Karbonaten (CO32) und Bikarbonaten (HCO3-) innerhalb eines Systems beschrieben werden, die dem Wasser Alkalinität verleiht. KH hat daher einen Einfluss auf den pH und wirkt als Puffer für einen erhöhten Säuregehalt. Zum Beispiel erzeugt der Nitrifikationsprozess, bei dem, wie bereits erwähnt, Ammonium aus Fischabfällen in die von den Pflanzen verwendeten Nitrate umgewandelt wird, Salpetersäure als Nebenprodukt. Dieser kann sich aufschaukeln und den pH-Wert schliesslich ausreichend anheben, bis er für die Organismen Stress verursacht. H+-Ionen aus der dem Wasser zugegebenen Säure binden sich an Karbonate (CO32-) und Bikarbonate (HCO3-) und puffern so gegen eine zunehmende Säurebildung (Sallenave 2016; Somerville et al. 2014a; Thorarinsdottir et al. 2015). ÜBERWACHUNG: Es ist oft nicht notwendig, die Wasserhärte innerhalb eines Durchflusssystems ständig zu überwachen, wenn sichergestellt ist, dass die Wasserzufuhrquellen einen angemessenen Gehalt an GH zur Förderung der Gesundheit von Pflanzen und Fischen sowie an KH zur Neutralisierung der während des Nitrifikationsprozesses aufgebauten Salpetersäure aufweisen. Der optimale Härtegrad für aquaponische Systeme liegt zwischen 60-120 mg/L (mässig hart). In RAS-Systemen sollte dies jedoch einmal pro Woche überwacht werden. Die Wasserhärte, ausgedrückt als Milligramm Calciumcarbonatäquivalent pro Liter, kann wie im Tabelle 5 beschrieben, klassifiziert werden. Die Härte kann mit einfachen Teststreifen gemessen werden. Die Gesamthärte kann als mg/L oder als °dH (Deutsche Härtegrade) gemessen werden. Der pH-Wert gibt auch ein Mass für die Härte an, wobei alkalischeres Wasser härter ist. Tabelle 5. Klassifizierung der Wasserhärte basierend auf entsprechenden Konzentrationen an Calciumcarbonat Wasserhärte-Klassifizierung Konzentration [mg/L] Weich 0-60 Mässig hart 60-120 Hart 120-180 Sehr hart >180 VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Falls sich herausstellt, dass das Wasser nicht den geeigneten Härtegrad hat, ist es oft möglich mit Zusätzen den Härtegrad zu erhöhen. Auch Kalkstein oder Korallenbruch können dem Wasser zur Erhöhung der Härte zugesetzt werden (Sallenave 2016; Somerville et al. 2014a; Thorarinsdottir et al. 2015). 206 Algenwachstum, absetzbare Feststoffe Das Wachstum von Algen in einer Aquaponik kann sich negativ auf die Systemleistung auswirken. Algen sind fotosynthetische Organismen, die unter Lichteinwirkung schnell im Wasser wachsen. Da sie natürlich in allen Wasserquellen vorkommen, ist es fast unvermeidlich, dass sie innerhalb einer Aquaponik auftreten. Die Morphologie (Form) der Algen reicht von einzelligen Organismen, bekannt als Phytoplankton, bis mehrzelligen Formen, bekannt als Makroalgen. Jede dieser Formen bringt ihre eigenen Probleme mit sich: Phytoplankton kann sich schnell vermehren und das Wasser grün färben, während die Makroalgen lange faserige Stränge bilden, die sich am Boden der Tanks festsetzen können. Algenwachstum kann die chemischen Eigenschaften des Wassers beeinflussen und die Mechanik der Filter und Pumpen stören. Die Algen konkurrieren mit ihrer Zielart um Nährstoffe. Da sie fotosynthetisch sind, dienen sie auch als Senke für DO, indem sie tagsüber Sauerstoff produzieren und nachts verbrauchen. In schwerwiegenden Fällen kann der Sauerstoffverbrauch von Algen während der Nacht dazu führen, dass das Wasser anoxisch wird und die Fische sterben. Fadenalgen können auch recht gross werden und sind oft schwer abbaubar. Eine Algenansammlung kann Schäden an den Filtern und Pumpen verursachen, deren Reparatur teuer sein kann und die die Leistung des Systems beeinträchtigen kann. MONITORING: Glücklicherweise ist die Überwachung des Algenwachstums meist einfach, das sich in der Regel auf eine visuelle Inspektion des Systems stützt, in Bereichen wie den Wänden von Fischbecken, um Pumpen und Filter und um die Wurzeln der Pflanzen herum. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Das Algenwachstum kann verhindert werden, indem das Lichteinfall durch Beschattung blockiert wird (Somerville et al. 2014a). Schwebende Feststoffe (Suspended Solids) können in absetzbare und nicht absetzbare Feststoffe kategorisiert werden. Absetzbare Feststoffe sind solche, die sich auf dem Boden des Aquariums absetzen. Den grössten Anteil daran haben feste Fischabfälle, die sich aus Fäkalien, ungefressenen Nahrungsmitteln und anderem biologischen Material zusammensetzen. Es wird geschätzt, dass 0.45 kg Fischfutter 0.11-0.13 kg feste Abfälle (Sallenave 2016) erzeugen. Die Ansammlung von überschüssigen absetzbaren Feststoffen wirkt sich aus mehreren Gründen negativ auf eine Aquaponik aus. Erstens wird die erhöhte Nährstoffbelastung die DO bei ihrer Zersetzung verringern. Dies wird sich auf andere Organismen im System auswirken, wie nitrifizierende Bakterien, die Sauerstoff benötigen, um Ammoniak in Nitrat umzuwandeln. Zweitens können sich Partikel an den Pflanzenwurzeln festsetzen, was ihre Effizienz verringert. ÜBERWACHUNG: Um absetzbare Feststoffe zu messen, nehmen Sie 1 L einer gut gemischten Wasserprobe, legen Sie sie in einen Imhoff-Kegel (Abbildung 3) und lassen Sie sie 1 Stunde lang absetzen. Der Kegel ist in mm abgestuft, so dass eine direkte Ablesung von mm/L aus der Tiefe des abgesetzten Materials direkt abgeleitet werden kann (MadeCivilEasy 2016). 207 FEHLERBEHEBUNGSVERFAHREN: Wie andere Schwebstoffe werden auch absetzbare Feststoffe durch Filtration entfernt, daher muss sichergestellt werden, dass alle Filter in der richtigen Grösse und in gutem Betriebszustand sind. Abbildung 3: Imhoff-Kegel zur Messung absetzbarer Feststoffe. 9.2.3 Pflanzengesundheit Ungünstige Bedingungen (z. B. suboptimale Temperatur, unzureichende Lichtintensität, Nährstoffmangel oder Schädlinge und Krankheiten) verringern die Gesamtleistung der Kulturen. MONITORING: Es ist vor allem darauf zu achten, dass die Parameter im optimalen Bereich für die angebauten Arten und Sorten eingestellt werden. FEHLERBEHEBUNG: Eine genaue Beobachtung der Symptome wird helfen, die zugrunde liegende Ursache zu identifizieren (Somerville et al. 2014b). 9.2.3.1 Krankheit Einer der grössten Vorteile von Aquaponik ist die relative Widerstandsfähigkeit der Pflanzen gegenüber Krankheiten. Die Wurzelfäule ist eine Krankheit, die zahlreiche Pflanzenarten infiziert, die in Hydrokultursystemen wachsen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass in aquaponischen Systemen angebaute Pflanzen eine erhöhte Resistenz gegenüber den Erregern, wie z.B. Pythium aphanidermatum (Stouvenakers et al. 2018) aufweisen. BETRIEB: Die Anlagebetreiber sollten bei der Überwachung auf Krankheiten sorgfältig sein. Eine Vertrautheit mit dem System ist entscheidend, um Veränderungen beobachten zu können. Das Wichtigste ist die Kontrolle der Wasserqualität und der physikalischen Parameter. Diese sollen so eingestellt werden, dass die Einführung und Verbreitung von Krankheiten minimiert wird. 208 ÜBERWACHUNG: Ein Beispiel: Da die Wurzelfäule zum Beispiel nur in Temperaturbereichen zwischen 20-30 ⁰C virulent ist, ist die Temperaturkontrolle daher eine wirksame Massnahme gegen ihre Ausbreitung (Grosch & Kofoet 2003; Sirakov et al. 2016). Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt ist die mikrobielle Flora: Nützliche Bakterien und andere Mikroben spielen eine wichtige Rolle für die Pflanzengesundheit, daher ist es möglich, mit Inokulaten solcher Organismen zu arbeiten. Dies ist jedoch nicht einfach und erfordert Fachwissen. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Pflanzengesundheit und Blattfarbe sollten täglich erfasst werden. Auch die Form der Blätter kann Auskunft darüber geben, ob es einer Pflanze gut geht. Verwelken und Anzeichen von Stress können nützliche Indikatoren für Pflanzengesundheitsprobleme (Wurzel-, Halsoder Gefässprobleme) sowie für Nährstoffungleichgewichte sein. 9.2.3.2 Relative Feuchtigkeit Die relative Luftfeuchtigkeit ist die Menge von Wasserdampf in der Luft im Verhältnis zur gesamten Tragfähigkeit der Luft für Wasser; beispielsweise entspricht 75% relative Luftfeuchtigkeit 75% des gesamten Wassergehalts, der in der Luft vorhanden sein könnte. Die Wassermenge, die die Luft aufnehmen kann, ist von der Temperatur abhängig, so dass ein Raum mit 30 ⁰C deutlich mehr Wasser enthält als der gleiche Raum mit 25 ⁰C. Der Punkt, an dem die relative Luftfeuchtigkeit 100% erreicht, wird als Taupunkt bezeichnet. BETRIEBSVERFAHREN: Die Luftfeuchtigkeit in einen ist ein wichtiger Parameter in der Aquaponik und soll sich gewünschten Bereich bewegen, um die Krankheiten zu verhindern und Parasiten abzuwehren. Wie die meisten Organismen haben Parasiten eine Optimumbereich, in dem sie effizient arbeiten können; beispielsweise können Spinnmilben Pflanzenschäden verursachen, indem sie die Pflanzenzellen beim Fressen durchstechen. Da sie nasse und feuchte Bedingungen nicht vertragen, werden häufig Luftbefeuchter eingesetzt, um die Luftfeuchtigkeit zu erhöhen und solche Schäden zu verhindern. Mikroorganismen wie Schimmel und Pilze können ebenfalls ein Problem verursachen, und da sie durch Filtration nur schwer zu entfernen sind, kann die Feuchtigkeit zur Kontrolle der Sporen verwendet werden (Brown 2006; Storey 2016). Einige Pflanzenarten sind an das Überleben unter feuchten Bedingungen angepasst, während das Gegenteil auf Pflanzen aus gemässigteren Regionen zutrifft. Es ist daher wichtig zu verstehen, welche Bedingungen für die angebauten Pflanzen am besten geeignet sind. MONITORING: Sobald die optimale relative Luftfeuchtigkeit für eine Kultur festgelegt ist, sollte sie ständig überwacht werden, um sicherzustellen, dass sie nicht über längere Zeiträume ausserhalb dieses Bereichs liegt. Die Messung der Luftfeuchtigkeit ist ein einfaches Verfahren, bei dem ein Hygrometer verwendet wird. Diese gibt die relative Feuchtigkeit eines Gebietes in Prozent an. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Wenn die relative Luftfeuchtigkeit ausserhalb des gewünschten Bereichs liegt, gibt es mehrere Möglichkeiten. Erstens kann die Temperatur verändert werden. Da die 209 relative Luftfeuchtigkeit eine Funktion der Temperatur ist und daher bei einer zu geringen relativen Luftfeuchtigkeit eine Erhöhung der Temperatur die Verdunstung von kondensiertem Wasser ermöglicht. Umgekehrt wird bei einer zu hohen Luftfeuchtigkeit durch eine Senkung der Temperatur die Luftfeuchtigkeit verringert. Man kann auch den Luftstrom manipulieren. Durch die Belüftung wird der Wasserdampf in der Luft verdünnt und damit die Luftfeuchtigkeit reduziert. Es gibt auch Luftentfeuchter, die so eingestellt werden können, dass sie an einem bestimmten Punkt aktiviert werden, um Wasser aus der Luft zu ziehen. Diese können besonders nützlich sein, um den Prozess zu automatisieren und dadurch die Betriebskosten (Arbeitskosten) zu senken (Brown 2006; Somerville et al. 2014b; Storey 2016). 9.2.3.3 Lufttemperatur Die Umgebungstemperatur wird einen Einfluss auf das Wachstum der Pflanzen haben. Die meisten Gemüsesorten wachsen im Bereich zwischen 18-30 ⁰C, obwohl es einige Arten gibt, die entweder an höhere oder niedrigere Schwellenwerte angepasst sind. Schnittmangold und Gurken zum Beispiel werden zwischen 8-20 ⁰C gut abschneiden, während tropische Arten wie Okra Temperaturen zwischen 17-30 ⁰C bevorzugen. Die Temperatur kann die Fähigkeit einer Pflanze, Krankheiten abzuwehren, beeinflussen, indem sie Stress verursacht und Schädlinge und Parasiten gedeihen lässt. Eine weitere Überlegung ist die physiologische Reaktion der Pflanze auf die Temperatur. Blattgemüse zum Beispiel beginnt bei höheren Temperaturen zu blühen und Samen zu produzieren, was sich auf den Geschmack auswirkt und sie bitter und ungeniessbar macht. BETRIEB: Es ist wichtig, die Temperatur einer Aquaponik konsequent zu überwachen, und die Messungen sollten an verschiedenen Orten durchgeführt werden. MONITORING: Dies kann entweder mit einem digitalen oder analogen Thermometer erfolgen. Alle Temperaturänderungen im System sind zu beachten. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Wenn die Temperatur ausserhalb des gewünschten Bereichs liegt, kann sie mit Hilfe von Spezialgeräten (z.B. Lufterhitzer, Klimaanlagen) erhöht oder gesenkt werden. Die beste Art und Weise, die optimale Temperatur das ganze Jahr über zu gewährleisten, ist der Einsatz der Kulturpflanzen, die an das lokale Klima angepasst sind (Leaffin 2017). 9.2.3.4 Die Lichtintensität Unter normalen Wachstumsbedingungen erhalten die Pflanzen das für die Photosynthese notwendige Licht von der Sonne. Wie andere Variablen in der Natur hängt dies von der geographischen Lage, der Tageszeit und den örtlichen Umweltbedingungen ab. Licht ist eine Grundvoraussetzung für das Pflanzenwachstum, und daher ist es wichtig, dass für die gewählte Kultur die richtigen Mengen zur Verfügung stehen, um einen optimalen Ertrag zu gewährleisten (Chen Lopez 2018). Licht kann durch seine Intensität (Lux) gemessen werden, die die Anzahl der Photonen ist, die eine Oberfläche einer bestimmten Grösse erreichen. Die metrische Einheit der Lichtintensität ist das Lumen (lm), und Lux ist gleich ein Lumen pro Quadratmeter. In der Aquaponik interessiert die Anzahl der Photonen, die die Oberfläche eines Blattes erreichen. Photonen sind eine Art von Elementarteilchen, und sind im Wesentlichen Energiepakete, die einen Lichtstrom bilden. Die Anzahl der von einem Blatt gefangenen Phototonen ist der entscheidende Faktor für die Wachstumsrate der Pflanze (Badgery-Parker 1999). 210 BETRIEB: Ohne die richtige Lichtintensität können die Pflanzen nicht gut wachsen oder sich so gut entwickeln, wie sie sollten. Der Punkt, an dem die Photosynthese der Atmung entspricht, wird als Kompensationspunkt bezeichnet. Dies ist die Intensität, die es den Pflanzen ermöglicht, zu überleben, aber nicht zu wachsen, und sie ist von Pflanze zu Pflanze unterschiedlich. Bei Chrysanthemen beispielsweise liegt dieser Punkt bei 4.000 Lux. Umgekehrt wird der Punkt, an dem die Lichtintensität die Photosynthese nicht mehr erhöht und somit das Wachstum nicht mehr einschränkt, als Sättigungspunkt bezeichnet. Im Allgemeinen werden die oberen Blätter bei etwa 32’000 Lux gesättigt sein. Durch die Beschattung erhalten die unteren Blätter nicht so viel Licht wie die oberen Blätter. Damit die gesamte Pflanze gesättigt wird, muss die Lichtmenge etwa 100’000 Lux betragen. Die photosynthetisch aktive Strahlung (PAR) ist der Teil des Lichtspektrums, den Pflanzen für die Photosynthese verwenden, und umfasst Wellenlängen von 400-700 nm, die fast das gesamte sichtbare Licht darstellen (Badgery-Parker 1999; Chen Lopez 2018). ÜBERWACHUNG: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Licht zu messen, und es gibt sogar Apps, die für Smartphones gekauft werden können (obwohl die Bewertungen dieser Apps sorgfältig geprüft werden sollten, da sie manchmal nicht ganz genau sind). Da die Lichtintensität auf ihrer Leistung basiert, kann die Energie, die für die Stromversorgung der Leuchten verwendet wird, extrapoliert werden, um ein Mass für die Lumineszenz in Watt oder Watt pro Quadratmeter (Wm-2) zu erhalten. In ähnlicher Weise können wir die von einer Quelle, wie z.B. einer Glühbirne, ausgesandte Energiemenge aus der Entfernung messen. Ein Radiometer ist ein Gerät, das die Leistung einer Lichtquelle misst, und ein Pyranometer kann zur Messung der Gesamtmenge der kurzwelligen Strahlung verwendet werden. Kurzwellige Strahlung umfasst sowohl photosynthetisches Licht als auch Energie aus UV- und nahinfraroter Strahlung (IR). Pflanzen und Menschen empfinden IR-Licht als Wärme. Diese Messgeräte sind billig in der Anschaffung und im Gebrauch, obwohl sie ihre Grenzen haben, von denen die grösste darin besteht, dass ihre Verwendung unter elektrischem Licht fehlerhafte Messwerte liefern kann, insbesondere wenn die Lichtquelle hohe Werte im blauen oder roten Spektrum aufweist. Quantensensoren sind eine genauere Art der Lichtmessung; sie sind jedoch teurer als Fusskerzenmessgeräte. Dabei handelt es sich in der Regel um handgehaltene, batteriebetriebene Geräte, die PAR messen. Sie zeigen ihren Messwert digital an. Drittens können Instrumente zur Messung des Strahlungsflusses, d.h. der Energiemenge pro Zeiteinheit, zur Messung der Lichtintensität verwendet werden. FEHLERBEHEBUNGSVERFAHREN: Da das Pflanzenwachstum nicht einheitlich ist, sollten die Messungen an verschiedenen Orten - dunkel und hell - vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass es keine Bereiche mit schweren Mängeln gibt. Wenn zum Beispiel die unteren Teile der Anlagen unter das Optimum fallen, dann wird die Produktivität reduziert (Runkle 2009; Runkle 2012). Die Korrektur der Lichtintensität bei Unterschreitung des optimalen Bereichs ist in der Regel ein recht einfacher Vorgang. Wenn es offensichtliche Probleme gibt, wie z.B. durchgebrannte Glühbirnen, sollten diese ausgetauscht werden. In dunkleren Bereichen können mehr Lichter angebracht werden, und die Positionierung der Lichter kann geändert werden, um sicherzustellen, dass alle Pflanzenbereiche das optimale Niveau erhalten. 211 9.2.4 Fischgesundheit Die Überwachung der Fischgesundheit ist ein zentraler Aspekt der Erhaltung eines gesunden Aquaponiks. BETRIEB: Dies wird in der Regel durch die Beobachtung des Verhaltens und des physischen Erscheinungsbildes der Bestände und durch das Verständnis dessen, was "normal" ist, erreicht. Dazu ist es wichtig, typische Verhaltensmuster und körperliche Erscheinungen der jeweiligen Fischarten zu kennen. Die Wasserqualität spielt eine wichtige Rolle für die Gesundheit der Fische, und die Aufrechterhaltung einer gleichbleibend guten Qualität trägt wesentlich dazu bei, dass die Fische in einem stressfreien Zustand bleiben. Dies wird zu einen gesunden Immunsystem beitragen, welches es ihnen ermöglicht Eingeschleppte Krankheiten und Parasiten entstehen abzuwehren. ÜBERWACHUNG: Im Allgemeinen sollten Fische täglich beobachtet werden, und ihr Zustand sowie etwaige Änderungen sollten notiert werden, insbesondere jegliche Anzeichen von Stress, Krankheit und parasitärem Befall. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Wichtige Aspekte sind die Besatzdichte und die Fütterungsrate. Die potenzielle Einführung von Stress und Krankheiten in ein System kann vermieden werden, indem sichergestellt wird, dass die Fische in einer angemessenen Besatzdichte gehalten werden und die Fütterung auf einem angemessenen Niveau gehalten wird (Somerville et al. 2014c). 9.2.4.1 Fütterungsraten Es ist aus mehreren Gründen wichtig, die Fütterungsraten zu überwachen. Zu viel Nahrung kann zu einem Überangebot an Nährstoffen im Wasser führen, was zu Komplikationen bei den chemischen und mikro(biologischen) Parametern führt. Sie kann zu einer erhöhten bakteriellen Belastung führen, wodurch Krankheitserreger Fuss fassen können. Sie kann auch zu einer Erhöhung des biochemischen Sauerstoffbedarfs und zu Veränderungen anderer chemischer Parameter, wie z.B. des pH-Wertes, führen. BETRIEB: Eine zu geringe Fütterung der Fische kann ein verkümmertes Wachstum verursachen, was zu einer verminderten Produktivität des Systems sowie zu erhöhtem Stress und Aggressionen führt, die dazu führen können, dass sich die Fische gegenseitig angreifen, was Wunden und Geschwüre verursacht, die sich infizieren können. ÜBERWACHUNG: Typischerweise wird die Futtermenge gewogen, obwohl die Fütterungsraten auch visuell gemessen werden können, indem die Fische so lange beobachtet werden, bis die Fütterungsraten abnehmen und sie aufhören zu fressen; in einigen Systemen geschieht dies mit Hilfe von Unterwasserkameras. Viele Fischfutter-Anbieter geben auch empfohlene Futtermengen an, so dass die Betreiber genau abschätzen können, wie viel Futter sie geben müssen. Bei jeder Fütterung sollten die Fütterungsraten beobachtet und notiert werden. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Wenn Fische weniger Esslust zeigen, könnte dies ein Anzeichen dafür sein, dass etwas im System nicht stimmt und entsprechende Massnahmen, wie z.B. eine Untersuchung durch einen Tierarzt, ergriffen werden sollten. Eine Erhöhung der Fütterungsraten 212 könnte ein Zeichen dafür sein, dass die Fische nicht genug gefüttert werden, in diesem Fall sollte das Futter erhöht werden (Masser et al. 2000). 9.2.4.2 Wachstum Das Wachstum ist ein wichtiges Mass dafür, wie gut es den Fischen in einem System geht, und die Futtermittelhersteller stellen oft Wachstumstabellen zur Verfügung, die eine Schätzung der erwarteten Wachstumsrate der Fische als Funktion der Fütterungsraten geben. ÜBERWACHUNG: Das Wachstum wird gemessen, indem zunächst ein Netz geeigneter Grösse auf einer Hakenwaage gewogen und tariert wird. Die Fische werden dann mit dem Netz gefangen und beide werden gewogen. Eine andere Möglichkeit, Fische zu wiegen, besteht darin, sie in Eimer mit Wasser auf eine Waage zu stellen. Dies ist besonders praktisch, wenn die Fische klein sind und daher mehr als ein Fisch gleichzeitig gewogen werden kann. Beachten Sie, dass bei dieser Methode Vorsicht geboten ist, da grössere, in Not geratene Fische die Seiten des Eimers gewaltsam treffen und sich dadurch selbst verletzen können. Um die Länge von Fischen zu messen, ist es im Allgemeinen ratsam, sie mit einem geeigneten Anästhetikum, wie z.B. Tricain-Methansulfonat (MS-222), zu betäuben. Eine angemessene Menge Tricain-Methansulfonat wird in einem separaten Behälter mit Wasser gelöst, der eine geeignete Grösse für die Fische hat. Die Fische sollten so lange ins Wasser gesetzt werden, bis sie schlaff und sicher in der Handhabung sind, und dann können sie auf eine flache Oberfläche gelegt, mit einem Lineal gemessen, in ein Aufwachbecken gegeben werden und sobald diese wieder ganz aufgewacht sind, freigelassen werden. Diese Messungen sollten regelmässig durchgeführt werden. Jede unerwartete Änderung von Grösse und Gewicht sollte untersucht werden. 9.2.4.3 Indikatoren zur Bewertung der Fischbestände Die wichtigsten Indikatoren für gesunde Fischbestände sind Verhalten und körperliche Verfassung. Alles Aussergewöhnliche kann als klinische Anzeichen von Krankheit oder Stress klassifiziert werden. ÜBERWACHUNG: Normalerweise sollten Fische während und direkt nach der Fütterung überwacht werden, und Änderungen in der Menge der gefressenen Nahrung sollten beachtet werden. Gesunde Fische werden einige der folgenden Verhaltensweisen zeigen (OIE 2018): • Gewöhnliches, zielgerichtetes Schwimmen • Saubere, intakte Flossen, die richtig ausgestreckt und genutzt werden • Klare, saubere Haut, mit intakten Schuppen • Nicht an der Wasseroberfläche atmen Abnormes Verhalten und klinische Anzeichen von Problemen innerhalb eines Bestands sind recht allgemein, und es kann unmöglich sein, die Ursache eines Problems allein auf der Grundlage dieser Anzeichen zu bestimmen. Zu den Dingen, auf die es zu achten gilt, gehören (Bruno et al. 2013): Verhaltenszeichen: • Änderungen in der Fütterungsrate 213 • Lethargie und Morbidität • Veränderungen im Schwimmverhalten, wie z.B. Spiralen oder fehlende Auftriebskraft • Herumhängen in der Nähe von Wasserauslässen • Herumhängen an Sauerstoff-Austauschpunkten • Durchbrechen der Oberfläche und Keuchen an der Oberfläche Klinische Anzeichen: • Verkürzte oder aufgeweitete Operkula • Hämorrhagie • Exophthalmus (erhabene, herausgesprungene Augen) • Enophthalmie (eingesunkene Augen) • Blasse, zonierte oder nekrotische Kiemen • Läsionen • Weisse Flecken • Entzündeter After Eine ideale Möglichkeit, diese Zeichen zu messen und aufzuzeichnen, ist ein klinischer Score-Bogen (Tabelle 5). Das ist ein Blatt, auf dem klinische und Verhaltenssymptome auf der Grundlage ihres Schweregrades - z.B. schwach, leicht und schwer - aufgezeichnet und notiert werden können. Tabelle 5: Ein Beispiel für einen klinischen Bewertungsbogen zur Erfassung von klinischen und Verhaltenszeichen bei Fischen Stark Mild Schwach Kein Zeichen Moribund (sterbend) Lethargisch Vertikal hängend Verhalten in einer Spirale Blinkend Gleichgewichtsverlust Dunkel Körper Geblähter Unterleib Magersucht Exophthalmisch Augen Enophthalmisch Blass Kiemen Zoniert Nekrotisch Flanke Läsionen Anderswo 214 9.2.4.4 Belastung/Stress Stress kann einer der schädlichsten Faktoren für Fische in Aquaponik sein. Allein reicht es vielleicht nicht aus, die Bestände abzutöten; chronischer Stress kann jedoch zu einer Reihe von Komplikationen führen, die in der Regel durch die Unterdrückung des Immunsystems verursacht werden. Immungeschwächte Fische fallen mit grösserer Wahrscheinlichkeit Infektionserregern wie Bakterien, Viren und Pilzen sowie Parasitenbefall zum Opfer. Stress kann auch die Fähigkeit eines Fisches verringern, plötzlichen Veränderungen in seiner Umgebung entgegenzuwirken, was zur Sterblichkeit führt. ÜBERWACHUNG: Stress kann direkt im Organismus durch die Freisetzung bestimmter Hormone, wie z.B. Cortisol, überwacht werden. Dies erfordert jedoch geschultes Personal, um sicherzustellen, dass kein zusätzlicher Stress entsteht. Solche Messungen fallen in die Kategorie der Tierversuche, wobei die lokalen Tierschutzgesetze eingehalten werden sollten. Der beste Weg ist, Stresssituationen zu vermeiden. Dies kann erreicht werden, indem sichergestellt wird, dass die Fische in der richtigen Besatzdichte gehalten und angemessen gefüttert werden und dass die physikalischen Eigenschaften des Wassers (Temperatur, pH-Wert, DO usw.) auf einem physiologischen Optimum für die gewählte Art gehalten werden. Daher ist eine ständige Überwachung dieser Parameter sowie die Beobachtung der Fische selbst wünschenswert, um Veränderungen in ihrem Verhalten oder ihrem physischen Erscheinungsbild festzustellen (Rottmann et al. 1992; Somerville et al. 2014c). 9.2.4.5 Krankheiten Krankheiten sind wichtiger in jedem System, in dem die Tiere in höheren Besatzdichten gehalten werden, als sie sonst in der Natur vorkommen würden, und dies gilt auch für die Aquaponik. Probleme im Zusammenhang mit Krankheiten können durch schlechte Bedingungen, wie z.B. niedrige DO, verschlimmert werden und können auch opportunistische Erreger zur Einführung von Infektionen führen. BETRIEB: Im Allgemeinen sind geschlossene Kreislaufsysteme von der Einschleppung der Krankheitserreger etwas isoliert. Dies kann jedoch ein zweischneidiges Schwert sein, da es schwierig sein kann, die Krankheit nach ihrer Einführung auszurotten, und je früher die Probleme erkannt werden, desto wirksamer werden die Behandlung und die Wiederherstellungsmassnahmen sein. In Durchflusssystemen kann die Wahrscheinlichkeit der Einschleppung von Krankheiten durch Filtration, z.B. mit Sand, oder durch Behandlung mit UV-Licht verringert werden. In jedem Fall ist eine sorgfältige und konsequente Überwachung notwendig. Selbst bei sorgfältiger Prävention ist es möglich, dass Krankheiten in das System eingeführt werden, und es ist wichtig, dass dies erkannt und gegebenenfalls mit Hilfe von Tierarzt behandelt wird. ÜBERWACHUNG: Um die Bestände angemessen zu überwachen, ist es wichtig, dass die Betreiber mit den klinischen und Verhaltenszeichen vertraut sind, die die Fische möglicherweise aufweisen, von denen einige oben genannt sind. In einem System mit einer hohen Anzahl von Tieren ist es wahrscheinlich, dass es ungesunde Individuen gibt. Obwohl vielleicht keine Krankheitssymptome zu beobachten sind, sollten tägliche Kontrollen durchgeführt werden, um den allgemeinen Gesundheitszustand des Bestands zu überwachen. Bei diesen Kontrollen sollten Verhaltensänderungen oder klinische Anzeichen von Krankheiten festgestellt werden (Tabelle 5). Auch die Sterblichkeit sollte überprüft werden; tote Fische sollten aus dem System entfernt und biologisch 215 sicher entsorgt werden. Für den Fall, dass die Häufigkeit der klinischen Symptome oder der Mortalität zu steigen beginnen, ist es wichtig, sicherzustellen, dass Verfahren vorhanden sind, um das Problem zunächst zu identifizieren und dann Abhilfemassnahmen zu ergreifen. VERFAHREN ZUR FEHLERBEHEBUNG: Es ist wichtig, dass die Betreiber wissen, wie sie einen Fachtierarzt für Fischgesundheit kontaktieren können (Martins et al. 2010; Somerville et al. 2014c). 9.2.5 Parameter von besonderem Interesse Manchmal werden in einer Aquaponik nicht standardisierte Parameter der Wasserqualität relevant, insbesondere bei der Wahl der Wasserquelle. Sie können wählen, ob Sie Wasser aus der Umwelt (Regenwasser, Fluss- oder Seewasser usw.) oder kommunal aufbereitetes Leitungswasser verwenden möchten. Je nach Wasserquelle kann sich das Wasser in Bezug auf den Sauerstoffgehalt, die An- bzw. Abwesenheit von Schwermetallen und anderen Mikroverunreinigungen, Spurenchemikalien und Desinfektionsmitteln unterscheiden und kann mit coliformen Bakterien kontaminiert sein oder auch nicht. Das Wasser, das dem System zugeführt wird, kann je nach dem eine sehr unterschiedliche Qualität haben: • Die Lage des Quellwassers • Das aktuelle Wetter (bei Verwendung von Wasser aus der Umwelt) • Kommunale Wasseraufbereitung (bei Verwendung von Leitungswasser) BETRIEB: Bei der Trinkwasseraufbereitung werden häufig Desinfektionsmittel wie Chlor und Chloramine zugesetzt. Diese müssen eine Restwirkung haben, d.h. sie bleiben nach der Anwendung des Desinfektionsmittels im Wasser aktiv. Dies kann in einer Aquaponik problematisch sein, da es stark von den Mikrobengemeinschaften im Biofilter abhängig ist. Andererseits kann Wasser, das direkt aus der Umwelt entnommen wird, auch Probleme mitbringen, darunter die Kontamination mit unerwünschten Mikroben, wie z.B. coliformen Bakterien, oder das Vorhandensein von Schadstoffen, wie endokrin wirksame Chemikalien und Schwermetalle (Godfrey 2018). ÜBERWACHUNG: Die Überwachung dieser nicht standardisierten Parameter ist ohne Zugang zu analytischen Techniken wie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS), Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) und mikrobiologische Laborgeräte und materialien wie Inkubator, Laminar-Flow-Haube, Autoklav, Vakuumfiltrationsapparat und mikrobiologische Wachstumsmedien nicht möglich. Da diese Ausrüstung sehr teuer ist, ist es am besten, bei Verdacht auf ein Problem mit Quellwasser ein nationales Labor für spezifische Messungen zu konsultieren. FEHLERBEHEBUNGSVERFAHREN: Eine wirtschaftlichere und praktischere Lösung besteht darin, Probleme mit dem Quellwasser ganz zu vermeiden, indem ein Kohlefilter installiert wird, der alle Desinfektionsmittelrückstände und potenzielle Schadstoffe entfernt, sowie ein UV-Filter, der unerwünschte Mikroben im Quellwasser deaktiviert. 216 9.3 Referenzen Badgery-Parker, J. 1999. Light in the greenhouse. Agnote DPI/254, 1-2. Brown, J.W. 2006. Relative Relative Humidity. Cropking Incorporated. Bruno, D., Noguera, P.A. & Poppe, T.T. 2013. A Colour Atlas of Salmonid Diseases (2nd edition) Springer Netherlands, Dordrecht. Chen Lopez, J. 2018. Influence of Light on Crop Growth. Promix Training Centre. Godfrey, M. 2018. How to Evaluate the Quality of Your Aquaponic Source Water. Upstart University. Grosch, R. & Kofoet, A. 2003. Influence of temperature, pH and inoculum density on bottom rot on lettuce caused by Rhizoctonia solani. Journal of Plant Diseases and Protection 110 (4), 366-378. Joly, A. 2018. Aquaponics in EU – Basic regulation you need to know. EU Aquaponics Hub. Klinger-Bowen, R.C., Tamaru, C.S., Fox, B.K., McGovern-Hopkins, K. & Howerton, R. 2011. Testing your Aquaponic System Water: A Comparison of Commercial Water Chemistry Methods. Center for Tropical and Subtropical Aquaculture, Honolulu. Leaffin 2017. What is the Optimum Range of Temperature or Aquaponics. 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EU Lifelong Learning Programme, Reykjavik, pp. 33-41. 218 10. LEBENSMITTELSICHERHEIT Viele Verbraucher sind sehr besorgt über die Sicherheit und Qualität von Lebensmitteln, da eine Reihe von Nachrichten im Zusammenhang mit Lebensmitteln in den Medien grosse Aufmerksamkeit erhalten hat. Die Verbraucher sind mehr denn je um sichere Lebensmittel besorgt. Bei der Lebensmittelsicherheit geht es um die Handhabung, Lagerung und Zubereitung von Lebensmitteln, um Krankheiten vorzubeugen und dazu beizutragen, dass die Lebensmittel genügend Nährstoffe enthalten, damit wir uns gesund ernähren können. Lebensmittelsicherheit ist die Gewissheit, dass ein Lebensmittel dem Verbraucher keinen Schaden zufügt, wenn es entsprechend seinem Verwendungszweck zubereitet und/oder verzehrt wird (WHO & FAO 2009). Die Missachtung der Grundsätze der Lebensmittelsicherheit bedeutet, dass gutes Essen schlecht wird. Das Ergreifen von Abkürzungen durch die Vermeidung von Präventivmassnahmen, die Lebensmittel sicher machen, kann negative Auswirkungen auf die Gesundheit haben und sogar das Leben der Menschen verkürzen. Wer Lebensmittel verkauft, unabhängig von der Menge, hat sowohl eine ethische als auch rechtliche Verpflichtung, dafür zu sorgen, dass die Lebensmittel sicher verzehrt werden können. Alle Schritte in der Nahrungsmittelkette (vom Bauernhof bis zur Gabel oder, im Falle von Aquaponik, vom Floss bis zum Teller), einschliesslich der Pflanzenernte und der Fischschlachtung, sollten so gehandhabt werden, dass die Lebensmittel sicher und für die vorgesehene Verwendung geeignet sind (WHO & FAO 2009). Auch Primärprodukte (Produkte der Primärproduktion, die aus einem natürlichen Rohstoff - einem unbehandelten Produkt - bestehen) sollten vor verschiedenen Arten von Gefahren geschützt werden. Eine Gefahr ist ein (mikro)biologischer, chemischer oder physikalischer Wirkstoff in oder in einem Zustand von Lebensmitteln, der eine schädliche Auswirkung auf die Gesundheit haben kann. Im Allgemeinen unterscheiden wir vier Arten von lebensmittelbedingten Gefahren (Tabelle 1), wobei der grösste Schwerpunkt bei der Aquaponik auf der (mikro)biologischen liegt. Die Kontrolle von Allergenen ist ein aufkommender Bereich, der Anlass zur Sorge gibt, und in der EU gibt es jetzt detaillierte Kennzeichnungsvorschriften. Fisch und Fischprodukte sind in Anhang II der Verordnung (EU) Nr. 1169/2011 über die Information der Verbraucher über Lebensmittel als eines von vierzehn Allergenen aufgeführt, die bei der Gefahrenanalyse berücksichtigt werden müssen. Das Hauptziel dieses Kapitels ist es, den Verbraucherschutz durch die Produktion sicherer Lebensmittel auf der ersten Stufe der Lebensmittelversorgungskette zu gewährleisten. Daher müssen sich die Hersteller von Aquaponik über die Risikofaktoren für die Lebensmittelsicherheit im Klaren sein und sollten sich an die gute landwirtschaftliche Praxis (good agricultural practice, GAP) und die gute Hygienepraxis (good hygiene practice, GHP), die im Folgenden ausführlich beschrieben werden, auf höchstem Niveau halten. Primärprodukte, die mit geringer Kontamination angebaut werden, sind weniger anfällig für Gesundheitsrisiken, die durch schlechte Handhabung während der Lebensmittelzubereitung entstehen. 219 Tabelle 1: Wichtigste lebensmittelbedingte Gefahren in der Aquaponik (MIKRO) BIOLOGISCH Pathogene Bakterien, Viren, Fischparasiten, Schimmelpilze, Pilze CHEMISCH Rückstände von Pflanzenschutzmitteln, Tierarzneimitteln, Desinfektionsmitteln, Reinigungsmitteln, Reagenzien für Testsätze, Schmiermittel PHYSIKALISCH Fremdkörper (Metall, Glas, Holz, Teile von Verpackungsmaterial, Staub, Steine, Kunststoff- oder Glasscherben, Nadeln usw.) ALLERGENE Glutenhaltiges Getreide, Krustentiere und deren Produkte, Eier und deren Produkte, Fisch und deren Produkte, Erdnüsse und deren Produkte, Sojabohnen und deren Produkte, Milch und deren Produkte (einschliesslich Laktose), Nüsse und deren Produkte (Mandeln, Haselnüsse), Walnüsse, Cashewkerne, Pekannüsse, Paranüsse, Pistazien, Macadamia- oder Queenslandnüsse), Sellerie und daraus hergestellte Erzeugnisse, Senf und daraus hergestellte Erzeugnisse, Sesamsamen und daraus hergestellte Erzeugnisse, Schwefeldioxid und Sulfite, Lupine und daraus hergestellte Erzeugnisse, Weichtiere und daraus hergestellte Erzeugnisse. Hinweis: Für Ausnahmen siehe Anhang II der Verordnung (EU) Nr. 1169/2011. 10.1 Rechtlicher Rahmen Das Ziel der Lebensmittelsicherheitspolitik der EU ist es, sichere und nahrhafte Lebensmittel von gesunden Tieren und Pflanzen zu gewährleisten und gleichzeitig die Lebensmittelindustrie zu unterstützen (EC 2014). Die integrierte Lebensmittelsicherheitspolitik umfasst auch den Tierschutz und die Pflanzengesundheit. In der Strategie für den Tierschutz gibt es eine Aktion zum Wohlergehen von Zuchtfischen, obwohl es keine spezifischen Regeln gibt (EC 2012). Aufgrund der grossen Vielfalt an möglichen Produkten sind die Normen für die Lebensmittelsicherheit nicht explizit für AquaponikProdukte und es gibt noch keine spezifischen EU-Regelungen (Joly et al. 2015). Die Aquaponik fällt unter die gemeinsame EU-Politik in den Bereichen Landwirtschaft, Fischerei, Lebensmittelsicherheit und Umwelt. Da die Aquaponik sowohl die Fisch- als auch die Pflanzenproduktion umfasst, gelten unterschiedliche Verordnungen. Wie die Betreiber von Aquakulturen nutzen die AquaponikProduzenten eine gemeinsame Primärressource (Wasser) und erzeugen Abwässer, und ihre Aktivitäten unterliegen einer erheblichen Anzahl von Verordnungen und Gesetzen (Joly et al. 2015; Hoevenaars et al. 2018). Tabelle 2 listet die wichtigsten EU-Verordnungen zur Lebensmittelsicherheit auf. 220 Tabelle 2: Wichtige EU-Verordnungen zur Lebensmittelsicherheit Verordnung Beschreibung Verordnung (EG) 178/2002 Allgemeine Grundsätze und Anforderungen Lebensmittelrechts und der Lebensmittelsicherheit Verordnung (EG) 852/2004 Hygiene von Lebensmitteln Verordnung (EG) 853/2004 Spezifische Hygienevorschriften für Lebensmittel tierischen Ursprungs Verordnung (EG) 2073/2005 Mikrobiologische Kriterien für Lebensmittel Verordnung (EG) 1169/2011 Bereitstellung von Lebensmittelinformationen für Verbraucher des 10.2 Risiken der Lebensmittelsicherheit in Aquaponik Ein grosses Problem der Lebensmittelsicherheit bei der Aquaponik ist der Anbau von Pflanzen in Wasser, das Fischausscheidungen und andere organische Stoffe, einschliesslich Fisch- und Pflanzenreste, enthält. Pathogene Bakterien können über Wasser, tierische Fäkalien, Pflanzenkeimlinge, Werkzeuge oder den Menschen in das System gelangen. Das grösste Risiko von Warmblütern ist die Einschleppung von Escherichia coli, während Vögel Salmonella spp. tragen können (FAO 2014). E. coli O157:H7, Salmonella spp. und Listeria monocytogenes sind die wichtigsten lebensmittelbedingten Krankheitserreger, die im Wasserkreislaufsystem gefunden werden können und die unter diesen Bedingungen nachweislich überleben. Die fäkale Kontamination von Aquaponik wurde meist dann festgestellt, wenn eine Wasserquelle von schlechter Qualität verwendet wurde oder wenn Fäkalieneinträge von Haus- oder Wildtieren möglich waren (Fox et al. 2012). Trotz bereits früher veröffentlichter Berichte, die auf eine Internalisierung 3 von lebensmittelbedingten Krankheitserregern wie E. coli O157:H7 und Salmonellen in Gemüse hindeuteten, lieferte die Studie von Moriarty et al. (2018) keine Hinweise auf eine bakterielle Internalisierung. Die Internalisierung kann ein Phänomen sein, das nur unter bestimmten Umständen, wie z.B. bei sehr hoher Bakterienkonzentration und Pflanzenschäden (insbesondere bei Wurzelschäden), zu beobachten ist und die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten einer bakteriellen Internalisierung erhöht. Darüber hinaus können Fische aus unzuverlässigen Quellen lebensmittelbedingte Viren und Krankheiten (z.B. Vibrio spp.) einschleppen, die nicht häufig mit Obst und Gemüse in Verbindung gebracht werden (Fox et al. 2012). Parasiten wie Cryptosporidium und Giardia lamblia können auch in das Wasser selbst eingeschleppt werden, so dass die Quelle des Wassers, das in der Aquaponik verwendet wird, für die Sicherheit der Lebensmittel sehr wichtig ist (Ljubojević et al. 2017). Der Hauptweg der bakteriellen Kontamination von Produkten ist die Ablagerung von Bakterien auf der Oberfläche durch Wasser. 3 Bakterien dringen durch natürliche Öffnungen in der Pflanzenoberfläche und/oder durch Orte biologischer oder physikalischer Schädigung ein, oder Bakterien werden mit dem Wasser in das innere Gewebe gezogen (Deering 2012) 221 et al. Die Umweltbedingungen in Aquaponik (warme, nasse, sauerstoffarme Umgebung mit hohem organischem Anteil) begünstigen lebensmittelbedingte Krankheitserreger, die auch für Fische und Pflanzen gefährlich sind. Das Vorhandensein von Sediment scheint einer der Hauptfaktoren für die Erregerpersistenz zu sein (Aquaponics Association 2015). Daher sollten die Aquaponik-Produzenten sowohl aus technologischen als auch aus Lebensmittelsicherheitgründen nicht zulassen, dass sich diese Bedingungen in ihren Systemen entwickeln. Studien mit lebensmittelbedingten Krankheitserregern in Fischen legen nahe, dass Fische, wenn sie exponiert werden, lebensmittelbedingte Krankheitserreger für kurze Zeit mit sich führen können. Wenn sie sich in einem Becken mit guter Belüftung und Feststoffentfernung befinden, ist die Überlebensrate von Krankheitserregern bei den Fischen sehr gering. Befinden sich die Fische jedoch in einem Becken mit Sedimentansammlung und schlechter Belüftung, bleiben die Krankheitserreger viel länger und in höheren Konzentrationen in den Fischen erhalten (Aquaponics Association 2015). Die meisten Fische enthalten keine signifikanten Mengen an krankheitsverursachenden Gefahren für den Menschen. Wenn Fisch vor dem Verzehr thermisch behandelt wird, wird jede Kontamination in der Regel schnell beseitigt (Lee et al. 2015). Besondere Vorsicht ist jedoch geboten, wenn der Fisch roh verzehrt wird (z.B. Sushi, Carpaccio oder Ceviche). Blattgemüse und anderes Rohkost sind ebenfalls ein hohes Risiko: 13,9% der lebensmittelbedingten Ausbrüche in der EU werden durch Obst und Gemüse verursacht (EFSA & ECDC 2017). Blattgemüse ist eine risikoreiche Kulturpflanze, weil es ein hohes Risiko darstellt: • werden häufig roh gegessen • • dicht an der Oberfläche wachsen eine sehr grosse Oberfläche für ihre Masse haben Blattgemüse neigt dazu, eine viel höhere Dosis an Krankheitserregern pro Portion abzugeben als jede andere Art von Produkt, wenn es kontaminiert ist (Aquaponics Association 2015). Kräuter, wie Basilikum oder Minze, haben tendenziell ein geringeres Risiko, da diese Pflanzen im Vergleich zu Salat in geringeren Mengen verzehrt werden (Lee et al. 2015). Eine Studie von Barnhart et al. (2015) zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen der Kontamination von unverpacktem, glatt-texturiertem Blattgemüse in Lebensmittelgeschäften, das mit Aquaponik, Hydrokultur und Bodenbearbeitung angebaut wird. Auch die chemische und toxische Kontamination kann ein Problem sein. Die kontrollierte Umgebung in Aquaponikanlagen kann diese Gefahren jedoch im Vergleich zu anderen Formen der landwirtschaftlichen Produktion weniger wahrscheinlich machen. Der Aquaponik-Produzent muss sich bewusst sein, dass • jedes chemische Produkt, das mit Pflanzen verwendet wird, die Fische und die Verbraucher beeinträchtigen könnte • jedes Produkt, das mit den Fischen verwendet wird, die Pflanzen und die Verbraucher beeinträchtigen könnte. Um die Risiken zu eliminieren oder auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren, sollten die AquaponikProduzenten präventive Massnahmen wie GAP und GHP umsetzen. Ein systemischer präventiver Ansatz zur Gefahrenanalyse und kritischen Kontrollpunkt (HACCP) sollte ebenfalls als eine Verbesserung von GAP und GHP umgesetzt werden (Abbildung 1). 222 HACCP system Agricultur al Hygiene Good Practice Abbildung 1: GAP (good agricultural practice, die gute landwirtschaftliche Praxis) und GHP (good hygiene practice, die gute Hygienepraxis) als wichtige Voraussetzungen des HACCP, die ¾ bzw. ¼ als präventiver Ansatz für die Lebensmittelsicherheit ausmachen 10.3 Gute landwirtschaftliche und hygienische Praktiken Im Allgemeinen bedeutet gute Praxis Qualitätssicherungsmassnahmen, die sicherstellen, dass Lebensmittelprodukte und lebensmittelbezogene Prozesse konsistent und kontrolliert sind und Qualitätsverfahren in Lebensmittelsystemen gewährleisten (Raspor & Jevšnik 2008) oder einfach definiert werden als " Doing things well and guaranteeing it has been done so" (FAO 2006). GAP ist die Auswahl von Methoden, die die Ziele der agronomischen und ökologischen Nachhaltigkeit in der primären Nahrungsmittelproduktion am besten erreichen können. GHP besteht aus praktischen Verfahren und Prozessen, die die Produktions- oder Verarbeitungsumgebung in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzen (Reinigungsprogramm); die sicherstellen, dass Gebäude und Ausrüstung effizient arbeiten (Wartungsprogramm); und die Kontrolle der Kreuzkontamination (in der Regel in Bezug auf Personen, Oberflächen und die Trennung von Roh- und Verarbeitungsprodukten) (Raspor & Jevšnik 2008). GAP und GHP sollten eingeführt werden, um jede Kontaminationsquelle so weit wie möglich zu reduzieren (Abbildung 2). 223 Ausrüstung Einrichtung Umwelt Menschen Lebensmittel Tiere und Schädlinge Abbildung 2: Kontaminationsquellen von Nahrungsmitteln, die von GAP und GHP angesprochen werden 10.3.1 Standort, Gestaltung und Aufbau Die Aquaponik erfordert in den meisten Klimazonen ein Gewächshaus. Bei der Entscheidung über den Standort der Aquaponikanlage sollte der Eigentümer bestimmte Faktoren berücksichtigen, wie die Nähe zu Industrieanlagen oder zu Standorten, die anfällig für Luftverschmutzung oder die Verbreitung von Schädlingen sind (z.B. Verbrennungsanlagen, Anlagen, die Schwermetalle freisetzen, Strassen mit starkem Autoverkehr, Freiluftmülldeponien usw.) (Copa - Cogeca 2018). Der Aquaponik-Produzent sollte auch das potenzielle Risiko von Naturkatastrophen (Überschwemmungen, Hitzewellen usw.) berücksichtigen. Luft und Staub können als Vehikel für Gefahren dienen, die durch eine kontrollierte Belüftung vermieden werden können. Zusätzlicher Windschutz für Systeme der Tiefwasserkultur (DWC) wird empfohlen, da der Wind die Flösse zum Hüpfen bringt, wodurch Wasser durch die Löcher spritzt und den Kontakt zwischen dem Wasser und den Blättern verursacht (Aquaponics Association 2015). Wenn die Aquaponik-Einheit von Vegetation umgeben ist, sollte sie gemäht/geschnitten werden, um das Risiko zu verringern, dass Nagetiere und Schädlingsinsekten in das Gewächshaus gelangen. Es gibt einige Bedenken hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit in Bezug auf Leberegel und andere Parasiten, die von Schnecken in Aquaponik übertragen werden können. Allerdings sind Schnecken nur ein Schritt im Lebenszyklus des Leberegels, für dessen Vollendung das Vieh benötigt wird. Wenn sich in der unmittelbaren Umgebung der Aquaponik keine Rinder oder andere Wiederkäuer befinden, wird das Risiko minimiert oder sogar eliminiert, da Schnecken wahrscheinlich keine Leberegel tragen (Aquaponics Association 2015). Die Verwendung von Baumaterialien, die eine potenzielle Kontaminationsquelle darstellen können (z.B. Farbe auf Bleibasis), sollte vermieden werden. Da Schädlinge sehr klein sein können (z.B. Weisse Fliegen und Thripse), können sehr feinmaschige Netze das Eindringen von Schädlingen in das System verhindern. In Europa werden solche Netzbarrieren im Allgemeinen durch die Anzahl der Öffnungen pro Zentimeter in jeder Richtung charakterisiert (z.B. hat ein 10x20-Netz 10 Öffnungen pro Zentimeter in einer Richtung und 20 in der anderen Richtung). Die durch die Verwendung feinmaschiger Netze verursachte Reduktion der natürlichen Belüftung kann durch eine Vergrösserung der Netzfläche (z.B. durch den Einsatz ziehharmonikaförmiger Netze) gemildert werden. 224 Die Arbeiter sollen während ihres Aufenthalts in der Produktionszone jederzeit Zugang zum Waschbecken haben. Diese sollten an ein effektives Entwässerungssystem angeschlossen werden. Alle Handwaschstationen sollten ausgestattet sein mit: • ein Becken • fliessendes Trinkwasser • Flüssigseife • Einweg-Papierhandtücher • einen abgedeckten Abfallbehälter (siehe Beispiel in Abbildung 3) Die Einrichtungen zum Waschen der Erzeugnisse nach der Ernte müssen von der Handwaschanlage getrennt sein. Es sollte auch ein sauberer, sicherer Ort abseits der Anlage für die Mitarbeiter zur Aufbewahrung persönlicher Gegenstände vorhanden sein. Dieser Bereich kann klein und einfach sein, wie zum Beispiel ein Regal (Aquaponics Association 2015). Abbildung 3: Beispiel einer Handwaschstation an der ZHAW, Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen (verdeckter Abfallbehälter ist auf diesem Foto nicht sichtbar) (Foto: Andrej Ovca) 10.3.2 Ausrüstung Die Produkte haben während der Ernte und Verarbeitung physischen Kontakt mit vielen Oberflächen. Dazu können Erntegeräte und -behälter, Transportbehälter, Messer und andere Utensilien, Sortierund Verpackungstische und Lagerbereiche gehören. Geräte, mit denen Lebensmittel in Kontakt kommen, sollten sein: • aus Materialien wie Edelstahl, lebensmittelechtem Kunststoff, Aluminium, Keramik oder verzinntem Kupfer hergestellt und in gutem Zustand gehalten werden, um das Kontaminationsrisiko zu minimieren 225 • gegebenenfalls mit Kontrollvorrichtungen ausgestattet (z. B. Thermometer im Kühlschrank) • gründlich gereinigt Wann immer möglich, sollten fest zugeordnete Geräte (Abbildung 4) verwendet werden. Fischausrüstung und Kontaktmaterialien müssen sauber und nicht kontaminiert sein (Schaufeln und Netze, Transportbehälter, Fischtötungsmaschine). Erntegeräte sollten nicht auf den Boden gestellt werden (Abbildung 4a). Alle Wiege- und Dosiergeräte sollten regelmässig kalibriert werden. Die Lagereinrichtungen sollten mit Vorrichtungen ausgestattet sein, die eine ständige Überwachung der Temperatur und eine gleichmässige Verteilung der Temperaturbedingungen ermöglichen, um die Kühlkette aufrechtzuerhalten (Copa - Cogeca 2018). Abbildung 4: Farbcodierungssystem zur Vermeidung von Kreuzkontaminationen durch Geräte der ZHAW, Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen (Foto: Andrej Ovca) 10.3.3 Hygiene am Arbeitsplatz Jeder, der in einer Aquaponik arbeitet sollte eine einfache Regel befolgen: immer gesund und sauber sein. Es wird auch empfohlen, spezielle Arbeitskleidung zu tragen. Die meisten Krankheiten, die den Menschen gefährden, können von den Arbeitern oder von Besuchern in das System eingeführt werden. Eines der grössten Risiken für die Sicherheit von Frischprodukten sind die Menschen und ihre Hände, die in ständigem Kontakt mit der Umwelt stehen. Kranke Arbeitnehmer und solche mit offenen Wunden oder Schnitten sollten nicht mit Produkten, Fisch oder Geräten umgehen (Lee et al. 2015), oder wenn sie gelbe Haut oder Augen haben, Halsschmerzen mit Fieber, Erbrechen oder Durchfall, bis die Symptome für mindestens 48 Stunden aufgehört haben. Rauchen, Kaugummi kauen oder Essen in der Nähe der Produktionsbereiche sollte verboten werden. Die Hände sollten jedes Mal gewaschen werden, nachdem man das Bad benutzt, gegessen hat, jemandem die Hand geschüttelt hat, mit Fischen umgegangen ist, die Hände in das Wasser des Systems gesteckt hat, Mund, Nase, Ohren, Haare berührt hat und natürlich vor der Ernte der Pflanzen. Beim 226 Händewaschen sollte stets flüssige Seife verwendet werden. Die empfohlene Handwaschtechnik (Abbildung 5) sollte verwendet werden. Die Hände sollten mit Trinkwasser abgespült und mit Einwegpapiertüchern abgetrocknet werden. Die Anzahl der persönlichen Gegenstände, die während der Arbeit mitgeführt werden, sollte so gering wie möglich gehalten werden. Dazu gehören Mobiltelefone, Schmuck, Nagellack, Haarverlängerungen usw., die in die Produkte fallen können. Tritt beim Umgang mit Fischen oder bei der Arbeit im Systemwasser eine Verletzung auf, sollte der Bereich sofort mit sauberem Wasser gewaschen und desinfiziert werden. Wenn jemand ein Pflaster tragen muss, muss es von einer Nicht-LebensmittelFarbe (z.B. blau) sein, ordnungsgemäss gesichert und mit einem Handschuh bedeckt sein. Abbildung 5: Handwaschtechnik (Quelle: www.who.int/gpsc/clean_hands_protection/en/#) Das Betreten des Gewächshauses von aussen ist ein wichtiger Eintrittsweg für Gefahren im Bereich der Lebensmittelsicherheit. Das Risiko kann durch hygienische Barrieren wie Fussmatten und eine 227 Handwaschstation am Eingang des Gewächshauses oder, falls dies nicht möglich ist, durch eine Händedesinfektion verringert werden (Abbildung 6). Als Alternative zu Fussmatten können die Arbeiterinnen und Arbeiter Schuhe oder Stiefel im Gewächshaus oder Einweg-Papierschuhe verwenden. Letzteres ist auch eine Alternative für Besucher (Aquaponics Association 2015). Fussmatten sollten immer mit aktiven Desinfektionslösung getränkt werden und nass sein. Eine trockene Fussmatte ist nicht wirksam. Es sollte darauf geachtet werden, dass die Fussmatten regelmässig ausgespült werden, damit sie nicht verstopfen. Die Desinfektionslösung sollte je nach verwendetem Produkt regelmässig gewechselt werden. Abbildung 6: Desinfektionsstelle für die Desinfektion der Stiefel und Hände der Arbeiterinnen und Arbeiter am Gewächshaus-Eingang der ZHAW, Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen (Foto: Andrej Ovca) Verhinderung von Kreuzkontaminationen Der Begriff der Kreuzkontamination wird gewöhnlich im Zusammenhang mit der Kreuzkontamination durch Mikroorganismen und in letzter Zeit auch im Zusammenhang mit Allergenen verwendet. Eine Kreuzkontamination von Produkt zu Produkt ist bei der Aquaponik weniger wahrscheinlich. Eine Kreuzkontamination durch Geräte kann (neben einer effizienten Reinigung) durch eine Farbcodierung effektiv gesteuert werden (Abbildung 4). Verschiedene Arten von Aufgaben sollten getrennt voneinander durchgeführt werden. Ein Arbeiter, der z.B. Salatköpfe schneidet oder Salatköpfe in Kisten anordnet, sollte nur mit Pflanzen hantieren, nicht aber Flösse bewegen, Netztöpfe ziehen oder andere Arbeiten ausführen, bei denen seine Hände mit dem Wasser des Systems in Berührung kommen. Ebenso sollte ein Arbeiter, der Aufgaben erledigt, bei denen seine Hände mit dem Wasser in Berührung kommen, nicht ohne vorheriges Händewaschen und/oder ohne das Wechseln der Handschuhe mit den Anlagen umgehen (Aquaponics Association 2015). 228 Kreuzkontaminationswege: • Produkt zum Produkt • durch Geräte, Behälter und Zubehör • durch Arbeiter • durch Reinigungsverfahren • durch andere mögliche Vektoren (Nagetiere, Insekten) Vorzugsweise sollten die Fische, Pflanzen oder Medien nicht mit blossen Händen, sondern mit Einweghandschuhen gehandhabt werden. Allerdings sollten vor dem Anziehen der Handschuhe auch die Hände gewaschen werden. Am besten besorgt man latexfreie Nitrilhandschuhe für den einmaligen Gebrauch und entsorgt diese nach jedem Gebrauch. Dermatologische Zoonosen, einschliesslich der durch Bakterienarten wie z.B. Mycobacterium, Streptococcus (iniae) und Vibrio spp. verursachten, wurden von Gauthier (2015) diskutiert. Obwohl die meisten Menschen eine starke natürliche Immunität gegen Wunden haben, die durch Bakterien wie Mycobacterium infiziert sind, werden schwerwiegendere Infektionen oft mit immungeschwächten Personen, tiefen Punktionswunden und hochvirulenten Bakterienstämmen in Verbindung gebracht. Diese topischen Infektionen entstehen meist als Folge von Verletzungen durch die Wirbelsäule von Fischen oder durch die Kontamination von offenen Wunden. Es ist wichtig, zu verhindern, dass das Systemwasser während der Ernte mit dem Produkt in Kontakt kommt. Speisen und Getränke sollten ausserhalb der Aquaponik-Einheit bleiben. Zusätzlich zu unerwünschten Bakterien können externe Lebensmittel und Getränke Allergene in Ihr System bringen, die ein Risiko für Ihre Verbraucher darstellen können. Ausbildung der Arbeiter Die Aquaponik-Mitarbeiter müssen über die entsprechenden Fähigkeiten und Informationen verfügen, die der Komplexität der Tätigkeiten, für die sie verantwortlich sind, entsprechen (Schulung im Tier/Pflanzenmanagement, Gesundheitsrisiken und Sicherheitspraktiken am Arbeitsplatz, Bedienung der Geräte, Einsatz von Chemikalien usw.). Der Eigentümer des Betriebs sollte sicherstellen, dass alle Arbeiter in den relevanten Gesundheits- und Sicherheitspraktiken und in der Hygiene geschult wurden. Die Ausbildung der Arbeiter sollte mindestens Folgendes umfassen: • die Bedeutung der guten Gesundheit beim Umgang mit Fisch, Ausrüstung und Produkten • korrekte Handwaschtechnik • korrekte Verwendung von Handschuhen • Regeln für saubere Kleidung und Schuhe • Erste-Hilfe-Massnahmen bei Schnittwunden und Verletzungen 229 Besucher Besucher stellen einen Weg Schädlinge und Krankheiten in das Aquaponik-System einzuführen dar, daher sollte immer davon ausgegangen werden, dass Besucher "kontaminiert" sind. Die Besucher müssen Protokolle befolgen, wie z.B. das Waschen oder Desinfizieren der Hände vor dem Betreten des Systems, die Benutzung von Fussmatten und die Aufbewahrung persönlicher Gegenstände an einem bestimmten Ort. Im Allgemeinen sollten Besucher von jemandem begleitet werden, damit diese Praktiken vorgeführt werden können (Aquaponics Association 2015). 10.3.4 Wasserversorgung Aus der Sicht der Lebensmittelsicherheit hat die Herkunft des Wassers, das in Aquaponik verwendet wird, einen bedeutenden Einfluss auf die Qualität der Endprodukte, unabhängig davon, ob es sich um Fische oder Pflanzen handelt (Chalmers 2004). • Kommunales (Trink-)Wasser hat in der Regel die beste Qualität aufgrund vorheriger Prüfungen und Sicherheitsanforderungen. Trinkwasser aus einer sauberen Quelle wird für ein Aquaponik-Kreislaufsystem immer bevorzugt • Grund- oder Brunnenwasser wird weniger Krankheitserreger enthalten als Oberflächenwasser (wie Teiche, Bäche oder Flüsse), da die Wahrscheinlichkeit einer Kontamination geringer ist. • Oberflächenwasser kann mit Tiergülle und Parasiten verunreinigt sein • Es ist wichtig, kein von Dächern aufgefangenes Regenwasser zu verwenden, da es durch Vogelkot verunreinigt sein kann. Bei der Verwendung von Regenwasser muss sichergestellt werden, dass die Vögel nicht auf dem Sammelgebiet rasten. Andernfalls sollte eine Behandlung des Wassers vor der Zugabe in das System in Betracht gezogen werden. 10.3.5 Fischfutter Nach dem Wasser ist die Fischnahrung der primäre Input in die Aquaponik. Futtermittel sollten von einer seriösen Quelle bezogen werden und immer in einem trockenen und sicheren Bereich gelagert werden, wo Vögel, Nagetiere und andere Schädlinge sie weder kontaminieren noch fressen können. Kontaminiertes Futter ist ein wichtiger Weg, über den gefährliche Bakterien wie Salmonellen in das System eingeführt werden könnten (Lee et al. 2015). Fischfutter und andere eingehende Materialien sollten regelmässig auf Folgendes überprüft werden: • Schädlinge • Ablaufdatum • intakte/unbeschädigte Verpackung Zusätzlich sollte das Fischfutter vor der Fütterung routinemässig kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass kein Kondenswasser oder sichtbarer Schimmel vorhanden ist. 230 10.3.6 Ernte und Verarbeitung Die Produkte können während der Ernte und Verarbeitung kontaminiert oder kreuzkontaminiert werden. Wenn möglich wird das "All-in-all-out"-Produktionssystem (bei dem alle Fische und Pflanzen gleichzeitig eingeführt und geerntet werden) empfohlen, um die Möglichkeit einer Kontamination zu minimieren. Verarbeitung bedeutet, Pflanzen oder Tiere in das zu verwandeln, was wir als Nahrung erkennen. Die Verarbeitung der Erzeugnisse kann so einfach sein wie Waschen und Sortieren oder aber auch Schneiden oder Filettieren umfassen. Bei Fisch ist der erste Schritt der Verarbeitung die Schlachtung. Wenn die Verarbeitung von Produkten und/oder Fisch auf dem Gelände geplant ist, wird ein spezieller Bereich/Raum benötigt, der vom Rest des Gewächshauses getrennt ist und nur für diese Art von Aktivitäten vorgesehen ist. Pflanzen Es ist von entscheidender Bedeutung, dass das Aquaponik-Wasser nicht mit den Blättern der Pflanzen in Kontakt kommt. Wenn möglich, sollte das System so konzipiert sein, dass es physisch verhindert, dass Wasser mit den essbaren Teilen der Pflanzen in Kontakt kommt, anstatt einfach darauf zu zählen, dass die Arbeiter vorsichtig sind (Aquaponics Association 2015). Dies verhindert viele Pflanzenkrankheiten sowie eine mögliche Verunreinigung der Produkte durch das Fischwasser, insbesondere wenn die Produkte roh gegessen werden sollen. Gemüse (in einem Aquaponik-System oder anderweitig hergestellt) muss vor dem Verzehr immer gewaschen werden (FAO 2014). Kranke Pflanzen und Komposthaufen sollten vom System ferngehalten werden, um eine Kontamination zu verhindern. Bei der Nährfilmtechnik (NFT) und den DWC-Beeten, bei denen die Erntemaschinen das gesamte Beet von den Gängen aus erreichen können, werden Pflanzen direkt auf dem Floss geschnitten, während die Flösse noch im Beet sind, und damit das Spritzen minimiert. Das Entfernen von Flössen aus DWCBeeten vor der Ernte stellt ein Risiko für die Lebensmittelsicherheit dar, da sie spritzen und tropfen und bei kleinen Beeten oft mehr Arbeit verursachen als sie einsparen (Aquaponics Association 2015). Der Produzent sollte sehr sorgfältig nach kleinen Schnecken und Nacktschnecken Ausschau halten, die tief in der Pflanze stecken bleiben könnten. Produkte, die Schädlingsschäden aufweisen, sollten nicht geerntet werden, da sie Krankheitserreger enthalten können. Jedes Produkt, das Schnecken oder deren Schleim enthält, sollte weggeworfen (als Abfall gesammelt) werden. Das Produkt sollte je nach Bedarf auseinander gezogen und in sauberem, kühlem, Trinkwasser (niemals in Wasser aus dem Aquaponik-System) gespült werden (Hollyer et al. 2009). Fische Kranke oder verletzte Fische sollten identifiziert und von den gesunden Fischen getrennt werden, um eine Kreuzkontamination zu vermeiden. Nach der Schlachtung sollte der Fisch sofort gekühlt werden. Die Temperatur der geschlachteten Fische sollte so schnell wie möglich 4⁰C oder weniger erreichen, und diese Temperatur sollte danach während der gesamten Lagerung und Verteilung beibehalten werden. Das zur Kühlung von Aquakulturprodukten verwendete Eis soll aus Trinkwasser hergestellt werden. Die Verarbeitung von Fisch birgt bestimmte Risiken, die über das hinausgehen, was normalerweise bei der Pflanzenproduktion auftritt. Wenn die Fischschlachtung und -verarbeitung vor 231 Ort vorgesehen ist, sollten die rechtlichen und ethischen Anforderungen der zuständigen Behörden für Lebensmittelsicherheit eingehalten werden. Lagerung von Gemüse und Fisch Wenn die Ernte lange vor dem Verkauf erfolgt, sollte eine Kühllagerung vorgenommen werden. Wenn der geerntete Fisch gelagert wird, sollte die Lagerung in einer speziellen Einrichtung erfolgen, die die Mindeststandards für die hygienische Gestaltung und Konstruktion von Fischlager- und Verarbeitungseinrichtungen erfüllt. Die Produkte müssen nach der Ernte kühl gehalten werden. Die sichere Temperatur beträgt 4°C oder weniger. Die Lagerung von Frischfisch zwischen -1°C und 2°C erhält eine bessere Qualität und mehr als die doppelte Haltbarkeit. -18°C ist die minimal erforderliche Lagertemperatur für gefrorenen Fisch. Die Lagerung bei -27°C oder niedriger erhält die Qualität für 12 Jahre (CDC 2014). Die Temperatur für die Konservierung muss jederzeit eingehalten werden. Unterschiedliche Arten von Produkten erfordern unterschiedliche Lagerungssysteme. Nachdem die Fische oder Pflanzen geerntet wurden, sollten die Produkte bei der entsprechenden Temperatur gehalten werden, um das Wachstum schädlicher Bakterien zu verlangsamen oder zu stoppen. Die "Kühlkette" beginnt bei der Ernte und endet beim Verbraucher (Lee et al. 2015). Man sollte Lebensmittelverpackungsmaterialien getrennt von Chemikalien und Reinigungs-, Desinfektions- und Pflanzenschutzmitteln lagern. Aufzeichnungen über die Pflanzenproduktion: • Verwendung jeglicher Pflanzenschutzmittel und Biozide (Produkt, Anwendungsdatum, Menge, Anwendungsmethode) • alle Fälle von Schädlingen oder Krankheiten, die die Sicherheit von pflanzlichen Produkten beeinträchtigen können (Art des Schädlings oder der Krankheit, Datum, getroffene Massnahmen) • die Ergebnisse der Analysen von Pflanzenproben oder anderer Proben, die für die menschliche Gesundheit von Bedeutung sind (Ergebnisse, Art der Probe, Standort, Analyselabor, Datum) Aufzeichnungen über die Tierproduktion: • die Art und Herkunft der den Tieren verabreichten Futtermittel (Futtermittel, Menge, Datum) • Tierarzneimittel oder andere Behandlungen, die den Tieren verabreicht wurden (verwendetes Produkt, Datum der Verabreichung, Wartezeit4) • Fälle von Krankheiten, die die Sicherheit von tierischen Produkten beeinträchtigen können (Art des Schädlings oder der Krankheit, Datum, ergriffene Massnahmen) • die Ergebnisse der Analysen von Proben, die den Tieren entnommen wurden, oder anderer zu Diagnosezwecken entnommener Proben, die für die menschliche Gesundheit von Bedeutung sind (Ergebnisse, Art der Probe, Ort, Analyselabor, Datum) • alle relevanten Berichte über Kontrollen, die an Tieren oder Produkten tierischen Ursprungs durchgeführt wurden Rückverfolgbarkeit Eine gute Buchführung ermöglicht es, jede mögliche Kontaminationsquelle (sowohl vorwärts als auch rückwärts) zurückzuverfolgen oder den Ursprung und die Ursache von Problemen in der 4 Die Wartezeit bezieht sich auf den Mindestzeitraum ab der Verabreichung der letzten Medikamentendosis und der Herstellung von Produkten tierischer Herkunft für die Ernährung. 232 Nahrungsmittelkette zu finden. Daher sollten Aquaponik-Betreiber sicherstellen, dass Aufzeichnungssysteme vorhanden sind, damit die Rückverfolgbarkeit gewährleistet werden kann (Copa - Cogeca 2018). Die Produktbehälter müssen etikettiert werden, wenn die Produkte an Grossküchen und/oder an Endverbraucher verkauft werden. Werden Lebensmittel ohne Vorverpackung dem Endverbraucher oder der Gemeinschaftsverpflegung zum Verkauf angeboten, aber für den direkten Verkauf in der Aquaponik-Einheit zubereitet, sind die folgenden Angaben obligatorisch: • Der Name des Lebensmittels (bei Fischen müssen sowohl der kommerzielle als auch der wissenschaftliche Name angegeben werden) • Vorhandene Allergene (alle in Anhang II der Verordnung (EU) Nr. 1169/2011 aufgeführten Zutaten oder Verarbeitungshilfsstoffe, die Allergien oder Unverträglichkeiten hervorrufen und bei der Herstellung oder Zubereitung verwendet werden und im Endprodukt noch vorhanden sind). Hinweis: Nicht erforderlich, wenn der Name des Lebensmittels eindeutig auf ein oder mehrere Allergene verweist, z.B. Fisch. • Das Mindesthaltbarkeitsdatum oder das Haltbarkeitsdatum sollte auf allen nicht vorverpackten Produkten angegeben werden. • Datum des Fangs/Ernte (freiwillige Angaben). Das Datum des Fangs/Ernte kann als Partie oder Losnummer betrachtet werden. Partie" oder "Charge" sind nützlich für die Rückverfolgbarkeit im Falle eines notwendigen Produktrückrufs. • Bei pflanzlichen Produkten wird eine Erklärung empfohlen, die den Verbrauchern rät, "vor dem Essen oder Servieren zu spülen" (freiwillige Information). Obligatorische Informationen sind auch für Zuchtfische (Aquakultur): • Produktionsverfahren • Land der Produktion Wie kennzeichnen Sie Ihre Produkte? • Auf dem Produkt. Wenn möglich, sollten die Informationen in einem Etikett präsentiert werden, das entweder auf der Verpackung angebracht oder durch die Verpackung hindurch sichtbar ist. • Auf einem Aushang. Die Informationen können auf einem Aushang in unmittelbarer Nähe der Ware oder an der Regalkante präsentiert werden. • Mündlich. Bei einer reinen Allergeninformation können Sie dem Kunden die Information auch mündlich geben. Sie müssen in unmittelbarer Nähe der Produkte (oder auf den Produkten selbst) einen Hinweis anbringen, der die Kunden dazu auffordert, einen Mitarbeiter um Informationen zu den Allergenen zu bitten - z.B. "Bitte fragen Sie uns nach den Allergenen in unseren Lebensmitteln". 233 Die Verordnung (EG) Nr. 710/2009 der Kommission (Verordnung über die ökologische Aquakultur) legt detaillierte Regeln für die Praktiken bei der Produktion von Aquakulturprodukten fest, die als ökologisch gekennzeichnet werden können. Materialien mit Lebensmittelkontakt Materialien mit Lebensmittelkontakt (Food contact materials, FCM) sind entweder dazu bestimmt, mit Lebensmitteln in Berührung zu kommen, kommen bereits mit Lebensmitteln in Berührung oder können bei normaler oder vorhersehbarer Verwendung vernünftigerweise mit Lebensmitteln in Berührung gebracht werden oder ihre Bestandteile auf die Lebensmittel übertragen. Beispiele sind: • Behälter für den Transport von Lebensmitteln • Maschinen zur Verarbeitung von Lebensmitteln • Verpackungsmittel • Küchen- und Tafelgeschirr Die Sicherheit von FCM wird von den Unternehmern, die sie auf den Markt bringen, und von den zuständigen Behörden bei den amtlichen Kontrollen geprüft. Alle Materialien oder Gegenstände, die dazu bestimmt sind, mit Lebensmitteln in Berührung zu kommen, sollten ausreichend inert sein, um auszuschliessen, dass Stoffe in Mengen auf Lebensmittel übertragen werden, die gross genug sind, um die menschliche Gesundheit zu gefährden oder eine unannehmbare Veränderung der Zusammensetzung oder eine Beeinträchtigung der organoleptischen Eigenschaften des Lebensmittels herbeizuführen. Es gibt eine grosse Bandbreite an FCM-Typen, die gebräuchlichsten sind: • Keramik • Kork • Glas • Metall und Legierungen • Papier und Pappe • Regenerierte Zellulose • Gummi • Silikon • Holz Das internationale Symbol für Material, das für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet ist (Abbildung 7), garantiert im Allgemeinen, dass die Materialoberfläche frei von toxischen Verunreinigungen aus dem Herstellungsprozess ist und dass das Material durch den Gebrauch nicht potenziell zu einer Quelle toxischer Kontamination wird. 234 Abbildung 7: internationales Symbol für Material, das für den Kontakt mit Lebensmitteln geeignet ist (Quelle: http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:338:0004:0017:DE:PDF) 10.3.7 Reinigung und Hygiene Sauberkeit ist eine Schlüsselanforderung, die für das Personal, die Einrichtung und die Ausrüstung gilt. Für die beiden letztgenannten müssen kontinuierlich gute Bedingungen aufrechterhalten werden. Erntewerkzeuge, Schneidewerkzeuge und die Kontaktflächen müssen sauber gehalten werden. Chemikalien, die zur Reinigung und Desinfektion verwendet werden, müssen gemäss ihren Anweisungen verwendet und stets ausserhalb von Bereichen gelagert werden, in denen Lebens- oder Futtermittel hergestellt, gelagert oder gehandhabt werden. Chemikalien in der Originalverpackung und solche, die in kleinere Einheiten umgefüllt werden, sollten immer mit mindestens folgenden Informationen gekennzeichnet werden (lesbar, unverwechselbar, wasserfest): Name, Datum, Konzentration. MENSCHENGESUNDHEIT Wenn Sie die Umwelt nicht sauber halten (insbesondere Oberflächen, die nach der Ernte mit Pflanzen und Fischen in Kontakt kommen), werden Sie mit grosser Wahrscheinlichkeit Produkte ernten, die nicht sauber oder ungesund sind. PFLANZENGESUNDHEIT Wenn Sie Ihren Zuchtraum nicht sauber halten, öffnen Sie Wege für Pflanzenkrankheiten. GESUNDHEIT DER FISCHE Wenn Sie Ihre Fischbecken nicht sauber halten, öffnen Sie Wege für Fischkrankheiten.. Der Aquaponik-Betreiber muss sicherstellen, dass die Werkzeuge vor und nach jedem Gebrauch gereinigt werden, und sicherstellen, dass Reinigungsmittel wie Besen und Mopps speziell für die Aquaponik-Einheit bestimmt sind. Wenn es mehrere Systeme gibt, sollten die Reinigungsgeräte (Bürsten, Schwämme, Tücher, Wasserprobengefässe usw.) für jedes System getrennt und farblich gekennzeichnet werden (Abbildung 8a). 235 Abbildung 8: Reinigungswerkzeuge, getrennt für jedes Einheit mit Farbkodierungssystem (a) und ausserhalb der Aquaponik-Einheit mit Reinigungsmitteln im geschlossenen Schrank (b) an der ZHAW, Institut für Umwelt und Natürliche Ressourcen (Foto: Andrej Ovca) WICHTIG! - Stellen Sie sicher, dass Sie lebensmitteltaugliche Chemikalien verwenden. - Tragen Sie beim Umgang mit aggressiven Chemikalien Augenschutz und Handschuhe Reinigungsverfahren Die zu reinigenden Flächen sind hydroponische Kanäle, Fischbecken, Seiten von Gewächshäusern, Wege usw. umfassen. Es wird empfohlen, einen Reinigungsplan zu erstellen, in dem die folgenden Informationen definiert sind: • Was soll gereinigt werden? • Wie? • Wann/Wie? • Wer putzt? Was ist zu reinigen? Oberflächen können z.B. in verschiedene Zonen eingeteilt werden (Bihn et al. 2014): • Zone 1: Oberflächen mit direktem Lebensmittelkontakt (Sortiertische, Regale, Utensilien, Ernte-/Lagerbehälter) • Zone 2: Flächen, die nicht mit Lebensmitteln in Berührung kommen und sich in unmittelbarer Nähe des Produkts befinden (innere und äussere Teile von Wasch- oder Verarbeitungsanlagen, Gehäuse, Rahmen) 236 • Zone 3: Bereiche innerhalb des Aquaponik-Systems wie Mülltonnen, Böden, Abflüsse, Toiletten, Gabelstapler) • Zone 4: Bereiche ausserhalb des Aquaponik-Systems Wie wird gereinigt? Man sollte den Reinigungsprozess immer in Zone 1 beginnen und in Zone 4 beenden. Ausserdem sollte die Reinigung immer oben beginnen und nach unten fortgesetzt werden, wobei die Böden am Ende gekehrt und gewischt werden. • Schritt 1: Die Oberfläche sollte gespült werden, damit offensichtlicher Schmutz und Ablagerungen entfernt werden. Alle biologischen Stoffe (Pflanzen, Algen usw.) sollten vor weiteren Reinigungsverfahren entfernt werden. • Schritt 2: Reinigungsmittel sollte aufgetragen und die Oberfläche geschrubbt werden. • Schritt 3: Die Oberfläche sollte mit Trinkwasser gespült werden. • Schritt 4: Bei Bedarf sollte ein geeignetes Desinfektionsmittel verwendet werden. Wenn das Desinfektionsmittel eine abschliessende Spülung erfordert, ist ein zusätzlicher Schritt erforderlich. • Schritt 5: Die Oberfläche sollte an der Luft trocknen. Nachdem die Fische aus dem System entfernt worden sind, sollte es entleert und die Becken mit einem Hochdruckschlauch ordnungsgemäss gereinigt werden. Die Verwendung eines HochdruckHeisswassergerätes mit Reinigungsmittel ist eine gute Möglichkeit, auch Oberflächen zu reinigen und zu desinfizieren. Alle Geräte (Netze, Eimer usw.), die mit dem Systemwasser in Berührung kommen, müssen desinfiziert werden. Hinweis: Nach der Ernte sollten die Flösse gereinigt, aber nicht desinfiziert und trocknen gelassen werden, um das Abtöten der nitrifizierenden Bakterien auf der untergetauchten Oberfläche des Flosses zu vermeiden. Schneidebretter und Messer sollten vor dem Schneiden von Produkten mit Seife in heissem Wasser gewaschen werden. Alle Seifen sollten unter fliessendem Wasser ausgespült und bei Bedarf mit einem Einwegpapiertuch getrocknet werden. Schneidemaschinen können auch routinemässig mit einer Desinfektionslösung wie Bleichmittel, Alkohol oder einem anderen kommerziellen Produkt gereinigt werden. Wie desinfiziert man? Aquaponik-Betreiber sollten stets die Kennzeichnung auf einem Produkt befolgen und die richtige Schutzkleidung tragen. Zur Desinfektion können verschiedene Mittel verwendet werden. Chlorbleiche, die zu einer 10-prozentigen Lösung gemischt und fünf Minuten lang stehen gelassen wird, ist sehr wirksam bei der Abtötung von Krankheitserregern (Moran 2013). Andere Arten von Produkten sind solche, die quaternäres Ammonium enthalten, die weniger flüchtig und stabiler sind als Bleichmittel und die meist für Metalloberflächen empfohlen werden. Da Chlordioxid ein Gas ist, kann es weitaus besser als flüssige Produkte in Gewächshäuser eindringen und diese infiltrieren. Essig ist ein weiteres 237 Desinfektionsmittel (Godfrey 2015). Konzentrierte Peroxyessigsäure (max. 15 ml pro 3 m3 Systemwasser) kann zur Desinfektion von Trommelfiltern und auch zur Entfernung von Kalkstein, der sich auf den Maschen gebildet hat, verwendet werden. Es muss darauf geachtet werden, dass die Säure nicht auf einmal in den Biofilter und in das Aquarium gelangt. Wichtig: Die Desinfektion sollte immer nur von entsprechend geschultem Personal durchgeführt werden. Wie oft muss man putzen? • Ablagerungen und stehendes Wasser sollten täglich entfernt werden, um die Sicherheit der Arbeiter zu gewährleisten und das Risiko der Anziehung von Schädlingen zu minimieren. Die Beseitigung aller Pflanzenreste, einschliesslich der Wurzeln, am Ende jeder Ernte trägt dazu bei, das Auftreten von Schädlingen und Krankheiten zu verringern. • Der Boden des Systems sollte einmal pro Woche (Spinnennetze, Fischfutter usw.) mit einem Besen und gegebenenfalls mit dem nassen Tuch gereinigt werden. • Pumpen und Trommelfilter sollten mindestens einmal alle 2 Monate gereinigt werden. • Ein- oder zweimal im Jahr sollten die Fischbecken geschrubbt werden, um Algen und Biofilm von den Wänden zu entfernen. 10.3.8 Schädlingsbekämpfung Die Schädlingsbekämpfung wurde bereits in Kapitel 8 (Integrierte Schädlingsbekämpfung) behandelt, so dass hier nur die wichtigsten Punkte angesprochen werden. Schädlinge und Wildtiere wie Vögel, Ungeziefer und Insekten sowie Haustiere (Hunde, Katzen usw.) können eine Quelle für die Kontamination von Lebensmitteln sein und auch als Überträger für Infektionskrankheiten fungieren. Der Aquaponik-Betreiber sollte Massnahmen ergreifen, um zu verhindern, dass Schädlinge die Produkte direkt kontaminieren und dass Geräte und andere Materialien mit den Produkten in Kontakt kommen. Der Ausschluss von Wildtieren/Schädlingen ist auch notwendig, um zu verhindern, dass Fische und Gemüse von Wildtieren gefressen werden (Aquaponics Association 2015). Ungeziefer, Wildtiere und Haustiere sollten in dem allgemeinen Bereich, in dem sich das Gewächshaus befindet, ausgeschlossen oder minimiert werden. Durch den Einsatz von Netzen und Abschreckungsmitteln kann eine Verunreinigung des Systems durch Vögel verhindert werden. Die Gewächshaustüren sollten die meiste Zeit geschlossen gehalten und der Abfall aus der Umgebung der Anlage entfernt werden. Die Anwesenheit von Schädlingen sollte visuell kontrolliert werden, und es sollten Korrekturmassnahmen ergriffen werden, wenn Anzeichen von Schädlingen entdeckt werden. Die unsachgemässe oder illegale Verwendung von Chemikalien zur Schädlingsbekämpfung kann zu Gefahren für die menschliche Gesundheit führen. Die beste Praxis ist die Vernetzung aller Produktionssysteme. Netzsysteme schränken den Zugang von Warmblütern stark ein. Um Nagetiere im Gewächshaus zu verhindern, sollten Mausefallen verwendet und 3-4 Mal pro Woche kontrolliert werden, insbesondere im Herbst und Winter, wenn die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens höher ist. Wenn Produkte an Verbraucher und/oder Lebensmittelunternehmer verkauft werden, sollten die Mausefallen von einer registrierten und zuständigen Behörde aufgestellt werden, die sich auch um gefangene Tiere kümmern sollte. Insektenlampen sollten regelmässig überprüft und gereinigt werden. 238 10.3.9 Abfälle und gefährliche Stoffe Tierarzneimittel und Chemikalien (Pflanzenschutzmittel, Biozide, Reinigungsmittel usw.) sollten gemäss den Leitlinien des Herstellers und ausserhalb der Bereiche gelagert werden, in denen die Herstellung, Lagerung und Handhabung von Lebensmitteln erfolgt (Tabelle 3). 10.4 HACCP-System Das Management der Lebensmittelsicherheit, das aus den Programmen zur Erfüllung der Voraussetzungen (GAP und GHP) besteht und mit einem HACCP-System (Hazard analysis and critical control points) erweitert wurde, ist ein Fahrplan für die Aquaponik-Betreiber, um die Risiken zu verringern, welche die Produktsicherheit gefährden können. Ein umfassender HACCP-Plan beschreibt Verfahren für alle Aspekte der Produktion und Verarbeitung. Es bietet auch eine Struktur zur Beurteilung eines Betriebs und dient als Referenz für die Mitarbeiter während der Ausbildung. Da ein HACCP-System immer an jede einzelne Einrichtung angepasst werden muss, wird in Tabelle 4 ein allgemeiner Ansatz vorgestellt. Wenn sie Produkte an den Endverbraucher oder andere Lebensmittelunternehmer verkaufen, sollte der Aquaponik-Betreiber die Effizienz des Lebensmittelsicherheits-Managementsystems durch Probenahme und Analyse des Endprodukts/Produkts überprüfen. Zu diesem Zweck sollten die Aquaponik-Betreiber mit einem akkreditierten Labor zusammenarbeiten, das mindestens einmal pro Jahr eine mikrobiologische Analyse der Endprodukte durchführt. Neben Lebensmitteln können auch Oberflächen mit Lebensmittelkontakt beprobt und analysiert werden. Zusätzlich werden auch chemische Analysen von Rückständen empfohlen. 239 Tabelle 3: Massnahmen zur Risikovermeidung durch Tierarzneimittel, Chemikalien, Abfälle und Abwässer (Copa - Cogeca 2018) TIERÄRZTLICHE PRODUKTE • • • • CHEMIKALIEN • • • ABFALL • • • ABWASSER • Es sollten nur zugelassene Produkte verwendet und Unter- sowie Überdosierungen vermieden werden. Tierärztliche Behandlungen sollten immer in Übereinstimmung mit den Anweisungen des Herstellers durchgeführt werden. Veterinärprodukte, deren Verfallsdatum überschritten ist, sollten nicht verwendet werden Nach der Anwendung tierärztlicher Behandlungen von Fütterungsarzneimitteln sollte die Wartezeit eingehalten werden, um das mögliche Vorhandensein chemischer Rückstände zu vermeiden. Die in dieser Zeit produzierten tierischen Güter sollten niemals für den menschlichen Verzehr bestimmt sein. Sie sollten stattdessen gemäss den nationalen Vorschriften entsorgt oder alternativen Verwendungen zugeführt werden, die in Ihrem Land zugelassen sind. Unbenutzte Tierarzneimittel und ihre Behälter sollten gemäss den von ihrer nationalen Behörde festgelegten Anforderungen entsorgt werden. Die Hersteller von Aquaponik sollten so weit wie möglich verhindern, dass Medikamente in die Umwelt gelangen, da Resistenzprobleme auftreten können. Es sollten nur zugelassene Chemikalien verwendet und die Anweisungen des Herstellers befolgt werden. Gegebenenfalls sollten die vom Hersteller festgelegten Wartezeiten eingehalten werden, um eine mögliche Kontamination der Tiere oder des Menschen zu vermeiden. Unbenutzte Chemikalien und ihre Behälter sollten gemäss den nationalen Vorschriften entsorgt werden. Abfälle wie Schmiermittel, Einstreu, Glasscherben, Batterien usw. sollten in geschlossenen Behältern, Gefässen oder Kisten gelagert werden, frei von Feuchtigkeit, unzugänglich für Nagetiere und unter Vermeidung aller Möglichkeiten einer Wasser-, Lebensmitteloder Futtermittelkontamination. Tote Tiere, Abfälle und andere Nebenprodukte, die nicht für den menschlichen Verzehr bestimmt sind, sollten schnell aus der Anlage entfernt werden, und zwar so, dass eine Kontamination der Lebensmittel vermieden wird. Die Behälter müssen eine geeignete Konstruktion aufweisen, in einwandfreiem Zustand gehalten werden, leicht zu reinigen und, falls erforderlich, zu desinfizieren sein (verschliessbare Behälter). Am besten ist es, "gebrauchtes" Fischabwasser in den Boden zu bringen. Es kann zur Bewässerung und Düngung von Rasenflächen oder Pflanzen verwendet werden. Das Wasser in Fischbecken sollte nicht direkt in einen Bach, Kanal, Bewässerungsgraben oder ein Reservoir geleitet werden, da kleine Fische oder andere Wasserlebewesen in die Umwelt gelangen könnten. 240 Tabelle 4: Allgemeiner Ansatz zur Erstellung eines HACCP-Plans SCHRITT BESCHREIBUNG PRODUKT BESCHREI BUNG Die Produktbeschreibung sollte den Namen des Produkts, sein Potenzial zur Unterstützung des Mikrobenwachstums, eine geeignete Verpackung und den Verwendungszweck einschliesslich der Konsumentengruppe enthalten. Es ist zum Beispiel wichtig, zu berücksichtigen, ob empfindliche Bevölkerungsgruppen das Produkt konsumieren dürfen (d.h. ältere Menschen, immunsupprimierte Personen, Schwangere und Kleinkinder). FLUSSDIAGRAM M Es ist einfacher, Wege einer potenziellen Kontamination zu identifizieren und Kontrollmethoden vorzuschlagen, wenn es ein Flussdiagramm gibt. Die Überprüfung des Materialflusses von dem Punkt, an dem das Material in das System gelangt, bis hin zur Ernte und Verarbeitung ist das Merkmal, das ein Managementsystem für die Lebensmittelsicherheit zu einem spezifischen und wichtigen Instrument für die Identifizierung und Kontrolle potentieller Gefahren macht. Das Prozess-Flussdiagramm hilft, die wichtigen Prozessschritte zu identifizieren. Jeder Prozessschritt sollte im Detail betrachtet und die Informationen um alle relevanten Prozessdaten erweitert werden. GEFÄHRDUNGSANALYSE Nach der Auflistung aller Gefahren, die vernünftigerweise erwartet werden können, sollte das potenzielle Risiko jeder Gefahr in jedem Schritt des Prozesses unter Berücksichtigung der Wahrscheinlichkeit des Auftretens und des Schweregrades mit Hilfe des folgenden Modells bewertet werden: Frequenz A B C D E Konsequenz Tritt häufig auf Es ist bekannt, dass es auftreten kann (Veröffentli cht) Könnte auftreten Nicht erwartet, dass es auftritt So gut wie unmöglich, dass es auftritt (1) Todesfall 1 2 4 7 11 (2) Schwere Krankheit 3 5 8 12 16 (3) Rückruf von Produkten 6 9 13 17 20 (4) Kundenbeschwerde 10 14 18 21 23 (5) Unwesentlich 15 19 22 24 25 Die Abschätzung des Risikos des Eintretens einer Gefahr basiert auf einer Kombination aus Erfahrung und Informationen aus der Literatur. Der Schweregrad ist der Grad der Schwere der Folgen einer Gefahr, wenn die Gefahr nicht beherrscht wird. Die Gefahren wurden möglicherweise bereits durch die gute landwirtschaftliche Praxis (GAP) und die gute Hygienepraxis (GHP) angegangen. KRITISCHE R KONTROL L-PUNKT (CRITICAL Ein kritischer Kontrollpunkt (CCP) wird definiert als "ein Schritt, an dem eine Kontrolle durchgeführt werden kann und der wesentlich ist, um eine Gefahr für die Lebensmittelsicherheit zu verhindern oder zu beseitigen oder auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren". Die Bestimmung einer CCP kann durch die Anwendung eines Entscheidungsbaums (siehe unten) erleichtert werden, der eine logische Argumentation anzeigt. Die Anwendung des Entscheidungsbaums sollte je nach Art der zu analysierenden Einheit flexibel sein. Es ist wichtig, 241 CONTROL POINT, CCP) dass, wenn die Gefahr(en) bereits durch die Programme zur Schaffung der Voraussetzungen (GAP/GHP) gehandhabt wird (werden), der Schritt in diesem Prozess nicht als CCP eingestuft wird. KRITISCHE GRENZEN Für jede im vorhergehenden Schritt ermittelte CCP (falls vorhanden, ansonsten bleiben wir beim vorhergehenden Schritt stehen) müssen kritische Grenzen definiert werden. Kritische Grenzen sind definiert als Kriterien, die im Hinblick auf die Sicherheit des Endprodukts die Akzeptanz von der Nicht-Akzeptanz trennen. Kritische Grenzen können für Faktoren wie Temperatur, Zeit (minimale zeitliche Belastung), physikalische Produktabmessungen, Feuchtigkeitsgehalt usw. festgelegt werden. Die kritischen Grenzen sollten den Anforderungen von Vorschriften (falls vorhanden) und/oder internen Standards (CRITICAL LIMITS) 242 entsprechen. Es ist wichtig, dass die für die Festlegung der kritischen Grenzen verantwortliche Person über Kenntnisse des Prozesses und der für das Produkt erforderlichen rechtlichen und kommerziellen Normen verfügt. Zu den Informationsquellen für kritische Grenzwerte gehören: • • • Wissenschaftliche Veröffentlichungen/Forschungsdaten Regulatorische Anforderungen und Richtlinien Experimentelle Studien Wenn die für die Festlegung der kritischen Grenzen erforderlichen Informationen nicht verfügbar sind, sollte ein konservativer Wert gewählt oder auf regulatorische Grenzwerte zurückgegriffen werden. Sobald die kritischen Grenzen festgelegt sind, müssen sie aufgezeichnet werden. ÜBERWACHU NG Überwachung ist "der Akt der Durchführung einer geplanten Sequenz von Beobachtungen oder Messungen von Kontrollparametern, um zu beurteilen, ob ein CCP unter Kontrolle ist". Überwachung ist die planmässige Messung oder Beobachtung eines CCPs in Bezug auf seine kritischen Grenzen. Die Überwachungsverfahren müssen in der Lage sein, einen Kontrollverlust bei der CCP zu erkennen. Die Überwachungsspezifikationen für jede CCP sollten darüber Auskunft geben: • • • • Was wird überwacht? Wie kritische Grenzwerte und vorbeugende Massnahmen überwacht werden sollen? Häufigkeit der Überwachung? Wer überwacht? KORRIGIEREN DE MASSNAHME N Korrekturmassnahmen sind "alle Massnahmen, die zu ergreifen sind, wenn die Ergebnisse der Überwachung in der CCP einen Kontrollverlust anzeigen". Die Vielfalt der möglichen Abweichungen bei jeder CCP bedeutet, dass mehr als eine Korrekturmassnahme erforderlich sein kann. Wenn eine Abweichung auftritt, wird sie höchstwahrscheinlich bei der routinemässigen Überwachung der CCP bemerkt. Die Abweichungsverfahren an jedem CCP sollten aufgezeichnet werden. Verfahren zur Korrektur sind notwendig, um die Ursache des Problems zu ermitteln, Massnahmen zu ergreifen, um ein erneutes Auftreten zu verhindern, und anschliessend eine Überwachung und Neubewertung vorzunehmen, um sicherzustellen, dass die ergriffenen Massnahmen wirksam sind. Wenn die Korrekturmassnahme nicht auf die Ursache der Abweichung eingeht, könnte die Abweichung erneut auftreten. DOKUMENTAT ION Aufzeichnungen sind für die Überprüfung der Einhaltung des HACCP-Systems im Rahmen des HACCP-Plans unerlässlich. Ein Protokoll zeigt die Prozesshistorie, die Überwachung, die Abweichungen und die Korrekturmassnahmen, die bei der identifizierten CCP aufgetreten sind. Sie kann in jeder Form erfolgen, z.B. in Form eines Verarbeitungsdiagramms, einer schriftlichen Aufzeichnung oder einer computergestützten Aufzeichnung. Im Rahmen des HACCP-Programms sollten drei Arten von Aufzeichnungen geführt werden: • • • Unterstützende Dokumentation zur Entwicklung des HACCP-Plans (z.B. Produktbeschreibung, Flussdiagramm, Gefahrenanalyse, Identifizierung von CCPs) Vom HACCP-System generierte Aufzeichnungen (Überwachungsaufzeichnungen für alle CCPs, Aufzeichnungen über Abweichungen und Korrekturmassnahmen) Dokumentation der verwendeten Methoden und Verfahren 243 10.5 Referenzen Aquaponics Association 2015. Provisional GAPs for leafy greens and fruiting crops in commercial aquaponics. Barnhart, C., Hayes, L. & Ringle, D. 2015. Food Safety Hazards Associated with Smooth-Textured Leafy Greens Produced in Aquaponic, Hydroponic, and Soil-based Systems with and without Roots in Retail. Minneapolis: University of Minnesota Aquaponics. Bihn, E.A., Schermann, M.A., Wszelaki, A.L., Wall, G.L., & Amundson, S.K. 2014. On-Farm Decision Tree Project: Sanitation and Postharvest Handling. National Good Agricultural Practices Programme, Cornell College of Agriculture and Life Sciences. CDC 2014. Fish Cooking and Storage Temperatures. BC Centre for Disease Control, British Columbia. Chalmers, G.A. 2004. Aquaponics and Food Safety. Copa – Cogeca 2018. EU Guide to Good Hygiene Practice (GGHP) for the primary production of foodstuffs. Copa – Cogeca European Farmers European Agri-Cooperatives, Brussels. Deering, A.J., Mauer, L.J. & Pruitt, R.E. 2012. Internalization of E. coli O157:H7 and Salmonella spp. in plants: A review. Food Research International 45 (2), 567-575. EC 2012. 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Wissenschaft bezieht sich auf systematisches und organisiertes Wissen in jedem Bereich der Untersuchung, das mit "wissenschaftlichen Methoden" entstanden ist. Die wissenschaftliche Methode ist die beste Methode, die wir haben, um zuverlässige Daten über die Welt zu erhalten, die helfen, verschiedene Phänomene zu erklären und vorherzusagen. Wissenschaft basiert auf beobachtbaren und messbaren Dingen/Phänomenen. Es gibt jedoch keine absolute wissenschaftliche Wahrheit; es ist nur so, dass einige Erkenntnisse weniger wahrscheinlich falsch sind als andere (Nayak & Singh 2015). Aussagen, die durch wissenschaftliche Forschung produziert werden, müssen überprüfbar sein, d.h. die Methode und die Ergebnisse der Forschung selbst müssen reproduzierbar sein. Forschung Forschung ist definiert als eine wissenschaftliche und systematische Suche nach relevanten Informationen zu einem bestimmten Thema. In diesem Fall bezieht sich der Begriff "Forschung" auf die systematische Methode, die die Artikulation des Problems, die Formulierung einer Hypothese, das Sammeln von Fakten oder Daten sowie deren Analyse und das Ziehen bestimmter Schlussfolgerungen umfasst, entweder als Lösung(en) für das untersuchte Problem oder als Verallgemeinerungen für eine theoretische Formulierung. Forschung wird als "wissenschaftliche Forschung" bezeichnet, wenn sie zum Pool der Wissenschaft beiträgt und der wissenschaftlichen Methode folgt. Generell lässt sich die Forschung in zwei Gruppen einteilen: • Grundlagenforschung: Das Hauptziel besteht darin, sich einen fundierten Bestand an wissenschaftlichen Erkenntnissen anzueignen und nicht unbedingt Ergebnisse mit direkter praktischer Wirkung zu erzielen. Bei der Grundlagenforschung geht es um grundlegende Eigenschaften von Objekten, ihre Beziehung und ihr Verhalten, wozu auch theoretische und experimentelle Forschung gehört. • Angewandte Forschung: Das Hauptziel ist die Lösung praktischer Probleme. Das Ziel, einen Beitrag zum wissenschaftlichen Wissenspool zu leisten, ist zweitrangig. Die angewandte Forschung konzentriert sich auf die Nützlichkeit von Ergebnissen sowie auf Verbesserungen der Technologie. 246 11.1.2 Forschungsvokabular Variablen und Ebenen der Messungen Eine Variable ist eine messbare Eigenschaft eines abstrakten Konstrukts. Eine Variable ist etwas, das mehr als einen Wert haben kann und von negativ bis positiv, von niedrig bis hoch usw. variieren kann. Es ist das Gegenteil einer Konstanten. Die Werte einer Variablen können Wörter (z.B. Geschlecht) oder Zahlen (z.B. Temperatur) sein. Konstrukte allein können nicht direkt gemessen werden; daher müssen Wissenschaftler Ersatzmasse, die Variablen genannt werden, finden. Die Wasserqualität wird beispielsweise häufig als Nitrat- und Orthophosphatkonzentration und als chemischer Sauerstoffbedarf gemessen, was verschiedene Parameter sind, die aus analytischen Laborverfahren an einer Wasserprobe gewonnen werden. In diesem Fall ist die Wasserqualität ein Konstrukt, und die Nitrat- und Orthophosphatkonzentrationen und der chemische Sauerstoffbedarf sind die Variablen, die sie messen. Variablen, die andere Variablen beschreiben, werden als unabhängige Variablen bezeichnet, während Variablen, die durch andere Variablen beschrieben werden, abhängige Variablen sind. In einem Forschungsexperiment kann es andere Variablen geben, die für die Untersuchung einer ausgewählten abhängigen Variable nicht relevant sind, die aber einen gewissen Einfluss auf diese haben könnten. Diese Grössen müssen während des gesamten Versuchs kontrolliert werden und werden als Kontrollgrössen bezeichnet (z.B. pH-Wert und Sauerstoffkonzentration bei der Wasserqualität). In der Forschung wollen wir bestimmte Variablen auswählen und nach Beziehungen zwischen ihnen suchen; darüber hinaus wollen wir verstehen, ob und wie die Variation in einer Variablen die Variation in einer anderen beeinflusst. Die verschiedenen Variablen haben in aufsteigender Reihenfolge unterschiedliche Messwerte: Nominal-, Ordinal-, Intervall- und Verhältniswerte. Für die Forschung ist es wichtig, immer die Variablen mit dem höchsten Messniveau auszuwählen (Nayak & Singh 2015): - Nominales Niveau der Messung: Die Werte auf diesem Niveau beinhalten eine Liste von Namen/Wörtern. Die Benennung von Werten ist ein qualitatives Mass (z.B. Blattfarbe). Es ist auch möglich, die Namen von Werten durch Zahlen zu ersetzen (z.B. 1 für dunkelgrün, 2 für hellgrün, 3 für blau-grün, 4 für rötlich-grün usw.); in diesem Fall bedeuten die Zahlen jedoch nur eine andere Art von Namen und machen die Variable nicht quantitativ. Die Benutzung von Zahlen für Merkmale erleichtern statistische Analysen qualitativer Daten. Die statistische Analyse der zentralen Tendenz wie Modus; Mittelwert oder Median können für nominale Messungen nicht definiert werden (es ist nicht möglich, ein durchschnittliches Geschlecht oder eine durchschnittliche Farbe zu berechnen). Geeignete statistische Analysen sind Chi-Quadratund Häufigkeitsverteilung sowie eine Eins-zu-Eins (Gleichheits-)Transformation (z.B. 1=Grün, 2=Gelb, 3=Rot). - Ordnungsebene der Messung: Die Werte auf dieser Ebene können in Reihen geordnet werden. Alle Variablen, die als hoch, mittel oder niedrig (z.B. sozioökonomische Klasse, Vergilbung der Pflanzenblätter) oder als Meinungsskala (stark zustimmen / zustimmen / neutral / nicht zustimmen / stark ablehnen) gemessen werden, sind ordinal. Ordinalskalen liefern Daten über weniger und mehr - z.B. stark übereinstimmend ist mehr als übereinstimmend. Was uns ordinale Variablen nicht sagen, ist wie viel mehr. Das zentrale 247 - - Tendenzmass einer Ordinalskala kann als Median oder Modus definiert werden, während der Mittelwert nicht interpretiert werden kann. Geeignete statistische Analysen sind Perzentilenund nichtparametrische Analysen sowie monoton steigende Transformationen (die die Rangfolge beibehalten); anspruchsvollere Analysen wie Korrelation, Regression und Varianzanalyse sind jedoch nicht geeignet. Intervallebene der Messung: Die Werte auf dieser Ebene haben alle Eigenschaften von nominalen und ordinalen Variablen; zusätzlich sind die Abstände zwischen den Beobachtungen aussagekräftig. Das Intervall-Messniveau ist eine quantitative Messung. Die gemessenen Werte sind nicht nur in Rängen geordnet, sondern der Abstand zwischen benachbarten Attributen auf einer Skala ist immer gleich, z.B. die Temperaturskala in Celsius, bei der der Unterschied zwischen 30 und 40 Grad der gleiche ist wie der zwischen 80 und 90 Grad. Mit der Intervallskala können wir beschreiben, wie viel mehr oder wie viel weniger ein Mesergebnis im Vergleich zu einem anderen ist, was bei Nominal- oder Ordinalskalen nicht der Fall ist. Die zentralen Tendenzmessungen können Mittelwert, Median oder Modus sein. Auch Streumasse wie Reichweite und Standardabweichung sind möglich. Geeignete statistische Analysen umfassen alle Methoden, die sich für nominale und ordinale Skalen sowie für Korrelation, Regression und Varianzanalyse eignen. Die Skalentransformation sollte positiv linear sein. Verhältnis der Messungsebene: Zusätzlich zu den gleichen Intervallen können die Beobachtungen auch einen Wert von Null haben, was bedeutet, dass das zu messende Phänomen nicht vorhanden ist. Verhältnisskalen haben alle Merkmale von Nominal-, Ordinalund Intervallskalen sowie einen "echten Nullpunkt". Die meisten Messungen in den Natur- und Ingenieurwissenschaften, wie Masse, Volumen, Konzentrationen von Verbindungen und elektrische Ladung, sind Verhältnisskalen. Alle statistischen Methoden und Transformationen sind dafür geeignet. Abbildung 1: Ebenen der Messung 248 Gültigkeit, Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Präzision Gültigkeit (E: Validity) ist die Eigenschaft, rechtlich oder offiziell bindend oder akzeptabel zu sein. Die Validität von Instrumenten, Daten und Ergebnissen ist die wichtigste Voraussetzung in der Forschung. Sie bezieht sich auf ihre Genauigkeit und Vertrauenswürdigkeit. Die Gültigkeit der Daten hängt von der Gültigkeit der Instrumente ab. Unter der Annahme, dass die Instrumente und Daten gültig sind, kann die Gültigkeit der Ergebnisse und Schlussfolgerungen jedoch noch in Frage gestellt werden (Nayak & Singh 2015). Zuverlässigkeit (E: Reliability) ist die Qualität einer konstant guten Leistung. Die Zuverlässigkeit zeigt, ob es möglich ist, das gleiche Ergebnis zu erzielen, wenn ein Instrument zur mehrfachen Messung einer Variablen verwendet wird. Instrumente können Laborgeräte, Waagen oder auch Fragen sein, die einer Gruppe von Personen gestellt werden. Die Genauigkeit (E: Precision) bezieht sich auf die Anzahl der Dezimalstellen in einem numerischen Ergebnis einer Messung. Die Richtigkeit (E: Accuracy) ist der Grad, in dem das Ergebnis einer Messung, Berechnung oder Spezifikation mit dem richtigen Wert oder einer Norm übereinstimmt. Die Genauigkeit bezieht sich auf den Grad der Präzision der Skala. 11.2 Grundlagen der wissenschaftlichen Forschungsmethodik Die Forschungsmethodik ist eine Disziplin der wissenschaftlichen Verfahren. Es umfasst Theorie, Analyse und Richtlinien für das Vorgehen in der Forschung: wie die Forschung durchgeführt werden sollte sowie die Prinzipien, Verfahren und Praktiken, die die Forschung leiten. Forschungsmethodik ist die spezifische Reihe von Verfahren oder Techniken, die zur Identifizierung, Auswahl, Verarbeitung und Analyse von Informationen zu einem Thema verwendet werden. Da sich die Methodik in den verschiedenen Disziplinen unterscheiden kann, gibt es eine Reihe unterschiedlicher Forschungsmethoden, die nicht für alle Forschungsprobleme geeignet sind (Nayak & Singh 2015). Methodik sollte nicht mit wissenschaftlichen Methoden verwechselt werden, d.h. mit Mitteln oder Techniken zur Sammlung von Informationen/Ergebnissen. Wissenschaftliche Methoden beschreiben die Art und Weise, wie wissenschaftliche Erkenntnisse gewonnen werden. In einer Forschungsarbeit ermöglicht der Abschnitt über Materialien und Methoden dem Leser eine kritische Bewertung der Gesamtvalidität und Verlässlichkeit einer Studie, da er angibt, wie die Daten gesammelt oder erzeugt und wie sie analysiert wurden. Nachfolgend ein Beispiel für eine Forschungsmethodik: 1. 2. 3. 4. Beobachten und Fragen: Auswahl und Definition des Forschungsproblems Überprüfung der einschlägigen Literatur Formulierung von Hypothesen Vorbereitung des Forschungsdesigns, einschliesslich Stichprobenplan und Auswahl der Instrumente zur Datenerhebung 5. Durchführung des Forschungsplans: Erfassung der Daten 6. Verarbeitung der Daten 7. Bericht, einschliesslich der Unterstützung oder Ablehnung der Hypothese 249 11.2.1 Forschungsdesigns Ein Forschungsdesign ist eine Blaupause für empirische Forschung, die die Planung, Organisation und Leitung der Forschung einschliesslich der Definition des Forschungsproblems, der Forschungsfragen und der Ziele umfasst. Sie beschreibt, wie die Forschungsstudie durchgeführt werden soll. Daher enthält sie einen gründlichen Plan für die Datenerfassung, die Definition der verwendeten Instrumente und die Verfahren für die Probenahme und Monitoring, um spezifische Forschungsfragen zu lösen oder eine bestimmte Hypothese zu testen. Forschungsdesigns können in zwei Kategorien gruppiert werden: o Forschungsdesign der Umfrage o Experimentelles Forschungsdesign Forschungsdesign der Umfrage Umfragen werden hauptsächlich in den Sozialwissenschaften eingesetzt. In Umfragen werden die Daten von einer vordefinierten Testgruppe gesammelt, um Informationen und Erkenntnisse zu verschiedenen Themen von Interesse zu gewinnen. Es gibt drei verschiedene Arten von Umfragen, je nach ihrem Zweck: explorative, deskriptive und erklärende Studien (Nayak & Singh 2015). Eine explorative Studie oder Forschung beginnt in der Regel mit der Überprüfung der verfügbaren Daten oder qualitativen Methoden wie informellen Diskussionen, Tiefeninterviews, Fokusgruppen und Fallstudien. Daher sind die gesammelten Daten qualitativ. Die Daten werden dann quantifiziert und es werden Annahmen getroffen. Eine explorative Studie kann nicht auf die gesamte Bevölkerung verallgemeinert werden. Die Ergebnisse der explorativen Forschung können nicht zu festen Schlussfolgerungen führen, aber sie können wichtige Erkenntnisse über eine bestimmte Situation ermöglichen. Der Zweck einer explorativen Studie ist es, ein Problem für eine genauere Untersuchung zu formulieren oder Hypothesen zu bilden. Explorative Forschungsstudien haben daher keine Hypothesen. Das explorative Forschungsdesign wird eingesetzt, wenn wenig über das Phänomen bekannt ist und frühere Theorien es nicht klären konnten. Die deskriptive Studie beschreibt so genau wie möglich den Zusammenhang zwischen den Merkmalen einer Population und dem untersuchten Phänomen. Sie kann nicht beschreiben, was die Situation verursacht hat, sondern nur die Merkmale. Eine deskriptive Studie wird normalerweise nach einer Umfrage und vor einer erklärenden Studie durchgeführt. Sie wird also eingesetzt, wenn bereits ein gewisses Wissen über ein Phänomen vorhanden ist, wir aber mehr darüber wissen wollen. Deskriptive Forschungsstudien beinhalten daher Hypothesen. Erklärende Studie: Wenn ein bekanntes Phänomen ausreichend beschrieben ist, versucht die Forschung die Ursachen und Gründe dafür herauszufinden. Das Ziel einer Erklärende Studie ist es, das "Warum" zu erklären. Sie geht über die Beschreibung des Problems und der Merkmale des Phänomens hinaus und zielt darauf ab, die Ursachen und Auswirkungen zu erklären. Experimentelles Forschungsdesign Experimentelles Forschungsdesign ist in den Umweltwissenschaften am häufigsten anzutreffen. Bei einem echten Experiment verändert der Forscher eine Variable und kontrolliert die anderen Variablen. Das experimentelle Forschungsdesign liefert Belege, die zu einer grösseren Validität der Forschung beitragen. In der experimentellen Forschung gibt es immer eine Kontrollgruppe und eine Testgruppe, 250 in der eine ausgewählte Variable verändert wird (jeweils nur eine), während externe Variablen kontrolliert werden. Experimentelle Studien testen eine Kausalhypothese, die sich auf eine kausale Beziehung zwischen zwei Variablen bezieht, wobei die Variable X (die Ursache) die Variable Y (die Wirkung) bestimmt. Experimentelle Studien zielen daher darauf ab, Ursache-Wirkungs-Beziehungen (Hypothesen) unter streng kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Indem die Ursache von der Wirkung zeitlich getrennt wird und eine Gruppe der Ursache (die Test- oder Behandlungsgruppe) ausgesetzt wird, während eine andere Gruppe (die Kontrollgruppe) davon unberührt bleibt, wird beobachtet, wie die Wirkungen zwischen diesen beiden Gruppen variieren. Die Hauptstärke des experimentellen Designs ist die solide Validierung, die durch Isolierung, Kontrolle und intensive Untersuchung einer kleinen Anzahl von Variablen erreicht wird, während die Hauptschwäche in der begrenzten Verallgemeinerbarkeit nach aussen liegt, da die Situationen im realen Leben häufig komplexer sind und mehr externe Variablen enthalten können als in künstlichen Labor- oder Feldeinstellungen. Ausserdem sollte der Forscher alle relevanten externen Variablen identifizieren und kontrollieren, da sonst Validierung reduziert wird und Scheinkorrelationen auftreten können. Die Experimente können im Labor oder im Feld durchgeführt werden. Beide Wege haben Vor- und Nachteile. Laborexperimente ermöglichen die Isolierung der Zielvariablen und die Kontrolle für die externe Variablen, was bei Feldexperimenten möglicherweise nicht der Fall ist. Aus diesem Grund haben Extrapolationen aus Laborexperimenten die Tendenz, stärker in der internen Validität zu sein, während Extrapolationen aus Feldexperimenten tendenziell stärker in der externen Validität sind. Experimentelle Daten werden mit quantitativen statistischen Methoden verarbeitet (Nayak & Singh 2015). 11.2.2 Vorläufige Schritte Problemformulierung Der erste und wichtigste Schritt im Forschungsdesign ist die Identifizierung eines Problems, das untersucht werden soll. Das Problem kann nicht erfolgreich erklärt werden, wenn ein Forscher nicht über die richtigen Kenntnisse und das richtige Verständnis für bestimmte Angelegenheiten, die das Problem verursachen oder schaffen, verfügt. Es gibt einige Hauptschritte, die bei der Bildung eines Problems zu befolgen sind (zusammengefasst von Nayak & Singh 2015): 1. 2. 3. 4. 5. 6. Definition des Forschungsgebiets Das Forschungsgebiet muss dem forschenden Forscher (einem Spezialisten auf diesem Gebiet) bekannt sein Überprüfung der bisherigen Forschung in diesem Bereich, um mit den neuesten Erkenntnissen vertraut zu werden Festlegung der Grundlage des Studiengebiets Identifizierung des Problems im Allgemeinen Identifizierung des spezifischen Merkmals des zu untersuchenden Problems und Bildung einer Problemdarstellung 251 Eine Problemdarstellung ist eine Zusammenfassung einer Problemformulierung. Sie ist wichtig für das weitere Forschungsdesign. Gute Problemaussagen konzentrieren sich auf die Beziehung zwischen zwei oder mehr Variablen, sind klar und deutlich in einer Frageform formuliert, können empirisch überprüft werden und sind weder moralisch noch ethisch fragwürdig. Literaturübersicht Nach der Problemformulierung muss eine systematische und detaillierte Suche in der wissenschaftlichen Fachliteratur zum Forschungsthema durchgeführt werden, um eine Reihe von qualitativ hochwertigen Referenzen zu identifizieren. Die Mehrzahl der Verweise sollte aus begutachteter wissenschaftlicher Literatur stammen. Es können aber auch andere Quellen relevant sein (Gesetzgebung, Veröffentlichungen internationaler Organisationen wie WHO und FAO, mündliche Quellen usw.). Die hauptsächliche wissenschaftliche Literatur besteht aus Büchern, Artikeln, Zeitschriften, Konferenzberichten, Forschungsberichten, Datenbanken und Dissertationen. Nach dem Sammeln aller Informationen muss eine detaillierte Durchsicht der wissenschaftlichen Literatur und eine kritische Diskussion des aktuellen Wissensstandes durchgeführt werden. Dies ist eine wichtige Grundlage für den Erfolg des Forschungsprojekts. Der Literaturüberblick versammelt die wichtigsten Theorien und Erkenntnisse im Forschungsbereich, identifiziert die Schlüsselautoren und zeigt die Wissenslücken auf, die es zu schliessen gilt. Heutzutage wird die Literaturrecherche hauptsächlich mit Online-Recherchen in verschiedenen Datenbanken durchgeführt. Es ist wichtig, geeignete Schlüsselwörter auszuwählen, die auch mit 'und' und 'oder' kombiniert werden können, um die Suchergebnisse zu verfeinern oder zu spezifizieren. Elektronische Zeitschriften und Artikel sind die aktuellsten verfügbaren Ressourcen. Die Beiträge können online veröffentlicht werden, sobald sie redigiert wurden, ohne darauf warten zu müssen, dass genügend Beiträge für die gesamte Zeitschriftenausgabe vorhanden sind. Dies ist von besonderer Bedeutung in sich schnell entwickelnden Bereichen (Nayak & Singh 2015). Einige elektronische Ressourcen sind kostenlos ("open access"). Die meisten müssen jedoch bezahlt werden. Es ist möglich, als einzelner Forscher online Papiere zu erwerben. In der Regel haben jedoch Universitäten, Bibliotheken und andere Bildungseinrichtungen Abonnements für verschiedene Datenbanken, auf die ihre Mitarbeiter oder Mitglieder kostenlos zugreifen können. Die gängigsten wissenschaftlichen Datenbanken und Suchmaschinen sind: - - ScienceDirect ist eine führende wissenschaftliche Volltextdatenbank, die Zeitschriftenartikel aus über 2.500 Zeitschriften und Buchkapitel aus fast 20.000 Büchern enthält. SpringerLink ist die umfassendste Online-Sammlung von wissenschaftlichen, technischen und medizinischen Zeitschriften, Büchern und Nachschlagewerken. Google Scholar ist eine kostenlose Suchmaschine, die akademische Informationen aus verschiedenen Online-Webressourcen katalogisiert. Sie sammelt Informationen über eine Reihe von akademischen Ressourcen, die im Allgemeinen von Fachleuten überprüft werden. Es ist eine der am meisten genutzten akademischen Ressourcen für Forscher Web of Science ist ein Indexierungsdienst für wissenschaftliche Zitate für abonnierte Kunden, der eine umfassende Suche nach Zitaten ermöglicht. Es bietet Zugang zu zahlreichen Datenbanken 252 - - Mendeley ist eine «crowdsourced» Datenbank mit Forschungsdokumenten. Forscher haben fast 100 Millionen Dokumente in den Katalog hochgeladen, mit zusätzlichen Beiträgen, die direkt von verschiedenen Repositorien kommen. PubMed ist eine Datenbank, die hauptsächlich Referenzen und Abstracts zu Biowissenschaften und biomedizinischen Themen enthält. Scopus ist die weltweit grösste Datenbank mit Abstrakten und Zitaten aus der von Experten begutachteten Forschungsliteratur. Sie enthält über 20’500 Titel von mehr als 5’000 internationalen Verlagen. Obwohl es sich um ein Abonnementprodukt handelt, können die Autoren ihre Profile über ORCID oder über die kostenlose Scopus-Autorenseite überprüfen und aktualisieren. Bei der Vorbereitung einer Literaturübersicht ist es wichtig, eine Datenbank mit den Referenzen zu führen, die für Notizen zu den wichtigsten Punkten in jeder Quelle verwendet werden kann (Nayak & Singh 2015). Es gibt einige Softwarepakete, die die Erstellung und Organisation einer persönlichen Datenbank mit wissenschaftlichen Arbeiten und die Bildung von Zitaten beim Verfassen eines wissenschaftlichen Berichts ermöglichen. Eine Datenbank kann nach Autoren, Zeitschriften, Datum und anderen Merkmalen wie Thema, Relevanz Favoriten usw. durchsucht werden. Besonders nützliche Softwarepakete für das Referenzmanagement sind EndNote, Mendeley, Zotero und RefWorks. Wenn eine Liste relevanter Artikel erstellt wird, ist es dann notwendig, jeden Artikel oder zumindest den Abstract zu prüfen, um zu entscheiden, ob der Artikel für eine detaillierte Überprüfung geeignet ist. Die Literaturübersicht sollte umfassend sein und sich nicht auf einige wenige Arbeiten, einige Jahre oder eine bestimmte Methodik beschränken. Bei einer Literaturübersicht sollte untersucht werden, ob die Forschungsfragen bereits früher untersucht wurden und was die Ergebnisse waren, ob es neue oder andere Forschungsfragen gibt und ob die primären Forschungsfragen entsprechend den Erkenntnissen aus der Literatur angepasst oder geändert werden sollten. Der Literaturüberblick kann auch mögliche Antworten auf die Forschungsfragen bieten oder helfen, Theorien zu identifizieren (Nayak & Singh 2015). Ein Literaturüberblick ist ein gut strukturierter und begründeter Bewertungsbericht über frühere Studien, die mit dem Forschungsthema in Zusammenhang stehen. Es bietet eine Beschreibung, Bewertung und Kritik dieser Literatur und liefert die theoretische Grundlage für die Forschung. Ziele der Studie Im Gegensatz zur Problemformulierung, die das Ziel der Forschung beschreibt, bieten die Ziele eine Definition konkreter Massnahmen, die zur Erreichung dieses Ziels ergriffen werden sollen. Sie beschreiben, was wir durch die Forschung erreichen wollen. Es kann ein Gesamtziel gefolgt von einer Liste spezifischer Ziele sein. Das Gesamtziel beschreibt, wie wir das Problem angehen wollen: z.B. müssen wir die Antwort auf das Problem A finden, indem wir die Aktion B durchführen. Die spezifischen Ziele beschreiben dann die Aktion B im Detail. In der Regel gibt es zwei bis vier spezifische Ziele. Die Ziele erklären also, wie wir die Forschungsfrage beantworten werden. Ziele beginnen gewöhnlich mit Wörtern wie: identifizieren, festlegen, beschreiben, bestimmen, schätzen, entwickeln, vergleichen, analysieren, sammeln usw. (Nayak & Singh 2015). Gute Forschungsziele sollten sein: - kurz und präzise - in einer logischen Reihenfolge aufgeführt, da sich ein Ziel auf ein anderes beziehen kann 253 - realistisch, d.h. dass es möglich ist, sie innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens und der verfügbaren Ressourcen zu erreichen in Worten ausgedrückt unverändert seit Beginn der Studie (sie sollten keine beweglichen Ziele sein) Hypothese Eine Hypothese schlägt eine Lösung für das Problem vor, die während der Forschung empirisch getestet und am Ende entsprechend der beobachteten Ergebnisse abgelehnt oder unterstützt wird. Die Hypothese ist eine Vermutung oder ein Vorschlag für eine Verallgemeinerung (Nayak & Singh 2015). Die Hypothese kann durch Analogie, Induktion, Deduktion oder Intuition entwickelt werden. Das wichtigste Merkmal einer Hypothese ist, dass sie falsifizierbar sein muss, d.h. dass sie widerlegt werden kann. Die Hypothesen sollten stark sein, nicht schwach. Ein Beispiel für eine schwache Hypothese ist "hohe Phosphorkonzentrationen hängen mit dem Algenwachstum zusammen", da sie weder die Richtung (d.h. ob die Beziehung positiv oder negativ ist) noch die Kausalität (d.h. ob hohe Phosphorkonzentrationen Algenwachstum verursachen oder ob Algenwachstum hohe Phosphorkonzentrationen verursacht) anzeigt. Eine stärkere Hypothese wäre: "Hohe Phosphorkonzentrationen stehen in positiver Beziehung zum Algenwachstum", was die Richtungsabhängigkeit, nicht aber die Kausalität anzeigt; und die stärkste Hypothese wäre: "Hohe Phosphorkonzentrationen stimulieren das Algenwachstum", was sowohl die Richtung als auch die Kausalität postuliert. 11.2.3 Protokollgestaltung Das Protokoll ist ein schriftlicher Plan der Aktivitäten, die unternommen werden müssen, um die angegebene Forschungsfrage ausreichend zu beantworten. Dazu gehört die Wahl einer Forschungsmethode für die Datenerhebung und die Planung einer geeigneten Stichprobenstrategie zur Auswahl einer Stichprobe aus der Zielpopulation. Das Protokoll sollte genau spezifiziert werden: 1. die Merkmale des Prüfsystems (Pflanzen- und Fischarten oder -sorten, Bezugsquelle, Anzahl, Körpergewichtsspanne, Beleuchtungsart und -stärke usw.) 2. detaillierte Informationen über den Versuchsplan, einschliesslich einer Beschreibung des chronologischen Ablaufs der Studie, aller Methoden, Materialien und Bedingungen, wie viele Proben, welche Art von Proben, wie viele Parallelen, die Dosisstufen und/oder Konzentration(en), die Art und Häufigkeit der Analyse, Messungen, Beobachtungen und Untersuchungen sowie die zu verwendenden statistischen Methoden. Eine Stichprobe ist eine kleinere Gruppe einer Population. Die Stichprobe sollte die Gesamtpopulation repräsentieren, um eine Verallgemeinerung der Ergebnisse aus der Stichprobe auf die Gesamtpopulation zu ermöglichen. Ein geeigneter Stichprobenplan sorgt auch für eine kosteneffiziente Nutzung der Forschungsmittel und für ein angemessenes Forschungstempo, Flexibilität und Genauigkeit. Es gibt zwei Arten von Stichproben (zusammengefasst von 254 2015): Wahrscheinlichkeits- und Nicht-Wahrscheinlichkeitsstichproben (Tabelle 1). Bei der Wahrscheinlichkeitsstichprobe besteht für jedes Fach oder jede Einheit eine gleiche Chance, aus der Grundgesamtheit ausgewählt zu werden, während bei der Nicht-Wahrscheinlichkeitsstichprobe nicht alle Individuen in der Grundgesamtheit eine gleiche Chance haben, ausgewählt zu werden. Diese Art der Stichprobenziehung wird durchgeführt, wenn eine Zufallsstichprobe nicht möglich ist, wenn die Forschung zeitlich, finanziell oder personell begrenzt ist oder wenn die Forschung nicht auf eine Verallgemeinerung auf die gesamte Population abzielt. Im Allgemeinen eignet sich die NichtWahrscheinlichkeitsstichprobe eher für die Sozialwissenschaften als für die Naturwissenschaften. Sie kann jedoch in einer Vorstudie verwendet werden, um einige grundlegende Informationen über die Population zu erhalten und um die Art der Wahrscheinlichkeitsstichprobe zu bestimmen, die in einem Experiment gewählt werden soll. Tabelle 1: Arten der Probenahme Typ Wie die Probe gesammelt wird Zusätzliche Erklärung WAHRSCHEINLICHKEITSSTICHPROBE Einfach zufällig (E: simple random) Systematisch zufällig (E: systematic random) Stratifizierter Zufall (E: stratified random) Cluster Indem man die Grundeinheiten so auswählt, dass jede Einheit in der Bevölkerung die gleiche Chance hat, ausgewählt zu werden Eine einfache Zufallsstichprobe hat keinen Stichprobenfehler Indem man eine Einheit nach dem Zufallsprinzip auswählt und zusätzliche Einheiten in gleichmässigen Abständen auswählt, bis die erforderliche Anzahl von Einheiten erreicht ist. Z.B. Gemüse, das in einer Reihe wächst und wir pflücken jedes 5. Durch die unabhängige Auswahl einer individuellen einfachen Zufallsstichprobe aus jeder einzelnen Bevölkerungsschicht. Eine Bevölkerung wird in verschiedene Schichten (Gruppen) hinsichtlich bestimmter Merkmale oder Variablen unterteilt. Die Anzahl der Einheiten, die wir nach dem Zufallsprinzip aus jeder Schicht auswählen, muss mit der Grösse der Schicht übereinstimmen, da die Schichten unterschiedlich gross sein können; z.B. können wir beschliessen, 10% der Einheiten aus jeder Schicht auszuwählen. Eine Population wird in Cluster unterteilt, und eine Stichprobe wird durch einfache Zufallsstichproben aus einigen Clustern gezogen. Die Stichprobe umfasst eine Einheit von zufällig ausgewählten Clustern. Die Cluster werden oft nach geografischen Einheiten (z.B. alle Regionen eines Landes) gebildet, während die Analyse auf zufällig ausgewählten Clustern erfolgt (wir wählen die erforderliche Anzahl von Regionen nach dem Zufallsprinzip aus, was eine Stichprobe darstellt). 255 Tabelle 1: weiter Typ Wie die Probe gesammelt wird Zusätzliche Erklärung NICHT- WAHRSCHEINLICHKEITSSTICHPROBE Praktikabel (E: Convenience) Zielgerichtet (E: Purposive) Schneeball (E: Snowball) Quote (E: Quota) Es wird eine Stichprobe aus Fällen gezogen, die für die Studie zur Verfügung stehen, d.h. die bereit sind, sich zu beteiligen. --- Es wird eine Stichprobe aus Fällen mit ähnlichen Merkmalen gezogen. Die Merkmale werden ausgewählt, um Antworten auf eine bestimmte Frage zu finden, und können am ähnlichsten/unähnlichsten, typischsten oder kritischsten sein. Voraussetzung ist, dass die Forscher bereits einige Merkmale der Bevölkerung kennen. Im Gegensatz zu einer geschichteten Wahrscheinlichkeitsstichprobe, bei der für jede Einheit in denselben Schichten die gleiche Chance besteht, ausgewählt zu werden, wird bei einer gezielten Stichprobe die Stichprobe nicht zufällig ausgewählt. Ist der Ort, an dem die bestehenden Studienfächer zukünftige Probanden aus ihrem Bekanntenkreis rekrutieren. Die Probengruppe soll wie ein rollender Schneeball wachsen. Auch als Kettenstichproben, kettenbezogene Stichproben, Überweisungsstichproben bezeichnet. Unterteilt die Bevölkerung in verschiedene Gruppen, ähnlich wie bei geschichteten Stichproben (z.B. Alter, Geschlecht). Aus jeder Gruppe wird nicht zufällig eine proportionale oder disproportionale Anzahl von Einheiten ausgewählt. Wir wollen zum Beispiel das Wachstum von Salat in der Aquaponik untersuchen, wissen aber nicht, ob es Unterschiede zwischen den Pflanzen gibt, die am Flossrand wachsen, und denen, die in der Mitte wachsen. In einer Vorstudie könnten wir daher einige Pflanzen vom Rand und einige von der Mitte genommen (Nicht-Wahrscheinlichkeitsstichprobe) und sie miteinander vergleichen. Wenn es keine Unterschiede zwischen ihnen gibt, dann kann für das Experiment eine einfache Zufallsstichprobe verwendet werden, aber wenn es Unterschiede gibt, dann wäre es besser, eine systematische Zufallsstichprobe oder vielleicht sogar eine Cluster-Stichprobe zu verwenden. Neben der Auswahl der geeigneten Stichprobenart muss auch der Stichprobenumfang definiert werden. Die Stichprobengrösse hängt von den Merkmalen einer Population ab, vor allem davon, wie heterogen sie ist. Darüber hinaus hängt die Stichprobengrösse auch von der Anzahl der Variablen ab, die wir analysieren wollen, von den statistischen Verfahren, die wir verwenden wollen, von der gewünschten Präzision und von der Anzahl der Vergleiche, die wir durchführen wollen. Andererseits kann die Stichprobengrösse auch durch die verfügbare Zeit und die Finanzierung begrenzt werden. Es gibt mehrere Methoden zur Festlegung der zu verwendenden Stichprobengrösse, darunter die Neyman-Pearson-Entscheidungsmethodik oder die Power-Analyse (Neyman & Pearson 1933). Um die erforderliche Stichprobengrösse zu schätzen, benötigen wir eine Vorstellung von der Varianz der Variable aus der Literatur. Die Varianz (und Standardabweichung) hängt von der betrachteten Variablen und der zu bewertenden Art ab. 256 Die Daten in den Naturwissenschaften werden hauptsächlich aus Beobachtungen und Messungen mit verschiedenen Labor- und Feldinstrumenten gesammelt. Die Originalaufzeichnungen der Instrumente und der Dokumentation oder ihre verifizierten Kopien, die das Ergebnis der ursprünglichen Beobachtungen und Aktivitäten sind, stellen Rohdaten dar. Rohdaten können z.B. aufgezeichnete Daten von automatisierten Instrumenten (z.B. O2, pH, EC-Sonden), mikroskopische Bilder, Einzelmessungen von Laborgeräten (z.B. Messwerte von Spektrophotometern), Fotos, handschriftliche Beobachtungen (z. B. Fisch- und Pflanzengesundheit) und Daten aus analogen Messungen sein (z. B. analoges Thermometer, absetzbare Feststoffe, gemessen im Imhoff-Tank). Die Rohdaten müssen in ein computerlesbares, numerisches Format umgewandelt werden, z.B. in eine Tabelle oder eine Textdatei, damit sie von Computerprogrammen wie R oder SPSS Statistics analysiert werden können. Ein Testsystem oder eine Analyseeinheit ist ein beliebiges biologisches, chemisches oder physikalisches System oder deren Kombination, das in einer Studie verwendet werden soll. Es ist ein grundlegendes Element der Forschung. Die Analyseeinheit kann ein Organismus oder ein Teil davon (z.B. Fisch), eine Kolonie oder ein Kollektiv (zB Gemüse) oder ein Objekt (zB Filtersystem) sein, das das Ziel der Untersuchung ist. Die Analyseeinheit muss zu Beginn eines Protokolldesigns definiert werden, da sie sich auf die während der Forschung verwendeten Instrumente und Verfahren auswirkt. Ausserdem sollte immer die niedrigste Einheitsebene gewählt werden (z.B. es ist besser Messdaten aus getrennten Pflanzengeweben zu sammeln, als von der ganzen Pflanze). Ein Prüfgegenstand ist ein Gegenstand, der Gegenstand einer Studie ist, und ein Referenzgegenstand ("Kontrollgegenstand") ist ein Gegenstand, der dazu dient, eine Kontrolle für den Vergleich mit dem Prüfgegenstand zu ermöglichen. Eine Charge ist eine bestimmte Menge oder ein Teil von Prüf- oder Referenzgegenständen, die durch einen definierten Versuchszyklus so gebildet werden, dass erwartet wird, dass alle Gegenstände eine einheitliche Eigenschaft aufweisen. Die meisten Projektanträge enthalten einen Abschnitt über die ethischen Aspekte der zu verwendenden wissenschaftlichen Protokolle. Dies setzt in der Regel die vorherige Genehmigung der Methoden durch eine Ethikkommission der Heimatinstitution voraus, die sich meist mit Aspekten des Tierschutzes, im Fall von Aquaponik des Fischwohls, befasst. Diese Ausschüsse stellen eine Reihe von Fragen, darunter die Begründung für die Forschung, ihre Auswirkungen auf die Tiere und die Frage, wie sich Notfälle verhindern lassen. Eine Reihe von Richtlinien zu Ethik, Tierschutz und ordnungsgemässen Probenahmeverfahren finden sich im NC3Rs Experimental Design Assistant, dessen Hauptziel es ist, die Anzahl der für Experimente verwendeten Tiere zu ersetzen, zu verfeinern und zu reduzieren. Man geht davon aus, dass Wissenschaftler in naher Zukunft ihre Verfahren und Protokolle von den Zielzeitschriften genehmigen können werden, bevor sie die Ergebnisse veröffentlichen, und so eine gewisse Garantie haben, dass ihre Studien veröffentlicht werden. Diese Bewegung wird als Vorregistrierung (Nosek et al. 2018) bezeichnet und zielt darauf ab, die Methoden und wissenschaftlichen Ergebnisse auf breiter Front zu stärken. Inzwischen fordern viele Zeitschriften, dass die Rohdaten und Ergebnisse veröffentlichter Studien in Online-Datenbanken zur Verfügung gestellt werden, z.B. mit dem Data Research Item on Research Gate. 257 Gute Laborpraxis (GLP) bedeutet ein Qualitätssystem, das sich auf den organisatorischen Ablauf und die Bedingungen bezieht, unter denen Prüfungen geplant, durchgeführt, überwacht, aufgezeichnet, archiviert und berichtet werden (OECD 1998). Standardarbeitsanweisungen (Standard Operating Procedures, SOPs) sind dokumentierte Verfahren, die beschreiben, wie Messungen oder Aktivitäten durchgeführt werden, die normalerweise nicht im Detail in Prüfplänen oder Prüfrichtlinien festgelegt sind. SOPs umfassen: 1. Führung der Aufzeichnungen, einschliesslich der Charakterisierung der Prüf- und Referenzgegenstände, des Eingangs- und Verfallsdatums, der erhaltenen und in den Prüfungen verwendeten Mengen 2. Identifizierung von Handhabungs-, Probenahme- und Lagerungsverfahren, um die Homogenität und Stabilität so weit wie möglich zu gewährleisten und eine Kontamination zu vermeiden 3. Lagerbehälter sollten mit Identifizierungsinformationen, Ablaufdatum und spezifischen Lagerungsanweisungen gekennzeichnet werden. Nach der Entscheidung, welches Thema untersucht werden soll, was gemessen werden soll und wie die Daten gesammelt und analysiert werden sollen, ist es an der Zeit, die Forschung durchzuführen. Die Forschungsdurchführung umfasst auch Vorprüfungen der Ausrüstung, der Laborinstrumente, der Probenahme und der Analysen. Vorläufige Tests sind ein wichtiger Teil des Forschungsprozesses, da sie es ermöglichen, potenzielle Probleme im Forschungsdesign aufzudecken und die in der Studie verwendeten Laborinstrumente zu überprüfen, so dass sie zuverlässig sind und gültige Messungen liefern. Nach Vorversuchen kann der Forschungsentwurf optimiert werden und dann die eigentliche Forschung durchgeführt werden. Alle während der Forschung generierten Daten sollten direkt, zeitnah, genau und lesbar im Labortagebuch aufgezeichnet werden. Diese Einträge sollten unterschrieben und datiert werden. Um die Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten, muss ein Forschungsprojekt eine eindeutige Identifizierung haben, und alle Proben, Exemplare, Dateien usw., die sich auf die Studie beziehen, sollten dieselbe Identifizierung tragen. Jede Änderung der Rohdaten sollte so vorgenommen werden, dass der vorherige Eintrag nicht gelöscht wird, der Grund für jede Änderung sollte angegeben werden, und die Änderung muss datiert und von der Person, die sie vorgenommen hat, unterschrieben werden. 11.2.4 Analyse der Ergebnisse Tabellen und Abbildungen Tabellen und Abbildungen sind der schnellste Weg, um grosse Mengen komplexer Informationen zu kommunizieren. Sie müssen sorgfältig entworfen werden. Eine gute Tabelle oder Abbildung sollte die Daten einfach, klar und übersichtlich darstellen und es dem Leser ermöglichen, die Ergebnisse zu verstehen, ohne dass er sich andere Abschnitte des Papiers ansehen muss. Tabellen und Abbildungen sollten selbsterklärend und verständlich sein, auch wenn sie aus dem Text herausgenommen werden; daher sind klare und informative Titel von entscheidender Bedeutung. Eine gute Abbildung (Grafik oder Bild) sollte folgende Punkte beinhalten: - nur die notwendigen Informationen 258 - ausreichend grosse Beschriftung einen Rahmen eine Legende, die alles Notwendige erklärt ein grafisches Format in hoher Auflösung (>300 dpi) Eine gute Tabelle sollte beinhalten: - eine separate Zelle für jeden Wert - nur horizontale Liniengrenzen - Werte mit einer vernünftigen Anzahl von Nachkommastellen Grössere Tabellen werden in Beilagen zu wissenschaftlichen Arbeiten veröffentlicht. Um die Ergebnisse zu berichten, müssen gültige und international anerkannte Masseinheiten verwendet werden. In Wissenschaft, Industrie und Medizin wird das Internationale Einheitensystem (abgekürzt SI) verwendet. An einigen geographischen Orten (z.B. in den Vereinigten Staaten) wird das imperiale System verwendet, das Einheiten wie Gallonen, Fuss, Meilen, Pfund und ppm umfasst. Dieses System ist für internationale wissenschaftliche Veröffentlichungen nicht geeignet. Das SI-System umfasst sieben Basiseinheiten (Tabelle 2). Die wichtigste methodische Wahl, die Forscher treffen, basiert auf der Unterscheidung zwischen qualitativen und quantitativen Daten. Qualitative Daten haben die Form von Beschreibungen, die auf Sprache oder Bildern basieren, während quantitative Daten die Form von Zahlen haben. Die Wahl der zu verwendenden Methodik hängt von den Forschungsfragen ab, deren Formulierung folglich von der Forschungsperspektive beeinflusst wird. Sozialwissenschaftliche Forschung kann sowohl qualitative als auch quantitative Daten generieren, typischerweise durch den Einsatz von Umfragen. Die Daten werden von einer vordefinierten Testgruppe gesammelt, um Informationen und Verständnis zu verschiedenen Themen von Interesse zu gewinnen. Es gibt verschiedene Arten von Erhebungsmethoden, darunter Fragebögen, informelle Diskussionen, Tiefeninterviews, Fokusgruppen und Fallstudien. Tabelle 2: Sieben Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems Anzahl Einheit Symbol Messe Kilogramm kg Zeit zweite s Temperatur kelvin K Elektrischer Strom Ampere A Die Menge einer Substanz Maulwurf mol Lichtstärke candela cd Entfernung Zähler m Qualitative Daten sind reichhaltiger und basieren im Allgemeinen auf einer subjektiven Perspektive. Qualitative Forschung unterstützt ein vertieftes Verständnis der untersuchten Situation und bezieht aus Zeitgründen in der Regel nur eine kleine Stichprobe von Teilnehmern ein. Aus diesem Grund sind 259 die Ergebnisse auf die untersuchte Stichprobe beschränkt und können nicht auf andere Kontexte oder auf die breitere Bevölkerung verallgemeinert werden. Gängige Methoden zur Generierung qualitativer Daten sind teilstrukturierte oder unstrukturierte Interviews, Teilnehmerbeobachtungen und Dokumentenanalyse. Eine gute qualitative Analyse ist im Allgemeinen zeitaufwendiger als eine quantitative Analyse. Quantitative Daten hingegen sind möglicherweise leichter zu erfassen und zu analysieren, und sie basieren auf einer grossen Stichprobe. Quantitative Messungen beinhalten das Sammeln von Daten, die "objektiv" mit Zahlen gemessen werden können. Die Daten werden durch numerische Vergleiche und statistische Analysen analysiert. Aus diesem Grund erscheint sie eher "wissenschaftlich" und kann Menschen ansprechen, die klare Antworten auf bestimmte Kausalitätsfragen suchen. Quantitative Analysen sind oft schneller durchzuführen, da sie mit Hilfe von Messgeräten und Software durchgeführt werden. Aufgrund der grossen Anzahl von Stichproben erlaubt es eine Verallgemeinerung auf eine breitere Gruppe als die Forschungsstichprobe. 11.2.5 Veröffentlichung des Forschungsberichts Ein Experiment ist erst dann abgeschlossen, wenn die Ergebnisse veröffentlicht und verstanden sind. Die Veröffentlichung der Ergebnisse ist wichtig, um die Reproduzierbarkeit der Experimente zu ermöglichen; daher werden die Methoden getrennt von den Ergebnissen dargestellt. Wie der Rat der Herausgeber von Biologie (1968) feststellte, "muss eine akzeptable wissenschaftliche Primärpublikation die erste Offenlegung einer Forschung sein, die genügend Informationen enthält, um es den Kollegen zu ermöglichen, (1) Beobachtungen zu bewerten, (2) Experimente zu wiederholen und (3) die intellektuellen Prozesse zu bewerten. Darüber hinaus muss sie attraktiv formatiert und transparent sein, im Wesentlichen dauerhaft, der wissenschaftlichen Gemeinschaft ohne Einschränkung zur Verfügung stehen und für ein regelmässiges Screening durch einen oder mehrere der wichtigsten anerkannten Sekundärdienste (z.B. Biological Abstracts, Chemical Abstracts) verfügbar sein" (CBE 1968). Gutes wissenschaftliches Schreiben ist einfaches Schreiben. Wissenschaft ist komplex, aber die Schrift, die zur Beschreibung der Wissenschaft verwendet wird, muss es nicht sein. Die beste Schrift ist die, die in den wenigsten einfachen Worten einen Sinn ergibt. Hochwertiges, einfaches Schreiben: - erhöht die Chancen auf Akzeptanz zur Veröffentlichung - erhöht die Wirkung einer Publikation in der Forschungsgemeinschaft - beschleunigt das Verständnis und die Akzeptanz der Forschung - erhöht das Vertrauen der Leser in die Qualität der Forschung. Schlecht geschriebene und komplizierte Manuskripte verärgern Leser, Gutachter und Zeitschriftenredakteure und behindern ihr Verständnis für komplizierte, wissenschaftliche Konzepte. Ein eingereichter Artikel wird eher für eine Veröffentlichung angenommen, wenn es: - beschreibt die Forschung, die das Forschungsgebiet voranbringt - sorgfältig vorbereitet und formatiert ist 260 - eine klare und prägnante Sprache verwendet ethischen Standards folgt. Der Publikationsprozess ist lang: 1. Ein Bedürfnis/Wunsch zu veröffentlichen 2. Die Auswahl einer Zeitschrift sollte nach folgenden Kriterien erfolgen: Themen der Zeitschrift, Publikum der Zeitschrift, Art der Artikel, Reputation der Zeitschrift, Impact-Faktor oder persönliche Anforderungen. Wir können geeignete Zeitschriften finden, indem wir prüfen, wo ähnliche Arbeiten veröffentlicht wurden, und indem wir online recherchieren. 3. Zurückliegende Ausgaben lesen 4. Den ersten Entwurf schreiben 5. Einen kritischen Kollegen den ersten Entwurf überprüfen lassen 6. Weitere Entwürfe verfeinern 7. Überprüfung, ob der Artikel den Richtlinien der Zeitschrift entspricht 8. Korrekturlesen und einreichen Es kann mehr als einen Autor einer wissenschaftlichen Publikation geben. Die Koautoren sind die Personen, die wesentliche intellektuelle Beiträge zu einer Studie geleistet haben. Es ist wichtig, die Anzahl der Koautoren in einem vernünftigen Rahmen zu halten: Der Erstautor ist in der Regel derjenige, der die Forschung leitete und den grössten Teil der Arbeit geleistet hat, und der letzte Autor ist in der Regel derjenige, der die Forschungsgruppe leitet. Dazwischen ist es üblich, die Koautoren in alphabetischer Reihenfolge nach ihrem Nachnamen zu ordnen, z.B. Wilson, T., Abercombie, J., Brown, E., Curwen, H., Davenport, K. & Albert, W. Wissenschaftliche Manuskripte sind von Fachleuten begutachtete Manuskripte in Zeitschriften und Büchern, die in der Regel einen Impact Factor (IF) haben. Der IF wird verwendet, um verschiedene Zeitschriften innerhalb eines bestimmten Bereichs zu vergleichen. Berichte, Konferenzpapiere, Poster und Vorträge sind keine wissenschaftlichen Manuskripte und haben keinen IF. IF ist ein Mass, das die durchschnittliche jährliche Anzahl der Zitierungen von Artikeln in dieser Zeitschrift widerspiegelt. Für Zeitschriften, die in Journal Citation Reports aufgeführt sind, werden die IFs jährlich für das Vorjahr nach der Gleichung berechnet: Wobei bedeuten: 𝐼𝐼𝐹𝐹𝑦𝑦 = 𝐹𝐹𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑦𝑦−1 + 𝐹𝐹𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑦𝑦−2 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐿𝐿𝑙𝑙𝐾𝐾𝐿𝐿𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑦𝑦−1 + 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐿𝐿𝑙𝑙𝐾𝐾𝐿𝐿𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝑦𝑦−2 𝐼𝐼𝐹𝐹𝑦𝑦 = Impact Factor im Jahr y 𝐹𝐹𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 = Anzahl Zitierungen aus diesem Journal 𝑃𝑃𝐹𝐹𝐿𝐿𝑙𝑙𝐾𝐾𝐿𝐿𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾𝐾 = Anzahl publizierte Artikel 𝑦𝑦 − 1 = aktuelle Jahr minus 1 𝑦𝑦 − 2 = aktuelle Jahr minus 2 261 Alle wissenschaftlichen Artikel folgen der gleichen vorgeschriebenen Struktur. Diese Struktur bietet eine logische Linie durch den Inhalt, und macht Manuskripte vorhersehbar und leicht lesbar. Es stellt eine "Landkarte" dar, so dass die Leser die für sie interessanten Inhalte in jedem Manuskript schnell finden können, und erinnert nicht zuletzt die Autoren daran, welche Inhalte aufgenommen werden müssen. Der Aufbau ist wie folgt: - Titel - Abstrakt - Einführung (E: Introduction) - Materialien und Methoden (E: Materials and Methods) - Ergebnisse (E: Results) - Diskussion (E: Discussion) - Schlussfolgerung - Danksagungen - Referenzen Neben den angegebenen Kapiteln enthält jedes Manuskript in der Regel auch Tabelle(n) und Abbildungen sowie ergänzende Daten in einer oder mehreren separaten Dateien. Die wichtigsten Inhalte der wissenschaftlichen Arbeit werden in den Kernkapiteln beschrieben: Einführung (welches Problem wir untersuchen werden), Materialien und Methoden (wie wir das Problem untersuchen werden), Ergebnisse (was wir herausgefunden haben) und Diskussion (was es bedeutet). Entsprechend den Grossbuchstaben der Kapitel wird diese Struktur IMRaD-Format genannt. Titel und Zusammenfassung Titel und Zusammenfassung sind die sichtbarsten Teile des Artikels. Sie sind auf der Website der Zeitschrift und in Datenbanken (z.B. Science Direct, PubMed, etc.) einsehbar; daher ist es wichtig, auf ihre Formulierung angemessen zu achten. Eine gut vorbereitete Zusammenfassung ermöglicht es dem Leser, den grundlegenden Inhalt eines Dokuments schnell und genau zu identifizieren, seine Relevanz für seine Interessen zu bestimmen und so zu entscheiden, ob er das Dokument in seiner Gesamtheit lesen muss (Day 1998). Der Titel muss so genau, informativ und vollständig wie möglich sein. Sie gibt dem Leser die ersten Informationen, der dann entscheidet, ob er weiterlesen will oder nicht. Daher ist es entscheidend, dass der Titel so beschreibend wie möglich ist. Um dies zu erreichen, sollten eher spezifische als allgemeine Begriffe verwendet werden; der Titel sollte aber dennoch verständlich und relativ einfach sein. Der Titel enthält in der Regel keine Abkürzungen, Akronyme oder Initialen. Alle wissenschaftlichen Namen sollten vollständig geschrieben werden (z.B. Lactuca sativa, nicht L. sativa). Der Abstract enthält in der Regel 200-300 Wörter. Sie muss die wichtigsten Aspekte der Studie skizzieren: Sie muss den Hintergrund, die Methodik und die Ergebnisse enthalten, jedoch nur in wenigen Details. Sie sollte nur die im Manuskript behandelten Fakten wiedergeben. Es ist ratsam, Synonyme für Wörter und Begriffe, die im Titel stehen, zu verwenden. Wie für das wissenschaftliche Schreiben an sich, sollte ein verständlicher und einigermassen einfacher Schreibstil verwendet werden. Andererseits sollte die Zusammenfassung keine Abkürzungen oder Zitatverweise enthalten. 262 Die Einleitung Die Einleitung sollte die, zum Verständnis der Studie erforderlichen Informationen und die Gründe für die Durchführung der Experimente enthalten. Es sollte erklären, welche Frage/Problem untersucht wurde, und Informationen aus früheren Studien enthalten; daher enthält es zahlreiche Zitate. Letztere sollten gut ausgewogen, aktuell und relevant sein. Die Einleitung ist keine Literaturübersicht, aber es können Literaturübersichten zitiert werden (Nayak & Singh 2015). Materialien und Methoden Materialien und Methoden liefern alle Einzelheiten der Durchführung der Studie. Die verschiedenen Methoden, die in der Studie verwendet wurden, lassen sich in Unterpunkte unterteilen. Alle neuen Methoden, die verwendet wurden, sollten so detailliert beschrieben werden, dass ein anderer Forscher das Experiment reproduzieren kann. Zuvor verwendete und veröffentlichte Methoden sollten zitiert werden, und jede Änderung der etablierten Methoden sollte genau beschrieben werden. Alle statistischen Tests und Parameter sollten aufgelistet werden. Das Kapitel über Materialien und Methoden sollte in der Vergangenheitsform geschrieben werden. Ergebnisse Das Ergebniskapitel gibt einen Überblick über die Experimente, ohne die in den Methoden beschriebenen Details zu wiederholen. Ausserdem sollte der Forscher die Daten kritisch prüfen und die Ergebnisse auswählen, die veröffentlicht werden sollen. Eine einfache Übertragung der Daten aus dem Labortagebuch in das Manuskript reicht für eine effiziente Präsentation der Ergebnisse nicht aus. Die Darstellung sollte transparent und repräsentativ sein und kann entweder durch Text oder durch Tabellen und Abbildungen erfolgen. Die bereits in den Tabellen oder Abbildungen beschriebenen Daten sollten im Text nicht noch einmal detailliert beschrieben werden. Die Tabellen und Abbildungen sollten im Text nur kurz zitiert werden. Wenn es nur eine oder einige wenige Messungen eines Merkmals gibt, wird es normalerweise im Text beschrieben, während bei wiederholten Messungen eine Tabelle oder Grafik repräsentativer ist. Je nach Zeitschrift können die Ergebnisse ein einzelnes Kapitel bilden oder mit der Diskussion zu einem einzigen Kapitel zusammengefügt werden. Die Ergebnisse sollten in einer logischen Reihenfolge geschrieben und in Unterabschnitte mit kurzen, informativen Überschriften unterteilt werden. Ergebnisse statistischer Analysen sollten ebenfalls in den Text aufgenommen und präsentiert werden. Das Ergebniskapitel sollte in der Vergangenheitsform geschrieben werden, während die Gegenwartsform für die Bezugnahme auf Tabellen und Abbildungen verwendet wird. Diskussion Der Grossteil des Kapitels über die Diskussion und die Schlussfolgerungen sollte eine Interpretation der Ergebnisse sein. Die Unterkapitel können entsprechend dem logischen Rahmen der Unterkapitel im Ergebniskapitel gebildet werden. Im Diskussionskapitel werden die Ergebnisse der Forschung mit früheren Studien verglichen. Auch die Grenzen der Forschung sind zu beschreiben, nicht schlüssige Ergebnisse sind zu erwähnen und, falls es sich um vorläufige Ergebnisse handelt, sind Vorschläge für 263 zukünftige Studien zu machen. Die wichtigsten Schlussfolgerungen sollten am Ende der Diskussion oder in einem separaten Kapitel über Schlussfolgerungen wiederholt werden. Referenzen Beim Verfassen eines wissenschaftlichen Manuskripts sollte immer klar sein, was die Gedanken, Bewertungen und Texte der Autoren dieser Studie sind und was von den Autoren anderer Publikationen abgeleitet wurde. Bei allen Aussagen, die nicht von den Verfassern des Manuskripts stammen, sollte die Quelle angegeben werden, indem Autor und Erscheinungsjahr angegeben werden - z.B. spielt das Mikroelement Nickel eine wichtige Rolle bei der Zersetzung von Harnstoff in Aquaponik (Komives & Junge 2018), während in den Literaturhinweisen die vollständige Zitierung angegeben wird - z.B. Komives, T. & Junge, R. 2018. Bedeutung von Nickel als Nährstoff in Aquaponik-Systemen - einige theoretische Überlegungen. Ecocycles 4 (2), 1-3. Die Literaturhinweise sollten in einem Stil geschrieben werden, der von der Zeitschrift, in der das Manuskript veröffentlicht werden soll, gefordert wird, und daher muss der Stil der Zeitschriftenzitierung in den Anweisungen für Autoren unbedingt befolgt werden. Es gibt verschiedene Softwareprogramme, die eine Verwaltung von Referenzen ermöglichen (EndNote, Zotero, RefWorks, Mendeley usw.) (siehe 6.2.2.2). Plagiat Plagiat ist Betrug und moralisch falsch. Es ist der Gebrauch der Arbeit eines anderen ohne Anerkennung, als wäre es die eigene. Um dies zu vermeiden, muss man wissen, wie man die Nutzung der Arbeit anderer Personen dokumentieren kann. Ein Forscher ist dafür verantwortlich, die Verwendung von Quellen in jeder von ihm verfassten Arbeit zu referenzieren. Es gibt zwei Möglichkeiten, auf die Werke anderer Autoren zu verweisen: a) Paraphrasieren bedeutet, die Ideen eines anderen Autors mit Ihren eigenen Worten zusammenzufassen und sich dabei auf die ursprüngliche Quelle zu beziehen. Anführungszeichen sind nicht erforderlich. Eine gut umschriebene Aussage ist prägnant und zeigt das Verständnis des Forschers für das, was er/sie gelesen hat. Bei der Paraphrase oder dem Verweis auf eine Idee aus einer anderen Publikation ist es manchmal vorteilhaft, eine Seiten- oder Absatznummer für die Referenz anzugeben, insbesondere wenn ein langer und komplexer Text (z.B. ein Buch) zitiert wird. b) Direkte Zitate bedeuten eine direkte Wiederholung einer Aussage und werden in der wissenschaftlichen Literatur nur selten verwendet. Die Zitate sollten sparsam eingesetzt werden, hauptsächlich für historische oder politische Zitate von bedeutenden Personen. Zitate der Ergebnisse früherer Forschungen müssen vermieden werden, da der Leser auch die Ansichten und Analysen der Autoren über das Gelesene sehen möchte, was im direkten Zitat nicht gegeben ist. Bei der Verwendung eines direkten Zitats müssen am Anfang und am Ende des Zitats Anführungszeichen gesetzt werden. 264 11.3 Auf die Aquaponik Forschungsmethodik angewandte wissenschaftliche Ein Fragebogen ist ein Instrument zur standardisierten Erfassung und Aufzeichnung von Informationen zu einem bestimmten Thema von Interesse. Die Informationen aus den Fragebögen lassen sich in zwei grosse Kategorien einteilen - Fakten und Meinungen; sehr oft enthalten sie Fragen zu beiden. Die Fragen können unstrukturiert oder strukturiert sein oder, wie in der folgenden Fallstudie, eine Kombination aus beidem. Bei unstrukturierten Fragen werden die Befragten aufgefordert, eine Antwort in ihren eigenen Worten zu geben, während bei strukturierten Fragen die Befragten aufgefordert werden, eine Antwort aus einer bestimmten Auswahl auszuwählen. Strukturierte Fragebögen sind in der Regel mit quantitativer Forschung verbunden beschäftigt. Die Antworten auf einzelne Fragen in einem strukturierten Fragebogen können aggregiert und für die statistische Analyse verwendet werden (Nayak & Singh 2015). Fragebögen sind eine der kostengünstigsten Methoden zur Erfassung quantitativer Daten. Insbesondere Online-Befragungen können sehr kostengünstig und reichweitenstark sein, und die Ergebnisse können schnell analysiert werden, um Trends aufzuzeigen. Allerdings gibt es eine Reihe von Nachteilen bei der Verwendung von Fragebögen. Während jeder Forscher auf gewissenhafte Antworten hofft, gibt es keine Möglichkeit zu wissen, ob der Befragte die Frage vor der Beantwortung wirklich durchdacht hat. Manchmal werden die Antworten ausgewählt, bevor die Frage oder die potenziellen Antworten vollständig gelesen wurden, und manchmal werden die Befragten die Fragen überspringen, oder es wird im Bruchteil einer Sekunde eine Auswahl getroffen. All dies wird die Gültigkeit der gesammelten Daten beeinflussen. Die Fragebögen können zwar Muster und Trends in den Daten aufzeigen, aber sie erlauben kein Verständnis für deren Ursachen. Die folgenden Fallstudien veranschaulichen einige der Methoden, die für die Forschung im Bereich der Aquaponik verwendet werden können. Die erste Fallstudie ist ein Beispiel für eine sozialwissenschaftliche Forschung, die mit Hilfe eines Fragebogens durchgeführt wurde. Die zweite Fallstudie ist ein Beispiel für sozialwissenschaftliche Forschung, bei der ein vergleichender Fallstudienansatz und halbstrukturierte Interviews zur Erzeugung qualitativer Daten verwendet werden. Vergleichende Fallstudien wie diese beinhalten die Analyse und Synthese der Ähnlichkeiten, Unterschiede und Muster in zwei oder mehr Fällen, die einen gemeinsamen Schwerpunkt oder ein gemeinsames Ziel haben. Da der Schwerpunkt auf der Erzeugung eines guten Verständnisses der Fälle und des Fallzusammenhangs liegt, dominieren unter den verschiedenen Methoden der Datenerhebung häufig Methoden wie Besuche vor Ort, Beobachtungen, Interviews und Dokumentenanalyse. Vergleichende Fallstudien können sowohl qualitative als auch quantitative Daten enthalten. Obwohl sie zeitaufwendig sein können, können sie reichhaltige Details über den Kontext und die Merkmale von zwei oder mehr Instanzen spezifischer Phänomene liefern. 265 Fallstudie 1 Love, D.C. et al. 2014. An International Survey of Aquaponics Practitioners. PLoS ONE 9(7), e102662. Ziel Erfassung der Aquaponik in den Vereinigten Staaten und die Bereitstellung von Informationen für die Politik, Forschung und Bildung in Bezug auf die Aquaponik als eine Technologie die sich entwickelt und möglicherweise zu einer Mainstream-Form der Landwirtschaft entwickelt. Aufgaben Dokumentation und Analyse der Produktionsmethoden, Erfahrungen, Motivationen und demographischen Daten von Aquaponikern in den Vereinigten Staaten und auf internationaler Ebene. Methodik 1. Literaturüberprüfung, um festzustellen, ob es geeignete Erhebungsinstrumente gibt, um Informationen über Produktionspraktiken und Einstellungen von Personen zu sammeln, die sich mit Aquaponik beschäftigen. 2. Entwicklung eines Fragebogens, der sich an den zuvor beschriebenen Methoden für Internet-Umfragen und Umfragen zur landwirtschaftlichen Praxis orientiert. 3. Pre-Test des Entwurfs des Fragebogens zum Verständnis der Inhalte mit 10 Personen, die entweder Experten oder Praktiker der Aquaponik waren und repräsentativ für die Zielgruppen der Umfrage waren (d.h. kommerzielle Landwirte, Pädagogen, Hobbyisten und gemeinnützige Organisationen). 4. Online-Umfrage mit der Schneeball-Stichprobenmethode, um möglichst viele Menschen zu erreichen. Achtzehn Organisationen verteilten den Fragebogen an ihre Mitglieder oder Abonnenten via ihre bevorzugten Kommunikationsmittel (E-Mail, Listservs, Online-Newsletter, direkte E-Mail und soziale Medien). Als Anreiz für die Teilnahme an der Umfrage wurde die Chance geboten, einen von vier Geschenkkarten im Wert von 75 Dollar zu gewinnen. 5. Von den 1084 Befragten erfüllten 809 die Einschlusskriterien (18 Jahre oder älter, in der Lage, Englisch zu lesen, und hatten in den vorangegangenen 12 Monaten ein Aquaponik-System betrieben und unterhalten). Diese Antworten bilden die Stichprobe. 6. Die Daten aus der Umfrage-Software (Qualtrics) wurden in Excel oder SPSS exportiert und analysiert, und die Zahlen wurden mit Prism erstellt. T-Tests wurden durchgeführt, um die demographischen Daten der Befragten nach Geschlecht zu vergleichen, wobei die Signifikanz auf einen Alpha-Wert von 0,05 festgelegt wurde. Fehler wurde als Standardabweichung gemeldet. Grenzen Forschung der Die Verwendung des Schneeballsampling-Ansatzes und der sozialen Medien zur Identifizierung potenzieller Teilnehmer bedeutet, dass es nicht möglich ist, die Rücklaufquote der Umfrage zu berechnen, und es gibt nur eine begrenzte Allgemeingültigkeit für Aquaponiker, die über diejenigen hinausgeht, die auf die Studie geantwortet haben. Die Tatsache, dass die Mehrheit der Befragten aus den USA kam (80%), lässt vermuten, dass die Ergebnisse verzerrt sein könnten, da die Umfrage aus den USA stammt und nicht in anderen Sprachen als Englisch angeboten wurde. 266 Das Gebiet der Aquaponik ist recht neu, denn die erste wissenschaftliche Arbeit, die diesen Begriff speziell verwendet, erschien erst 2004 in einer Zeitschrift mit Impact Factor 5. Zuvor wurden zwar Fortschritte gemacht, zum Beispiel von James Rackocy und seiner Gruppe (Universität der Jungferninseln), aber ihre Veröffentlichungen sind eher demonstrativ und weniger experimentell. Laut dem Web of Science wurden seit 2004 mehr als 60 peer-reviewed Arbeiten über Aquaponik veröffentlicht. Viele Artikel konzentrieren sich mehr auf die Förderung des Potenzials der Aquaponik als auf den Abschluss wissenschaftlicher Versuche an sich. Fallstudie 2 Laidlaw, J. & McGee, L. 2016. Towards urban food sovereignty: the trials and tribulations of community-based aquaponics enterprises in Milwaukee and Melbourne. Local Environment 21 (5), 573-590. Ziel Verständnis des sozioökonomischen und kulturellen Kontexts, der für den Aufbau von nahrungsmittelsouveränen Gemeinschaften und Städten von wesentlicher Bedeutung ist, insbesondere die potentiell katalytische Rolle von städtischen Aquaponik-Sozialunternehmen bei der Förderung einer breiteren bürgerlichen Disposition und Empfänglichkeit für Ernährungssouveränität. Aufgaben Untersuchung der Erfahrungen von Interessenvertretern beim Aufbau von kommunalen Aquaponik-Unternehmen, um die internen und externen Faktoren zu verstehen, die sich auf deren Erfolg oder Misserfolg auswirken. Methodik Vergleichender Fallstudienansatz mit: 1. Unstrukturierte qualitative Interviews mit den wichtigsten Projektbeteiligten in zwei städtischen Aquaponik-Unternehmen und eine Online-Umfrage bei einer breiteren Kohorte von Beteiligten. Die Stichprobengrösse betrugt 23 (7 Hauptprojektbeteiligte und 15 weitere Beteiligte). 2. Analyse der Projektdokumentation und der Beobachtungen, die durch eine Reihe von Vor-Ort-Besuchen zusammengestellt wurden. 3. Diskursanalyse der Interviewprotokolle. Grenzen Forschung der (Interessenvertreter, die mit zwei Die kleine Stichprobengrösse Aquaponikunternehmen verbunden sind) bedeutet, dass die Ergebnisse nur begrenzt verallgemeinbar sind. Die für die Diskursanalyse verwendeten Methoden werden nicht angegeben. Ein Teil des Problems ergibt sich daraus, dass es nicht genügend Wiederholungen (Replikate) gibt und richtige Kontrollgruppen eingerichtet werden müssen. Es ist normalerweise ziemlich schwierig und zeitaufwendig, ein Aquaponik-System mit seinen Filtern, Bakterien, Fischen und Pflanzen einzurichten, ganz zu schweigen von der Einrichtung mehrerer Replikate. Bei Futtermittelversuchen in der Aquakultur ist es beispielsweise üblich, mindestens 3 Replikate pro Behandlung zu haben, wobei jede Tokuyama, T., Mine, A., Kamiyama, K., Yabe, R., Satoh, K., Matsumoto, H., Takahashi, R.& Itonaga, K. 2004. Nitrosomonas communis strain YNSRA, an ammonia-oxidizing bacterium, isolated from the reed rhizoplane in an aquaponics plant. Journal of Bioscience and Bioengineering 98 (4), 309-312. 5 267 Versuchseinheit in der Regel ein Becken ist und nicht die einzelnen Fische. Das würde z. B. bedeuten, dass wir, wenn wir die Auswirkungen der Zugabe von Knoblauchextrakt zum Futter vergleichen wollen, drei Becken mit Fischen benötigen, denen wir Knoblauchfutter zufügen, und drei weitere Becken, denen wir Kontrollfutter zufügen. Etwas Ähnliches mit Hilfe der Aquaponik zu tun, ist komplexer. Wenn wir beispielsweise die Auswirkungen des pH-Wertes des Wassers auf das Wohlbefinden der Fische und das Wachstum von Salat vergleichen wollen, benötigen wir sechs separate Aquaponik-Einheiten, von denen drei bei einem bestimmten pH-Wert und weitere drei bei einem anderen pH-Wert liegen, und alle sechs Einheiten müssten Fische und Salat in den gleichen Besatzdichten haben. Daher sind die Kosten für jeden Versuch höher als bei Futtermittelversuchen, und die Liste der Dinge, die möglicherweise schief gehen könnten, ist ebenfalls viel höher. Aus diesem Grund sehen wir in der Literatur normalerweise nur sehr wenige oder gar keine Wiederholungen. Fallstudie 3 Goddek, S. & Vermeulen, T. 2018. Comparison of Lactuca sativa growth performance in conventional and RAS-based hydroponic systems. Aquaculture International 2018, 1-10. Ziel Um die Ergebnisse von Delaide et al. (2016) zu überprüfen 6- dass die Wachstumsleistung von Salat in kompletter Aquaponiklösung die der Hydrokultur übertrifft. Aufgabe Vergleich der Wachstumsleistung von Salat in einem hydroponischen System mit der in einem RAS-basierten System. Methodik Zwei NFT-Systeme, die jeweils aus sechzehn 7,7 Meter langen Gullys und einem 250 Liter Rezirkulationsbehälter bestehen, wurden mit 38 Salatköpfen pro Gully bepflanzt, was einer Pflanzdichte von 12 Salatköpfen pro Quadratmeter entspricht. Der Hydroponik-Becken wurde kontinuierlich mit Regenwasser, und der RAS-Becken mit 30% RAS-Wasser und 70% Regenwasser gefüllt. Die Analyse der Mikro- und Makronährstoffkonzentrationen im Wasser wurde alle zwei Wochen mit HPLCGeräten nach der Norm ISO 17025 durchgeführt. 20 Salatschösslinge wurden nach dem Zufallsprinzip ausgewählt, geerntet und sieben Wochen nach der Pflanzung einzeln gewogen. Bevor die gemahlenen Salatschösslinge zur Bleianalyse geschickt wurden, wurden die Salatköpfe jedes Systems zerschnitten und getrocknet (24 h bei 103 °C), um ihr Trockengewicht zu bestimmen. Die Analyse des Blattnährstoffgehalts wurde mit einem ICP-OES von Groen Agro Control gemäss ihrem zertifizierten Analyseprotokoll durchgeführt. Die Analyse der statistischen Signifikanz und die ANOVA wurden in R durchgeführt. Mit einem nichtparametrischen KolmogorovSmirnov-Test bei zwei Proben wurde geprüft, ob sich die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Na-Konzentration zwischen dem hydroponischen und dem RASSystem unterscheiden. Die Genstat-Software wurde zur Durchführung einer Hauptkomponentenanalyse hinsichtlich der Nährstoffzusammensetzung der Salate verwendet. konventionellen Die dritte Fallstudie ist ein Beispiel für eine experimentelle Forschungsmethodik. Der Zweck des experimentellen Forschungsdesigns besteht darin, den Forscher in die Lage zu versetzen, einen 6 Delaide, B., Goddek, S., Gott, J., Soyeurt, H. & Jijakli, M.H. 2016. Lettuce (Lactuca sativa L. var. Sucrine) Growth Performance in Complemented Aquaponic Solution Outperforms Hydroponics. Water 8 (10), 467. 268 glaubwürdigen Ursache-Wirkungs-Zusammenhang herzustellen. Die Forschungsmethodik wird sehr ausführlich erläutert, um anderen Forschern die Möglichkeit zu geben, das Experiment zu wiederholen und damit die Ergebnisse zu validieren oder zu verfälschen. 11.4 Referenzen CBE 1968. Scientific Writing for Graduate Students: A Manual on the Teaching of Scientific Writing (ed. F.P. Woodford). Committee on Graduate Training in Scientific Writing of the Council of Biology Editors. Rockefeller University Press, New York. Day, R.A. 1998. How to Write and Publish a Scientific Paper. Cambridge University Press. 5th Edition. Nayak, J.K. & Singh, P. 2015. Fundamentals of Research Methodology: Problems and Prospects. SSDN Publishers & Distributors, New Delhi. Neyman, J. & Pearson, E.S. 1933. On the problem of the most efficient tests of statistical hypotheses. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 231, 289-337. Nosek, B.A., Ebersole, C.R., DeHaven, A.C. & Mellor, D.T. 2018. The preregistration revolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 115 (11), 2600-2606. OECD 1998. OECD Principles of Good Laboratory Practice. OECD Series on Principles of Good Laboratory Practice and Compliance Monitoring Number 1. Organisation for Economic Co-operation and Development, Paris. 269 12. ENTWERFEN UND BAUEN 12.1 Erste Schritte zur Entwicklung eines Aquaponik-Systems Lassen Sie sich nicht von der grossen Vielfalt an Designs für Aquaponik-Systeme verwirren, die Ihnen in der Literatur oder beim Surfen im Internet begegnen. Bei der Planung und dem Bau einer Aquaponik soll man die Grundprinzipien befolgen, damit das System richtig funktioniert. Es gibt grosse Unterschiede zwischen den Systemen hinsichtlich der Investitionskosten, der Wartungs- und Betriebskosten, der Zuverlässigkeit, der Gesundheit und Sicherheit, des Potenzials für Fisch- und Pflanzenwachstum und der Gesamtarbeitsbelastung. Es ist daher notwendig, all diese Aspekte während der Entwurfsphase zu definieren. Der Entwurf eines neuen Aquaponik-Systems sollte sich an Ihren Zielen und Anforderungen orientieren: • Was ist der Zweck des Systems? (Nahrungsmittelselbstversorgung, Wirtschaft, Dekoration, soziale Auswirkungen, Unterricht) • Wie viel Platz steht zur Verfügung? Ein kommerzielles System benötigt mehr als 1000 m2, während die Hinterhof-Aquaponik zur Selbstversorgung kleiner sein kann. • Wo soll das System platziert werden? Wenn es draussen sein wird, sind die Baukosten vielleicht niedriger, aber es braucht mehr Energie für die Heizung. Wenn es drinnen sein wird, wird mehr Energie für die Beleuchtung aufgewendet. • Wie viel Zeit kann in die Operation investiert werden? Die automatische Regelung ist teuer, während mehrfache tägliche Kontrollen zeitaufwendig sind (obwohl die Fische ohnehin täglich kontrolliert werden müssen). • Soll ich einen fertigen Bausatz kaufen oder selbst bauen? Es sind verschiedene Bausatz-Designs erhältlich, die jedoch möglicherweise nicht Ihren Zielen entsprechen. Andererseits erfordert das Bauen Wissen, auch wenn recycelte Materialien zur Kostensenkung eingesetzt werden können. • Berücksichtigen Sie bei der Planung alle Aktivitäten, um die Routineverfahren, die Wartung und den Umgang mit Notfällen vorwegzunehmen. Der Entwurf und die Konstruktion eines Aquaponik-Systems folgt einer Reihe von aufeinander folgenden Schritten: Machbarkeitsstudie und Standortwahl, grundlegender Entwurf, detaillierter Entwurf, Baustellenvorbereitung und Bau. Grundlegende Designkriterien wurden bereits in Kapitel 2 diskutiert, daher umgehen wir hier diesen Schritt und verwenden das Beispiel aus Kapitel 2 als Vorlage für den Feinentwurf. Tabelle 1 fasst die wichtigsten Schritte zusammen, um von einer Idee zu einem voll funktionsfähigen Aquaponik-System zu gelangen. 270 Tabelle 1: Schritte beim Entwurf und Bau eines Aquaponik-Systems Phase Details Machbarkeitsstudie und Standort-auswahl In der Machbarkeitsstudie prüfen Sie, ob der Standort, an dem Sie das AquaponikSystem einsetzen wollen, die Grundvoraussetzungen für den Bau und den Betrieb erfüllt. Diese Bedürfnisse decken den Raumbedarf, die Oberflächenbelastung, die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der Stromversorgung, die Zugänglichkeit für Fahrzeuge, die Wasserqualität und -verfügbarkeit, die Kühl- und Heizmöglichkeiten, das Klima, die Sonneneinstrahlung usw. ab. Die Machbarkeitsstudie beinhaltet auch die Produktionsplanung, so dass Sie wissen müssen, wie viele Tanks mit welchem Wasservolumen, welche Grösse der Pflanzenanbaufläche usw. benötigt werden. Dies sind die ersten Dinge, die Sie wissen müssen, bevor der grundlegende Entwurfsprozess beginnen kann. Der Basisen-twurf (Basic Design) In dieser Phase planen Sie die Grundabmessungen des Systems, indem Sie einem schrittweisen Planungsprozess folgen (siehe Kapitel 2). Entweder man beginnt mit dem Produktionsbereich des Gemüses und gestaltet dann das Fischaufzuchtsystem auf der Grundlage des Nährstoffbedarfs der Pflanzen oder andersherum. Das Basic design definiert ein allgemeines Prozessflussdiagramm mit den Hauptkomponenten: Produktionsraten für Fische und Pflanzen; Wasserdurchflussraten; Volumen, Form und Wasserstand des Fischbeckens; Abmessungen zur Entfernung von Feststoffen; Typ, Grösse und Form des Biofilters; Länge und Durchmesser der Rohrleitungen; Wasserflussgeschwindigkeiten in verschiedenen Rohren; Wasserstände. Dieser Entwurf wird zeigen, ob Ihre Produktionsziele an dem von Ihnen gewählten Standort erreicht werden können. Der Fein-entwurf (Detailed Design) Der Feinentwurf verwendet die gleichen Designüberlegungen wie der Basisentwurf, geht aber in die Details. Während Sie im vorherigen Schritt nur die Hydraulik und die Abmessungen beachtet haben, müssen Sie sich nun auch auf die verwendeten Materialien konzentrieren und die einzelnen technischen Komponenten, ihren Leistungsbedarf, den Bedarf an Reserveleistung, die Mess- und Steuereinheiten auswählen sowie eine detaillierte Auslegung aller hydraulischen Komponenten (Leitungen, Auslasssiebe, Biofilter etc.) vornehmen. Abhängig von der Grösse des Projekts und dem Land, in dem Sie arbeiten, endet die Detailplanung mit Bauplänen, die entweder von Ihnen selbst ausgeführt oder einem Bauunternehmen zur Ausführung übergeben werden können. Die Planung der Sanitär- und Elektroinstallationen, der Lüftungskanäle und der Laufstege in einem 3D-Modell hilft Ihnen, einen reibungslosen Ablauf der Installation zu gewährleisten. Bei der Detailplanung müssen Sie beachten, das das erforderliche Baumaterial und die Bautechniken genügend Platz für die Montage des Systems haben sollen. Konstruktion Das Hauptziel der Bauarbeiten ist, die Aquaponik so schnell wie möglich zu bauen, da es normalerweise sehr kostspielig ist, eine Baustelle für eine lange Zeit zu haben. 271 Tabelle 1: weiter Phase Details Inbetriebnahme des Systems Das System muss mit Wasser gefüllt werden, und die folgenden grundlegenden Betriebsanforderungen müssen getestet werden, bevor die Fische in das System übertragen werden: • • • • • • • Rezirkulationsrate Lecks (mussen geschlossen werden) Wasserstände Luftströme Oxygenationskapazität Entgasungskapazität Systemüberwachung und Notfallprotokolle Der nächste Schritt wird die biologische Inbetriebnahme des Systems sein, die 4-6 Wochen vor der Aufnahme der ersten Fische in das System erfolgen muss. Zu diesem Zeitpunkt müssen die SOPs (Standard Operating Procedures) für den Betrieb des Systems fertig sein. Rechnen Sie mit mindestens 8 Wochen vom Ende der Bauarbeiten bis zum Eintritt der ersten Fische in das System. 12.2 Machbarkeitsstudie: Überlegungen zu Standort und Infrastruktur Tabelle 2. Die wichtigsten Standort- und Infrastrukturüberlegungen bei der Planung einer neuen Aquaponikanlage. Aspekt Beschreibung Standsicherheit und Fundamente Wasser ist schwer. Wählen Sie einen stabilen und ebenen Untergrund für den Bau Ihres Aquaponik-Systems. Wenn der Boden nicht stabil ist, sind die Fundamente instabil und es könnte aufgrund von Bewegungen der Rohre zu Undichtigkeiten kommen. Klimatische Bedingungen am Standort Überlegen Sie, wie Sie das Aquaponik-System vor extremen Wetterereignissen schützen können. Europa befindet sich in einer gemässigten Klimazone, die durch wechselnde Jahreszeiten mit unterschiedlichen Temperaturen und Tageslängen gekennzeichnet ist. Deshalb sollten Sie sich überlegen, was Sie in Zeiten niedriger Temperaturen und kurzen Tageslichts tun sollten. Eine Möglichkeit besteht darin, die Produktion zu stoppen und im Frühjahr wieder aufzunehmen; die andere ist, Wasser und Luft zu erwärmen und künstliche Beleuchtung bereitzustellen. Andererseits müssen Temperaturextreme im Sommer vermieden werden. Sie können Schattierungsnetze installieren oder die Aussenseite des Gewächshauses mit weisser Farbe streichen. Gewächshäuser guter Qualität verfügen über automatische Sprinkler und Belüftungsvorrichtungen. Denken Sie daran, dass Systeme mit einem grossen Wasservolumen widerstandsfähiger gegen Überhitzung sind als solche mit einem kleinen Wasservolumen. Der Zugang zu zusätzlichem Wasser (zB Quellwasser) zur Kühlung über einen Wärmetauscher kann ebenfalls hilfreich sein. Neben der Sonneneinstrahlung produzieren die Fische und elektrischen Komponenten auch eine Menge thermische Energie, die bei warmem Wetter abgeführt werden muss. 272 Tabelle 2. weiter Aspekt Beschreibung Wasser- und Stromquellen Es muss eine zuverlässige Quelle für Elektrizität und Wasser in angemessener Qualität und Menge am Standort vorhanden sein. Auch die Möglichkeit von Stromausfällen muss berücksichtigt werden. Haben Sie einen Notstromgenerator? Wie werden Sie die Fische mit Sauerstoff versorgen? Wie werden Sie sie wärmen/kühlen? Wärme- und Massenbilanzen müssen in der Detailplanung berechnet werden, um die Reaktionszeit bei solchen Ereignissen festzulegen. Zugänglichkeit, Eingang, Zäune Der Standort sollte für den Transport von Ausrüstung, geerntetem Gemüse und Fisch zugänglich sein. Das System sollte immer für dringende Interventionen zugänglich sein. Andererseits muss der Zugang von Unbefugten wegen der Gefahr von Infektionen und Krankheiten verhindert werden. Ausgewiesene Arbeits- und Lagerbereiche Bei der Planung eines Aquaponik-Systems mussen alle Vorgänge und Prozesse berücksichtigt werden, einschliesslich der Lagerräume für Fischfutter, Reinigungsmaterial und Werkzeuge, Überwachungsgeräte und Arbeitskleidung. Eine Tabelle wird für die Dokumentationsarbeit und für die Anzeige der Betriebs-, Wartungs- und Fehlerbehebungsanweisungen benötigt. Abbildung 1: (links) Windschäden an einem Gewächshaus; (b) Schattierungsnetze in einem Gewächshaus bieten Schutz vor starker Sonneneinstrahlung und verhindern Algenwachstum (Fotos: U. Strniša) 12.3 Das Fischbecken Die grundlegenden Komponenten, die zu berücksichtigen sind, sind Fischbecken, die Schlammentfernungseinheit, der Biofilter, der Sumpf, die Pflanzenbeete, die Pumpen und die Rohrleitungen. Die Funktion, die erforderlichen Materialien und der Standort jedes dieser Elemente sowie ihre Interaktion mit anderen Komponenten müssen berücksichtigt werden. Die Interaktion zwischen den Komponenten bestimmt beispielsweise die Anzahl der benötigten Pumpen. Das Fischbecken wird den Fischen für eine lange Zeit ein Zuhause bieten, daher sollte es mit Sorgfalt ausgewählt werden. Die Materialien, das Design und die Grösse des Fischbeckens sind wichtig und sollten eine relativ einfache Beobachtung und Handhabung der Fische, die Entfernung von Feststoffpartikeln und eine gute Wasserzirkulation (Simulation der natürlichen Wasserströmung) ermöglichen. 273 12.3.1 Das Beckenvolumen Das Volumen des Fischbeckens hängt von folgenden Faktoren ab: (i) die Anzahl der Fische, die es aufnehmen muss, (ii) das Volumen des Lebensraums, das jede Fischart benötigt, und (iii) die Methode zur Aufrechterhaltung einer stabilen Wassertemperatur. Die Auslegung von Aquaponik-Systemen basiert auf der Menge des Fischfutters, die mit der Fischdichte zusammenhängt. Das erforderliche Volumen des Fischbeckens basiert auf der angestrebten Fischdichte und der Biomasse. Beträgt die SollDichte beispielsweise 10 kg/m3 und es ist geplant, 30 kg Fisch zu züchten, wird ein 3000-LiterFischbecken benötigt. Man muss sich auch bewusst sein, dass die Fische wachsen werden, und daher werden die Gesamtbiomasse und somit auch die Fischdichte während des Produktionszyklus zunehmen. Im Allgemeinen sind grössere Systeme stabiler in Bezug auf Wassertemperaturschwankungen. Abbildung 2: Die Bedeutung des Beckenvolumens für Wassertemperaturschwankungen: (links) kleine Fischbecken weisen schnellere Wassertemperaturänderungen auf; (rechts) in grösseren Wasservolumen ist die Temperatur stabiler 12.3.2 Die Beckenform Fischbecken sind normalerweise entweder kreisförmig oder rechteckig. Darüber hinaus gibt es DoppelD- oder Endlostanks, die eine Mischung aus Rundbecken und langen Becken darstellen (Abbildung 3). Tabelle 3 fasst einige allgemeine Vor- und Nachteile von runden, quadratischen und Doppel-D-Tanks zusammen. Darüber hinaus müssen noch andere Faktoren berücksichtigt werden, wie z.B. die Art der Fischarten, die man aufziehen möchte. Bodenfische wie Quappe, Steinbutt, Seezunge oder ähnliche Plattfische bleiben meist auf dem Boden des Beckens und bevorzugen möglicherweise einen langsamen Wasserfluss. Darüber hinaus können die am Boden lebenden Fische so bestückt werden, dass die Selbstreinigung des Beckens tatsächlich durch Fischbewegungen und nicht durch die hydraulische Bewegungsmuster der Wassersäule erreicht wird. Daher ist eine quadratische Beckenkonstruktion möglicherweise nicht die schlechteste Lösung für die Zucht von Bodenfischen. Ein weiterer Aspekt der Tankkonstruktion ist die Neigung des Tankbodens. Während es die Selbstreinigungsfähigkeit des Systems nur sehr wenig beeinflusst, kann eine höhere Neigung bei der Entleerung des gesamten Tanks helfen. 274 Abbildung 3. Verschiedene Formen von Fischbecken: (links) runder Tank, (Mitte) rechteckiger Tank (Laufbahn oder Pfropfenströmung) und (rechts) Doppel-D-Tank oder Laufbahn mit D-Ende (Hybrid aus Kreis und Laufbahn) (Quelle: www.aqua-tech.eu/, Bregnballe 2015 ) 12.3.3 Einbauhöhe und das Verhältnis zwischen Wasserdurchmesser und Beckentiefe Das Fischbecken sollte sich auf einer solchen Höhe befinden, dass das Personal die Fische beobachten und mit ihnen arbeiten kann. Bei Verwendung tieferer Becken sollte ein Fenster zur Beobachtung der Fische und/oder ein stabiler Weg zum Zugang zum Becken vorgesehen werden. Die Höhe des Beckens bestimmt auch die Höhe der Wassersäule und die Geschwindigkeit des Wasserflusses zur nächsten Komponente des Aquaponik-Systems (siehe Kapitel 2). Abbildung 4: Fischbecken (links) über dem Boden (Foto: U.Strniša) und (rechts) am Boden (Quelle: www.humblebynature.com/about-us/projects-at-humble- bynature/aquaponics-solar-greenhouse) Falls Sie einen Rundbehälter verwenden, müssen Sie darauf achten, dass der Verhältnis Wasserdurchmesser/die Wasserhöhe stimmt. Das maximale Verhältnis sollte 6:1 betragen. Wenn die Tanks breiter sind, wird die Entfernung von Feststoffen und die gleichmässige Verteilung des Wassers aus dem Zufluss behindert. Wenn das Verhältnis unter 3:1 reduziert wird, entsteht ein Wirbel im zentralen Abfluss, und der Sauerstoff wird nicht gleichmässig im Tank verteilt. Bei einem Verhältnis unter 3:1 sollte ein Seitenabfluss (Doppelabfluss) vorgesehen werden, um die Bildung eines Wirbels zu vermeiden. 275 Tabelle 3: Vor- und Nachteile von runden, quadratischen und Doppel-D-Fischbecken Form des Vorteile Nachteile Fischbeckens Rund • Strukturelle Stabilität, keine • Geringe Flächeneffizienz, geringe Druckpunkte an den Ecken Raumausnutzung • Weniger Material erforderlich (billige • Schwer abzudichtende Tankanschlüsse Tankausrüstung) (Rohr durch die Tankwand) • Konzeptionell einfach • Schwer zu segmentieren • Ermöglichen eine homogene Verteilung • Durchflussraten variieren innerhalb des des Wassers und eine gute Tanks Wasserqualität • Die Strömungsbedingungen (Zentrifugalkräfte) spülen die Sedimente in der Mitte des Beckenzentrums zum Abfluss hin aus (hoher Selbstreinigungseffekt) • Geringe Verweilzeit der Partikel • Sauerstoffkontrolle und -regulierung einfach Quadratisch • Effiziente Nutzung von Fläche und • Geringe Selbstreinigung (mögliche Raum Totzonen, es entstehen Konzentrationsgradienten von • Leicht abzudichtende Tankanschlüsse gelöstem O2 und Ammoniak) • Einfache Segmentierung • Zur Verhinderung geringer • einfacherer Umgang mit dem Fisch Selbstreinigung ist eine hohe Durchflussrate erforderlich • Hohe Verweilzeit der Partikel • Steuerung und Regelung des Sauerstoff-Gehaltes • Druckpunkte auf die Struktur • Die Futtermittelabfälle sind aufgrund der grösseren Streuung der Fische höher Doppel-D • Effiziente Nutzung von Fläche und • Konzeptionell komplex Raum • Hohe Menge an benötigten Materialien • Wassermischung teilweise möglich • Teurer • Einfache Segmentierung • Medium selbstreinigend • Sauerstoffkontrolle und -regulierung einfach • Die Fische können im Kreis schwimmen 12.3.4 Materialien Es gibt Unterschiede hinsichtlich der Investitionskosten, der Stabilität des Beckens und der Installation, aber das Wichtigste ist, sicherzustellen, dass die Materialien sowohl für die Fische als auch für die Pflanzen sicher sind. Dies bedeutet, dass verzinkte Materialien wegen der Zink-Toxizität vermieden werden sollten. Auch die falsche Art von Kunststoff kann für die Fische schädlich sein. Thermisch verschweissbare Kunststoffe (so genannte Thermoplaste wie PE, PP oder PVC) sind die beste Option, 276 obwohl sie in der Regel teurer sind. Bei der Wahl des Kunststoffs müssen folgende Überlegungen berücksichtigt werden: UV-Beständigkeit (schwarzes PE ist UV-beständig) Porosität (PP ist poröser als PE und ermöglicht daher das Wachstum von Biofilmen) Thermische Stabilität (PVC wird unter 0°C spröde) Wegen seiner Widerstandsfähigkeit gegen harte Witterungsbedingungen ist PE das Material der Wahl für langlebige Installationen in Gewächshäusern oder im Freien. Abbildung 5: Unterschiedliche Materialien für Fischbecken: (oben links) Polyethylen (Foto: U. Strniša), (oben rechts) Beton (Foto: U. Strniša), (unten links) Stahltanks mit Kunststoffauskleidung (Foto: ZHAW), und (unten rechts) PVC-Tanks 12.3.5 Tankabdeckung Gesunde Fische sind lebhafte Geschöpfe und können aus dem Becken springen. Alle Becken sollten daher abgedeckt werden, um unbeabsichtigte Verluste und Verletzungen der Fische zu verhindern. Abdeckungen verhindern auch, dass Fremdkörper in den Tank fallen (Abbildung 6a). Tankabdeckungen reduzieren die Wasserverluste durch Verdunstung und sorgen für Beschattung, was die Überhitzung reduziert, Algenwachstum verhindert und damit das Wohlbefinden der Fische verbessert. Darüber hinaus bevorzugen die meisten Fische den Schatten und nicht das direkte Sonnenlicht (Abbildung 6b). 277 a) b) Abbildung 6: (a) Ein mit Netzen abgedecktes Aquarium, um unbeabsichtigte Verluste zu verhindern; (b) Eine Aquarienauskleidung und gepflanzte Flösse verhindern Algenwachstum und spenden Schatten (alle Fotos: U.Strniša) 12.3.6 Wasserfluss 12.3.6.1 Zu- und Abfluss Idealerweise sollte das Wasser von oben schräg in den Tank einströmen, um das Wasser mit Sauerstoff anzureichern und eine Kreisströmung im Tank zu erzeugen (Abbildung 7a). Wenn das Wasser übersättigt ist (Sauerstoffsättigung >100%, verursacht durch die Sauerstoffanreicherungseinheiten, wie z.B. einen Oxygenator mit niedriger Förderhöhe oder einen Sauerstoffkegel), dann sollte das Wasser durch ein perforiertes Rohr (Flöte), das eine kreisförmige Wasserströmung erzeugt, in das Aquarium unter der Oberfläche gelangen. Die erste Perforation sollte knapp über der Wasseroberfläche liegen und der Gesamtquerschnitt aller Perforationen im Einlaufrohr sollte dem Rohrquerschnitt entsprechen. Die Perforationen müssen auch kleiner sein, als die Grösse des Fisches im System gehalten wird. Abbildung 7: Beispiele für Wasserzu- und -abfluss: (links) der Wasserzufluss befindet sich schräg über dem Tank; (rechts) der Wasserabfluss befindet sich in der Mitte des Tankbodens auf den Fotos: U.Strniša) 278 Der Abfluss des Wassers aus dem Becken soll die Entfernung von Feststoffpartikeln ermöglichen und gleichzeitig den Verlust von Fischen verhindern; er wird daher in der Regel in der Mitte des Beckenbodens platziert (Tabelle 4). Die richtige Dimensionierung des Systems und der Wasserströme verhindert sowohl die Verstopfung als auch das Überlaufen. Jedes Aquarium sollte als separates hydraulisches Element gebaut werden, da die hydraulische Kommunikation zwischen den Aquarien bei einem Leck in einer Leitung oder einem Aquarium zum Totalverlust aller Fische führt. Daher benötigt jeder Tank eine Option für den Überlauf (Tabelle 4). An der ZHAW arbeiten wir mit extern angebrachten Standrohren oder externen Überläufen, so dass die Strukturen innerhalb des Aquariums den Umgang mit den Fischen nicht behindern. Tabelle 4: Optionen für den Wasserabfluss (Quelle: Timmons & Ebeling, 2007) Typ (+) Vorteile / Querschnitt (-) Nachteile Internes Standrohr (+) Wasserstandsregelung (+) Keine Sedimentablagerungen in der Pipeline (-) Stört das Netzen von Fischen Externes Standrohr (+) Wasserstandsregelung (+) einbaufertiger Tank (-) Feststoffe können sich im Rohrsegment absetzen 12.4 Feststoffabscheidung Die folgenden Entscheidungen müssen während der Entwurfsphase getroffen werden: (i) Ist ein separater Schritt zur Entfernung von Feststoffen erforderlich? In Systemen mit einer geringen Fischbesatzrate kann ein mit Substrat gefülltes Behälter («grow bed») Feststoffe entfernen und als Biofilter fungieren. Im Laufe der Zeit werden jedoch mit zunehmender Menge an Feststoffen Verstopfungen und anaerobe Bereiche auftreten. (ii) Was ist die geeignete Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffen? Abfallpartikel im Wasser können unterschiedlich gross sein, was sich auf die Technologien zu ihrer Entfernung auswirkt. Systeme mit einer geringeren Besatzdichte (<10 kg/m3) können möglicherweise Geräte auf 279 Sedimentationsbasis zur Partikelentfernung einsetzen, während Systeme mit einer höheren Besatzdichte (>10 kg/m3) möglicherweise Rotationstrommelfilter benötigen (Abbildung 7). (iii) Wie sollte der Fischbehälter an die Feststoff-Entfernungsvorrichtung angeschlossen werden? Das Wasser sollte immer durch die Schwerkraft aus dem Fischbecken zum Feststoffabscheider fliessen und nicht gepumpt werden, da letzterer nur die Partikelgrösse verringert und die Entfernung erschwert. Um Ablagerungen zu vermeiden, sollte die Strömungsgeschwindigkeit in der Leitung zwischen 0,7 bis 1,0 m/s liegen. (iv) Was ist mit dem Schlamm zu tun? Fischschlamm ist reich an Nährstoffen, die als Dünger wiederverwendet werden können. Es gibt mehrere Alternativen zur Einleitung in das Abwassersystem, darunter die folgenden: • die Lagerung und Wiederverwendung im traditionellen Gartenbau und in der Landwirtschaft; dies kann jedoch gesetzlich verboten sein. • Co-Kompostierung mit strukturreichen Grünabfällen (Baumschnitt, Stroh). • Vermikompostierung (Kompostierungsverfahren mit verschiedenen Regenwurmarten). • anaerobe Gärung und Wiedereinführung von Gärresten in die Aquaponik (Goddek et al. 2016). • Denitrifikation zur Verschiebung des N:P-Verhältnisses im Aquaponik-System, um die PLimitierung zu reduzieren. Die meisten Low-Tech-Systeme nutzen die Gravitationssedimentation zur Entfernung von Partikeln. Filter in dieser Kategorie sind: Vortex-Filter, Lamellenabscheider und Radialabscheider (Abbildung 8). Die Low-Tech-Sedimentationsfilter können normalerweise nur Partikel mit einer Grösse von mehr als 100 µm bewältigen. Aufgrund des hohen Durchflusses und der aktiven Durchmischung der Wassersäule wird jedoch die Mehrzahl der Partikel in den meisten modernen intensiven RAS kleiner als 100 µm sein. Daher ist der Einsatz von Sedimentationsfiltern allein keine optimale Lösung für intensive RAS oder für die Aquaponik-Systeme, die solche enthalten. Screen Wasser fliesst ein Wasser fliesst aus Wasser wird nach oben in die Ummantelung gedrückt, die eine Richtungsänderung erzwingt – und die Feststoffe fallen nach unten «sauberes» Wasser steigt auf und überflutet das Wehr Wasser fliesst aus Wasser fliesst ein Feststoffe sammeln sich in der kegelförmigen Basis Wasser tritt in die Ummantelung ein und wird nach unten gedrückt – die Feststoffe fallen zum Boden FeststoffAblassventil Abbildung 8: Schema eines Radialstromabscheiders (adaptiert nach www.garydonaldson.net) 280 Die meisten modernen und intensiven RAS verwenden Mikrosiebe, die oft als Rotationstrommelfilter für die Feststofffiltration eingesetzt werden (Abbildung 9). Diese Trommelfilter funktionieren folgendermassen: Das Wasser tritt in den Trommelfilter ein und filtert durch die Mikrosiebe (in der Regel mit einem Filtertuch von 40-100 µm). Die festen Partikel werden zurückgehalten und dann von den Filterelementen in die Schlammwanne gewaschen, und das Schlammwasser verlässt dann das Fischsystem und gelangt in die Abwasserbehandlungsanlage. Abbildung 9: Schema eines Trommelfilters (www.nordicwater.com) Zusätzlich zu den Trommelfiltern werden häufig Schaumfraktionierer (auch Proteinabschäumer genannt) (Abbildung 10) eingesetzt. Diese werden hauptsächlich zur Entfernung organischer Verbindungen wie z.B. Proteine verwendet, aber es wurde auch berichtet, dass sie eine Vielzahl anderer organischer und anorganischer Moleküle (z.B. Fettsäuren, Detritus, Bakterien, Metalle) reduzieren. Schaumfraktionierer werden hauptsächlich in Meerwasser eingesetzt, da ihre Effizienz in Süßwasser sehr gering ist. Abbildung 10: Schema eines Schaumfraktionierers (www.epd.gov.hk) Tabelle 5: Merkmale verschiedener Feststoff-Filtrationssysteme Sedimentationsfilter Trommelfilter Prinzip Dichte (Schwerkraft) Filtration (Grösse) Schaumfraktionierer Flotation (Polarität/Dichte) Grösse >100 µm >30-100 µm <30 µm Druckabfall* Unwesentlich 20 cm Unwesentlich * Ein Druckabfall tritt auf, wenn Reibungskräfte, die durch den Strömungswiderstand verursacht werden, auf eine Flüssigkeit wirken, wenn diese durch das Rohr fliesst. Siehe Übung im Modul Aquakultur. 281 Abbildung 11. Unterschiedliche Feststoff-Entfernungsvorrichtungen: (links) Schlammfang; (Mitte) Vorfilter; (rechts) Rotationstrommelfilter an der ZHAW (alle Fotos von U.Strniša) Abbildung 12: (links) Schlammlagerbehälter (Foto: U.Strniša); (rechts) Kompost (Foto: Pixabay) 12.5 Der Biofilter Der Biofilter ist das Herzstück jeder Kreislauf-Aquakulturanlage und somit auch jeder Aquaponik. Die Gesundheit der Fische und damit der wirtschaftliche Erfolg hängen vom korrekten Betrieb des Biofilters ab. Hohe Ammoniak- und Nitritwerte in Fischbecken können durch mehrere Faktoren verursacht werden. Eine davon kann eine schlechte Auslegung oder ein suboptimaler Betrieb des Biofilters sein (zu klein, nicht gleichmässig gemischt, zu hoher Nitratgehalt, zu niedriger pH-Wert, Vergiftung des Biofilters durch Salz oder medizinische Behandlung, zu geringe oder zu hohe Belüftung usw.). Der andere Aspekt des Designversagens ist die unzureichende Rezirkulation des Wassers. Der Biofilter kann nur das abbauen, was er aus dem Fischbecken erhält. Wenn die Rezirkulationsrate zu niedrig ist, führt auch ein überdimensionierter Biofilter nicht zu einer guten Wasserqualität. Das Beispiel in Kapitel 2 zeigt, wie die korrekte Rezirkulationsrate für Ihr System berechnet wird. 12.5.1 Ist ein separater Biofilter erforderlich? In Systemen mit geringer Fischbesatzdichte kann ein substratgefülltes Beet sowohl die Rolle der Feststoffentfernung als auch der Biofiltration übernehmen. Wenn die Feststoffbelastung zu hoch ist, kann es zu Verstopfungen und anaeroben Bereichen kommen, die die Effizienz der Biofiltration verringern. Wenn das Beet als Biofilter fungieren soll, wird daher entweder ein sehr geringer 282 Fischbesatz oder eine separate Vorrichtung zur Entfernung von Feststoffen empfohlen (siehe auch Kapitel 2). 12.5.2 Auswahl des Biofilters Der am häufigsten verwendete Biofiltertyp in der Aquaponik und im RAS ist der Bewegtbettbiofilter (Moving Bed Bio-Reactor, MBBR) (Tabelle 6, Abbildung 14). Das Medium eines solches Filters besteht aus kleinen (1-2 cm) plastischen Strukturen (Chips) mit hoher spezifischer Oberfläche (z.B. Kaldness k1). Diese Chips werden durch Belüftung in ständiger Bewegung gehalten (z.B. durch Lufteintritt durch Luftplatten am Boden des Biofilterbehälters). Die ständige Bewegung der Chips verhindert ein zu starkes Bakterienwachstum im Biofilm und hat somit einen Selbstreinigungseffekt. Zur Reinigung sollte der Bewegtbettbiofilter vom RAS getrennt und dann etwa einmal pro Woche rückgespült werden. Das Trägermedium der «Chips» unterstützt das Wachstum des mikrobiellen Biofilms, indem es eine grosse Oberfläche bietet. Typischerweise werden MBBR zu 40-60% mit Trägern gefüllt, wodurch eine absolute Oberfläche von 300-600 m2/m3 Bioreaktorvolumen entsteht. Luftbewegung erzeugt Scherkräfte auf die Biofilme und hält Wachstum und Abbau des Biofilms im Gleichgewicht. Wenn der Biofilm auf den Trägern zu dick wird, ist die Belüftung zu gering, und wenn er nicht vorhanden ist, ist die Belüftung zu hoch. Ein grosser Vorteil von MBBR ist die Entgasung und Belüftung durch den Luftstrom, die von Festbettfiltern nicht gewährleistet wird. Festbettfilter haben feste Biofiltermedien. Der Festbettfilter funktioniert auch als Feststoffabscheider, und kann die Feststoffe und die organischen Verbindungen, die im Feststoffseparator nicht herausgefiltert wurden, herausfiltern. Wenn die organische Belastung höher ist als der natürliche Abbau an der Filteroberfläche, kann der Filterkuchen durch Partikel und Bakterienwachstum verstopfen. Der Filter muss regelmässig rückgespült und das Rückspülwasser separat behandelt werden (durch Sedimentation etc.) (Tabelle 6). Tropfkörper sind der letzte der drei gängigen Filtertypen und arbeiten durch Tropfen von Wasser durch einen Stapel von Biofilmträgern. Der grösste Vorteil des Tropfkörpers ist die hohe Entgasungswirkung durch die hohe Wasser-Luft-Oberfläche, die durch das Tropfen verursacht wird. Der Hauptnachteil sind die hohen Pumpkosten, die erforderlich sind, um das Wasser auf die erforderliche Höhe zu bringen. Da diese Träger nicht wie bei einem MBBR regelmässig bewegt werden, wird der Biofilm auf diesen Trägern dicker, es dringt weniger Sauerstoff ein, und damit wird die Nitrifikationsrate reduziert. Tropfkörper sind in der Aquaponik sehr verbreitet, da sie den Gasaustausch (Entgasung von CO2 und Belüftung) in einem Schritt ermöglichen. Ausserdem benötigen sie nur eine Wasserzirkulation und keine zusätzliche Belüftungseinrichtung wie MBBR, was sie zu einem sehr einfach zu bauenden System macht. 283 Abbildung 13: Zwei Versionen von suboptimalen Bewegtbett-Biofilter (Moving Bed Bio-Reactor, MBBR): (links) MBBR mit zu vielen Biochips (Foto R. Bolt); (rechts) MBBR ohne Belüftung (Foto: U. Strniša) 12.5.3. Entgasung und Belüftung Die Fischbecken, der Biofilter und die Pflanzenbeete müssen angemessen belüftet werden. Das Hauptziel der Begasung ist O2 ins Wasser einzutragen. Gastransfer zwischen Flüssigkeit und Gasphase erfolgt, wenn in einer Phase eine Untersättigung besteht. Die Gaslöslichkeit ist abhängig von Druck, Temperatur, Salinität, Gaspartialdruck. Der Transfer findet über die Kontaktflächen Gas/Flüssigkeit statt. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu gewährleisten, zB durch die Verwendung von Luftheberpumpen, Wassersprühern, Schaufelrädern, Rotoren, Gebläsen und Kompressoren. Wie das Pumpen von Wasser muss auch die Belüftung des Wassers zuverlässig und energieeffizient sein. Die Belüftung in kleineren Systemen kann durch die Verwendung einer energieeffizienten und langlebigen Luftpumpe und lebensmittelechten Vinylrohren erfolgen, die mit Luftsteinen verbunden sind, die am oder nahe dem Boden der Tanks und Anzuchtbetten platziert sind. Luftpumpen sind im Allgemeinen nicht gross genug für die Belüftung grösserer Systeme, die in der Regel ein regeneratives Gebläse oder einen Sauerstoffgenerator verwenden. In der Aquaponik werden Luftpumpen und Luftsteine verwendet, um Luft ins Wasser zu drücken und so Pflanzenwurzeln und Fische mit Sauerstoff zu versorgen. Luftpumpen sind in vielen verschiedenen Grössen erhältlich, mit einer Belüftungskapazität von einem bis zu vielen Luftsteinen. Jeder Luftstein führt Hunderte winzige Bläschen frischer, sauerstoffreicher Luft in die Lösung ein. Es ist zwar einfacher, Luft aus einem Luftstein zu drücken, der sich in flachem Wasser befindet, aber man bekommt nicht so viel Sauerstoff ins Wasser, wie wenn der Luftstein tiefer liegt. Wenn der Luftstein tiefer liegt, ist die Anzahl der austretenden Blasen aufgrund des höheren Wasserdrucks kleiner, jedoch müssen diese weiter an die Oberfläche wandern, wobei das umgebende Wasser den Sauerstoff aus den Blasen bis zum oberen Ende des Tanks absorbiert, wo sie an der Oberfläche platzen. 284 Tabelle 6: Arten von Biofiltern und ihre Vor- und Nachteile in Bezug auf die Systemleistung: Bewegtbett-Filter (Moving Bed Bio-Reactor, MBBR), Festbettfilter und Tropfkörper Biofilter-Typ Grundlegende Konstruktion Für und Wider BewegtbettFilter (Moving Bed BioReactor, MBBR) Nitrifikation ++ Filtrierung - Entgasen + Biofilm ä Sprüh b lk Festbettfilter Wasseraustritt Nitrifikation+ Zufluss Rückenwäsche Filterung + Entgasung - Filterkuchen Sauberes Wasser W Tropffilter i Nitrifikation+ Spray bar Filterung - Entgasung ++ (falls belüftet) l Sauberes Wasser Gastransfer: O2 mit hoher Effizienz Die grundlegenden hocheffizienten Sauerstoffanreicherungssysteme sind das U-Rohr, der Oxygenierungskonus und der Low-Head-Oxygenator (LHO) (Abbildungen 14-16, Tabelle 7). Tabelle 7: Merkmale der verschiedenen Möglichkeiten der hocheffizienten Sauerstoffanreicherung in RAS U-Rohr Konus LHO Prinzip Druckerhöhung durch Wassersäule; langer Kontaktweg Wasser/Sauerstoff Überdruck mittels Pumpe. Aufweitung Querschnitt hält Blasen in Schwebe Überdruck mittels Wassersäule, hohe Kontaktfläche von Wasser/Sauerstoff Druckverlust Nein Hoch (2-3 m, 0.2-0.3 bar) Mittel (ca. 1m, 0,1 bar) Effizienz Hoch Hoch Mittel 285 Eine einfache Sauerstoffanreicherungstechnologie zur Lösung von Sauerstoff in das Systemwasser ist das U-Rohr (Abbildung 14). Sauerstoff wird am Boden eines 10-30 m tiefen Rohrs, durch das das Systemwasser fliesst, injiziert. Aufgrund der hohen hydraulischen Förderhöhe führt der hohe Druck zu einer hohen Auflösung des Sauerstoffs in der Wassersäule. Da diese Technik jedoch erfordert, dass Strukturen tief in den Boden gebaut werden müssen, ist die Methode in der Praxis oft nicht umsetzbar. Abbildung 14: U-Rohr Ein Oxygenierungskonus (Abbildung 15) verwendet das gleiche Prinzip wie ein U-Rohr. Der Unterschied besteht darin, dass der hohe hydraulische Druck durch eine Pumpe erzeugt wird (die viel Energie verbraucht). Diese Technologie eignet sich besonders zur Deckung von Sauerstoffbedarfsspitzen und hat eine hohe Effizienz in Bezug auf die Sauerstoffauflösung. Abbildung 15: Sauerstoffkegel zum Lösen von reinem Sauerstoff bei hohem Druck Quelle: Timmons und Ebeling 2007 (links), Bregnballe 2015 (rechts) Der Low-Head-Oxygenator (LHO) oder auch Jetsystem oder "Düsenkiste" verwendet eine andere Methode der Sauerstoffanreicherung. Es ist ein Niederdruckeintragsverfahren, bei dem das Wasser mit leichtem Überdruck (50 - 100 mbar) über eine perforierte Platte in einen Reaktionsraum 286 (Mischkammer) gelangt und hier mit Sauerstoff angereichert wird. LHOs arbeiten sehr wirtschaftlich, obwohl sie keine so hohen Sauerstoffkonzentrationen wie Kegel erreichen können. Abbildung 16: Low-Head-Oxygenator (LHO) oder "Düsenkiste" Gas Transfer: Sauerstoffanreicherung mit geringer Effizienz Abbildung 17 und Tabelle 8 zeigen die Möglichkeiten des Gastransfers mit niedriger Effizienz. Feinblasiger Sauerstoffeintrag Grobblasiger Sauerstoffeintrag Grobblasige Druckluft Abbildung 17: Verschiedene Möglichkeiten der Sauerstoffanreicherung mit geringer Effizienz in der Aquakultur Tabelle 8: Merkmale der verschiedenen Möglichkeiten der Sauerstoffanreicherung mit niedrigem Wirkungsgrad bei RAS Feinblasiger Sauerstoffeintrag Grobblasiger Sauerstoff Grobblasige Druckluft Anwendung Sehr viele kleine Blasen, die langsam aufsteigen, und ein hohes Oberflächen zu Volumenverhältnis haben. Hoher Konzentrationsgradient, da Reinsauerstoff. Meist bei Notsauerstoffbegasung Benötigt keinen Reinsauerstoff, dafür tiefe Effizienz, da nur 21% Sauerstoff eingeblasen wird. Der Rest ist N2 etc. das kann zu Gasübersättigung von N2 führen. Druckverlust 1.5 bar Ab 300 mbar + Wassersäule Ab 300 mbar + Wassersäule Effizienz Mittel (bis 20%) bei hoher Wassersäule bis zu 100% bei ca. 5-10 m Tief (5%) Sehr tief (1 % des Volumens) 287 12.6 Die Anzuchtbeete 12.6.1 Wasserfluss und Positionierung der Anzuchtbeete Der Wasserfluss ist der wichtigste Teil der Systemkonstruktion, und die genaue Positionierung der Anzuchtbeete übt einen grossen Einfluss darauf. Daher sollte sie sorgfältig geprüft und, wenn möglich, ein Experte hinzugezogen werden. Die Anzuchtbeete sollten nach dem Biofilter und vor der Rückführung des Wassers in das Fischbecken positioniert werden. Überlegen Sie, wie das Wasser vom Anzuchtbett in das Fischbecken fliessen wird. Wenn es durch die Schwerkraft ist, dann muss der Wasserstand im Anzuchtbett höher sein als im Fischbecken, was bedeuten kann, dass Sie das Fischbecken und die Anschlüsse in den Boden graben müssen, oder dass Ihre Anzuchtbetten so hoch sind, dass Sie nicht in der Lage wären, bequem zu arbeiten. In der Regel wird ein Sumpfbehälter mit einer Pumpe hinter dem Anzuchtbett platziert, damit Wasser in den Fischbecken gepumpt werden kann. Die Verbindung zwischen dem Biofilter und den Anzuchtbetten sollte so kurz wie möglich sein. Zufluss und Abfluss sollen auf den gegenüberliegenden Seiten jedes Anzuchtbettes platziert werden. Einer der Vorteile der erdlosen Kulturen ist die Möglichkeit, geeignete Bedingungen für die Arbeit mit Pflanzen zu schaffen. Idealerweise sollte das System in einer Höhe konzipiert werden, die eine einfache Überwachung der Pflanzen ermöglicht (Abbildung 18). Abbildung 18: Unterschiedliche Arbeitshöhen von Anzuchtbeeten: (links) erhöhte Anzuchtbeete ermöglichen ein komfortables Arbeiten; (rechts) ebenerdige Anzuchtbeete benötigen keine Stützkonstruktion, sind aber dennoch perfekt für die Produktion geeignet: leicht zugänglich, viel Licht und tief genug für die Wurzeln. Auch wenn ein Sprühen erforderlich ist, ist es auf perfekter Ebene möglich (Foto A. Graber, ZHAW) 12.6.2 Baumaterial Wie bei den Fischbecken sind die wichtigsten Aspekte die maximale Sicherheit für die Fische und die Pflanzen sowie die Risikominimierung von Wasserlecks. Teichfolien sind zwar oft sicher und preiswert, aber das Risiko einer Beschädigung ist ziemlich hoch. 288 12.6.3 Konstruktion des Wasserzu- und -abflusses Der Durchmesser der Wasserzu- und -abflüsse sollte so gross sein, dass die Wasserdurchflussmengen für das gesamte System ausgelegt werden können. Die Zu- und Abflüsse sollten vorzugsweise alle den gleichen Durchmesser haben. Jedes Loch stellt ein Risiko für Wasseraustritt dar, wenn die Abdichtung nicht angemessen ist. Dieses Risiko sollte vermieden werden, indem so wenige Löcher wie möglich in das System gebohrt werden. 12.7 Anschlüsse, Wasserbewegung und Belüftung 12.7.1 Klempnerei PVC-Rohre werden am häufigsten für Sanitärinstallationen verwendet. Sie sind in vielen Standardgrössen erhältlich, kosteneffektiv, leicht zu schneiden und an eine Vielzahl von Adaptern und Steckern anzupassen, und sie halten in der Regel lange. Es könnten auch andere Materialien verwendet werden, aber sie müssen sowohl für die Fische und Pflanzen als auch für die Lebensmittelproduktion sicher sein. Einige allgemeine Ratschläge über Rohre: • die Rohre müssen "genau richtig" sein - sind die Rohre zu klein, gibt es ein Problem mit Leckagen, und sind sie zu gross, werden die Feststoffe nicht ausgespült, weil der Wasserdruck zu niedrig ist • flexible Rohre sind zu vermeiden, um die Risiken des Wasserflusses und des Biofoulings zu verringern. Unter Biofouling oder biologischem Bewuchs versteht man die Ansammlung von Mikroorganismen, Pflanzen, Algen oder Tieren auf nassen Oberflächen. • Die Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten des Systems sollten so kurz und so gerade wie möglich sein. Dies ermöglicht eine gleichmässigere Wasserbewegung. Jede Kurve oder Schleife stellt ein Hindernis für einen reibungslosen Wasserfluss dar. 12.7.2 Wasserfluss und Pumpen Sobald die System-Komponenten verbunden und mit Wasser gefüllt sind, sollte das Wasser in allen Komponenten einen konstanten und gleichen Pegel aufweisen. Da es jedoch zirkulieren muss, muss das Wasser entweder durch Schwerkraft oder durch Pumpen bewegt werden. Der Entwurf von Hydrauliksystemen folgt dem Beispiel in Kapitel 2. Nach dem Zeichnen eines Verfahrensfliessbildes muss in der Detailkonstruktion jede Leitung dimensioniert werden, wobei der Durchmesser in Abhängigkeit von Volumenstrom und Strömungsgeschwindigkeit (zuvor berechnet) gewählt und durch Länge, Fittings und Krümmer definiert wird. Die Reibungsverluste müssen dann berechnet werden. Diese Reibungsverluste müssen durch die Wasserdruckdifferenz zwischen den verschiedenen Höhen des Wasserspiegels ausgeglichen werden. Das Pumpen sollte idealerweise nur an einem Punkt des gesamten Rezirkulationsflusses erfolgen (mit zwei entkoppelten Pumpen parallel), um stabile Flussbedingungen zu gewährleisten. Die Pumpe ist eine äusserst wichtige Komponente des Aquaponik-Systems, da sie eine zuverlässige Wasserzirkulation im gesamten System gewährleistet. Das Wasser muss im Kreislauf geführt werden, um Mikroorganismen und Pflanzen mit den notwendigen Nährstoffen zu versorgen und den Fischen eine Umgebung zu bieten, die frei von schädlichen Komponenten ist. Eine unzureichende oder 289 unzuverlässige Pumpe kann zu einer unzureichenden oder übermässigen Nährstoffversorgung führen, was den Bakterien, Fischen und Pflanzen schaden kann. Fehlende, zu schnelle oder zu langsame Rezirkulation wird sich schnell auf alles Leben im aquaponischen System auswirken. Es gibt eine grosse Auswahl an Pumpen auf dem Markt, die sich jedoch in zwei Hauptkategorien einteilen lassen: Unterwasserpumpen oder Inline-Pumpen (Kreiselpumpen). Tauchpumpen werden in das Wasser des Tanks eingetaucht, was dazu beiträgt, sie kühl zu halten. Sie sind in der Regel weniger effizient als Inline-Pumpen und eignen sich besser für kleinere Systeme. Inline- oder Kreiselpumpen sind luftgekühlte Pumpen und befinden sich ausserhalb des Tanks. Sie können über Motoren mit höherer Leistung verfügen, die in der Lage sind, grosse Wassermengen zu pumpen. Bei der Dimensionierung der Pumpe für das Aquaponik-System muss zunächst die Durchflussmenge ermittelt werden, d.h. wie viel Wasser die Pumpe in einem bestimmten Zeitraum fördern kann. Sie wird normalerweise in Liter pro Minute oder Liter pro Stunde gemessen. Die Pumpe sollte in der Lage sein, das gesamte Wasservolumen im System umzuwälzen. Dies kann von 3 Mal pro Stunde in sehr intensiven Systemen bis zu nur wenigen Malen pro Tag in extensiven Systemen variieren. Es gibt keine Faustregel. Die einzige Möglichkeit, die erforderliche Wasserrücklaufrate zu berechnen, ist eine korrekte Massenstromberechnung (siehe Übung im Kapitel 2). Im Allgemeinen ist es besser, eine leistungsstärkere Pumpe anzuschaffen, da diese eine Anpassung des Durchflusses ermöglicht. Solche Pumpen sind jedoch teuer. Um Ihre Pumpe zu dimensionieren, ist es auch wichtig, die Förderhöhe zu berechnen, indem Sie alle in Übung 2 beschriebenen Förderhöhenverluste berechnen. Dieser Druckverlust muss durch eine Wasserstandsdifferenz ausgeglichen werden, die der Höhe der beiden Wasserstände entspricht, die die Pumpe zum Anheben des Wassers dazwischen benötigt. Normalerweise befinden sich das Aquarium und das Anzuchtbett auf verschiedenen Ebenen. Je grösser der Abstand oder die Förderhöhe, desto mehr Energie ist zum Pumpen des Wassers erforderlich. Alles, was man tun kann, um die Höhendifferenz («Head») zu minimieren, wird das gesamte System effizienter machen. Der letzte Schritt bei der Bestimmung der richtigen Pumpengrösse ist die Kombination von Fördermenge und Förderhöhe. Im Allgemeinen werden die meisten Pumpen mit einem Diagramm geliefert, das Fördermenge und Förderhöhe kombiniert. Wenn nicht, dann werden in der Regel die maximale Fördermenge (Qmax) und die maximale Förderhöhe (Hmax) angegeben. Wenn Sie kein Pumpendiagramm haben, gehen Sie davon aus, dass die Pumpe einen optimalen Pumpwirkungsgrad um Hmax / 2 hat, normalerweise um Qmax / 2. Beispiel für eine Berechnung: Wenn Sie 10 m3/h für 2 m umwälzen müssen, dann entscheiden Sie sich zunächst, ob Sie eine oder zwei Pumpen einsetzen wollen. Wenn Sie zwei Pumpen parallel einsetzen wollen, muss jede Pumpe 5 m3/h für 2 m einschliesslich der Reibungsverluste in der Pumpleitung fördern. Sie benötigen also zwei Pumpen, jede mit Hmax = 4 m und Qmax = 10m3. Die Kosten der für den Betrieb der Pumpe verwendeten Energie sind ein wichtiger Teil der Kostenstruktur für den Betrieb einer Aquaponik. Daher ist es wichtig, den Stromverbrauch der Pumpe (Verbrauch in Watt), die Sie kaufen möchten, zu kennen. Die ideale Pumpe erledigt ihre Aufgabe mit der geringstmöglichen Energiemenge. Vergessen Sie beim Kauf einer Pumpe nicht, auch eine Ersatzpumpe für den Fall eines Ausfalls der ersten Pumpe zu kaufen, oder betreiben Sie das System mit zwei Pumpen parallel (dringend empfohlen) und haben Sie eine Ersatzpumpe. 290 12.7.3.1 Wasserfluss und Wasserstandsregelung Die Soll-Strömungsgeschwindigkeit in Rohren beträgt etwa 0.7-1 m/s. Bei einer Geschwindigkeit unter 0.7 m/s besteht die Gefahr der Schlammablagerung, während über 1 m/s ein unnötiger Energieverlust durch Reibung auftritt. Der Wasserdurchfluss in der Anlage kann durch den Einbau angepasst werden: • eine Pumpe, bei der der Durchfluss reguliert werden kann • ein Regelventil • einen an die Pumpe angeschlossenen elektrischen Timer • einen Wasserstandsschwimmerregler mit oder ohne Wasserstandssensor In Aquaponik-Systemen, insbesondere in Medienbeeten, wird ein Glockensiphon zur Wasserdurchfluss- und Niveauregulierung häufig eingesetzt. Mit Hilfe von Glockensaugern wird das Wasser aus dem Medienbeet automatisch in das Fischbecken geleitet und die Pumpe fördert dann das Wasser aus dem Fischbecken in das Medienbeet. Neben der automatischen Wasserregulierung, die viel Zeit und Mühe spart, haben Glockensiphons noch weitere Vorteile: • mehr Belüftung für die Wurzeln der Pflanzen • konstante und gleichmässige Bewegung des Wassers • der Prozess ist automatisch • gewährleistet maximale Effizienz • einfach und zuverlässig Es gibt andere einfache Möglichkeiten, den Wasserstand mit Hilfe von Schotten, Standrohren oder Schleifensiphonen zu regulieren (Castelo 2018). 12.7.3.2 Probleme mit der Wasserbewegung Wenn das Wasser nicht zirkuliert oder die Durchflussmenge reduziert wird, kann dies verschiedene Gründe haben, zum Beispiel: • die Pumpe funktioniert nicht • die Propeller der Pumpe sind durch Sand/Wachstumsmedien abgerieben/beschädigt • es ist nicht genug Wasser im System vorhanden • Luftblasen störten den Wasserfluss • die Rohre sind verstopft (zB es gibt tote Fische in den Rohren) 12.7.3.3 Wasserverluste und Wasserreserven Ein Teil des Wassers wird unweigerlich aufgrund von Evapotranspiration aus dem System verloren gehen. Die Hauptprobleme sind Wasserverluste durch Lecks (die durch Verstopfung verursacht werden) oder Pumpenausfälle. Man muss sich bewusst sein, dass jedes einzelne Loch, jede Dichtung, jede Rohrverbindung und jede mechanische Beschädigung eine potenzielle Gefahr darstellt, die ein Leck verursachen kann. Wenn die Rohrleitungen jedoch korrekt konstruiert und richtig abgedichtet bzw. verklebt sind, sollte dies kein Problem darstellen. Es ist unbedingt erforderlich, den Wasserfluss beim Starten des Systems zu testen, um sicherzustellen, dass keine Lecks vorhanden sind. 291 Bedenken Sie auch, was passiert, wenn die Pumpe nicht mehr funktioniert oder ein Stromausfall eintritt. Wohin wird das Wasser fliessen? Die richtige Systemauslegung umfasst ein Puffervolumen auf der untersten Ebene des Systems (normalerweise der Pumpensumpf), um das gesamte Wasser zu speichern, das von den höher gelegenen Punkten im System überläuft. Bei richtiger Auslegung verlieren die Fischbecken zwischen 5-10 cm Wassertiefe, die durch das Reservevolumen des Pumpensumpfes und des Biofilters gespeichert werden können. Dies ist der Grund, warum der Biofilter und der Pumpensumpf in einem richtig konzipierten System normalerweise ziemlich leer aussehen. Man muss entsprechende Alarme und, noch besser, Methoden zum automatischen Einschalten von Reservepumpen, die an einen elektrischen Generator angeschlossen sind, installieren. Verlorenes Wasser muss jeden Tag nachgefüllt werden (1.5% im Normalbetrieb, Ausfälle nicht eingerechnet). Daher ist ein Sumpfbehälter mit ausreichendem Volumen oder eine sehr zuverlässige Verbindung zu einer anderen Wasserquelle erforderlich. 12.8 Betrieb einer Aquaponik 12.8.1 Grundlegende Systemwartungs- und Betriebsverfahren Um sicherzustellen, dass das Aquaponik-System gut läuft, sollte man klare Bedienungs-, Wartungs- und Fehlerbehebungsanleitungen (Handbücher) sowie Checklisten mit täglichen, wöchentlichen und monatlichen Aktivitäten erstellen, über die Aufzeichnungen geführt werden sollten. Auf diese Weise werden die verschiedenen Mitarbeiter immer wissen, was sie zu tun haben. Alle Beobachtungen und durchgeführten Aufgaben müssen (mit bestimmten Daten) in ein spezielles Aufzeichnungsbuch eingetragen werden, das an einem sichtbaren Ort gespeichert werden muss. Besonders wichtig ist es, die chemischen und physikalischen Parameter des Wassers sowie Veränderungen im Aussehen und Verhalten der Fische zu erfassen (Bewertungsbogen). Tabelle 9 listet die grundlegenden Systemwartungs- und Betriebsverfahren auf. Tabelle 9: Grundlegende Systemwartung und Betriebsverfahren Aufgaben im Zusammenhang mit ... : Täglich ... Fisch-fütterung Füttern Sie die Fische zweimal täglich. Prüfen Sie nach der Fütterung, wie viel Futter gefressen wurde. Wenn nicht gefressenes Futter Wöchentlich 292 Monatlich Extra Wiegen Sie die Fische alle 1-2 Monate und passen Sie die Futtermenge an die für die Grösse der Fische geeignete Futtermenge an. Im Falle einer Systemstörung die Speisung sofort beenden. vorhanden ist, reduzieren Sie die Menge bei der nächsten Fütterung. ... Verhalten der Fische Prüfen Sie, ob alle Fische leben. Benutzen Sie einen Bewertungsbog en, um ihr Verhalten während der Experimente zu bewerten ... Sicherung der Wasserqualität für die Fische Prüfen Sie die Farbe und den Geruch des Wassers. Es sollte kein Schlamm im Aquarium sein. Analysieren Sie das Wasser (T, pH, O2, NH4+, NO2-, NO3- ). Wenn die Werte die Schwellenwerte überschreiten, ergreifen Sie geeignete Massnahmen: • Wenn NH4+ oder NO2 zu hoch sind, darf kein Frischwasser zugegeben werden. Fütterung stoppen/reduzieren und Salz hinzufügen • Wenn O2 zu niedrig oder NH3 oder T zu hoch ist, die Belüftung erhöhen und die Temperatur mit Hilfe eines Plattenwärmetausch ers reduzieren (kein direkter Wasseraustausch). Wenn Sie etwas Ungewöhnliches bemerken, analysieren Sie sofort das Wasser. Ergreifen Sie Massnahmen, aber bedenken Sie, dass Fische keine schnellen Veränderungen mögen. Reinigen Sie das Aquarium gelegentlich und vermeiden Sie die Verwendung chemischer Reinigungsmittel. ... wachsende Pflanzen Beobachten Sie die Pflanzen auf Anzeichen von Schädlingen und Krankheiten. Entfernen Sie Blätter mit Anzeichen von Krankheit oder Schädlingsbefall. Beobachten Sie die Pflanzen auf Anzeichen von Nährstoffmangel. Überprüfen Sie den Wasserstand. Analysieren Sie das Wasser. Wenn die Werte vom Optimum abweichen, ergreifen Sie Massnahmen Entwerfen Sie einen jährlichen Pflanzplan. Halten Sie die Kontaktinformation en Ihres Tierarztes jederzeit zugänglich. 293 Entfernen Sie abgestorbene Blätter. Wenn Sie Schädlinge oder Krankheiten feststellen, ergreifen Sie Massnahmen (siehe Kapitel 8). ... andere ... Biofilter Überprüfen Sie die Belüftung (sichtbare Luftblasen). Den Biofilter abdecken, um ihn vor Licht zu schützen (Verhinderung von Algenwachstum) . ... Wasserdurchfluss/ Rezirkulationssyst em Beobachten Sie den Wasserfluss (das Wasser muss ständig zirkulieren). Überprüfen Sie das Pumpenintervall ; kürzeres Intervall = besserer Wasserfluss. (Frischwasser hinzufügen, Belüftung erhöhen, Nährstoffe anpassen). Entfernen Sie den Schlamm aus dem Schlammfang. Es sollte sich kein Schlamm in den Rohren befinden. Beschattung im Sommer vorsehen. Überprüfen Sie die Schlammmenge auf den Biofiltermedien Nach dem Neustart des Biofilters tägliche Wasseranalysen (NH4+, NO2-, NO3) durchführen, bis sich die Nitratwerte stabilisieren. Siehe (1) die Funktion der Pumpe und des Belüftungssyste ms (2) den Zustand der Rohre und Ventile (3) die Funktionsweise der UV-Lampe. Überprüfen Sie, ob die Pumpe mit den Ventilen synchronisiert ist, durch die das Wasser in die Fischbecken eintritt. 294 12.8.2 Systemausfälle und Notfallsysteme Die Verwendung von reinem Sauerstoff als Backup ist die Sicherheitsvorkehrung Nummer eins. Die Installation ist einfach und besteht aus einem Vorratstank für reinen Sauerstoff und einem Verteilungssystem mit Diffusoren, die in jedem Tank angebracht sind. Wenn die Stromversorgung ausfällt, zieht sich ein Magnetventil zurück, und es fliesst unter Druck stehender Sauerstoff in jedes Becken, wodurch die Fische am Leben gehalten werden. Der an die Diffusoren gesendete Durchfluss sollte vorher eingestellt werden, damit in einer Notfallsituation der Sauerstoff im Speicher lange genug hält, um den Fehler rechtzeitig zu beheben. Zur Sicherung der elektrischen Versorgung ist ein kraftstoffbetriebener Stromgenerator erforderlich. Es ist sehr wichtig, die Hauptpumpen so schnell wie möglich in Betrieb zu nehmen, da sich das von den Fischen ausgeschiedene Ammoniak bis zu toxischen Werten anreichert, wenn das Wasser nicht über den Biofilter zirkuliert. Deshalb ist es wichtig, den Wasserfluss innerhalb von etwa einer Stunde zum Laufen zu bringen. Bei einem Stromausfall sollten Sie sich immer an dieses Protokoll halten: • Prüfen Sie die Stromleitungen • Prüfen Sie die elektrische Sicherung • Kein frisches Wasser hinzufügen. Dies wird Ihre Fische töten, indem der pH-Wert erhöht und NH4 in NH3 umgewandelt wird. • Füttern Sie die Fische nicht unter Stressbedingungen Wenn entweder die Pumpe und/oder das Belüftungssystem ausfällt, ist dieses Protokoll zu befolgen: • Im Falle eines Pumpenausfalls ersetzen Sie die Pumpe durch eine Ersatzpumpe • Bei einem Ausfall des Belüfters ist der Belüfter zu ersetzen. • Füttern Sie die Fische nicht unter Stressbedingungen • Den Wasserdurchfluss nicht erhöhen Protokoll im Falle von Lecks: • Den Wasserfluss stoppen • Prüfen Sie die Rohre und Ventile • Das undichte Teil austauschen • Ersetzen Sie das verlorene Wasser • Füttern Sie die Fische nicht unter Stressbedingungen 12.9 Referenzen Bregnballe, J. 2015. A Guide to Recirculation Aquaculture: An introduction to the new environmentally friendly and highly productive closed fish farming systems. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) and EUROFISH International Organisation. Castelo, J. 2018. Why You Should Use a Bell Siphon for Aquaponics. World Water Reserve, October 3, 2018. Goddek, S., Schmautz, Z., Scott, B., Delaide, B., Keesman, K.J., Wuertz, S. & Junge, R. 2016. The effect of anaerobic and aerobic fish sludge supernatant on hydroponic lettuce. Agronomy 6 (2), 37. Mann, T. 2017. Aeration, air pumps, blowers, and airstones. Friendly Aquaponics, March 28, 2017. Timmons, M.B. & Ebeling, J.M. 2007. Recirculating Systems. Northeastern Regional Aquaculture Center, Ithaca, NY. 295 13. URBANE AGRIKULTUR 13.1 Einführung in die urbane Agrikultur Die urbane Agrikultur oder städtische Landwirtschaft nimmt viele Formen an. Diese können von Haus, Schul- und Gemeinschaftsgärten bis hin zu Dach- und Indoorfarmen reichen. Häufig wird zwischen urbaner (die die Nahrungsmittelproduktion in einem städtischen Gebiet umfasst) und der peri-urbaner Landwirtschaft unterschieden, die am Rande der Städte stattfindet. Im letzteren Fall wird die Landwirtschaft weitgehend von professionellen Landwirten auf Flächen betrieben, die oft schon seit Jahrzehnten landwirtschaftlich genutzt werden. Eine Stadtfarm ist ein Teil eines lokalen Lebensmittelsystems, in dem Lebensmittel innerhalb eines urbanen Gebietes angebaut, produziert und an Verbraucher vermarktet werden. Neben dem Anbau von Obst und Gemüse kann die urbane Agrikultur auch Tierzucht (wie Bienenzucht, Aquakultur) und Non-Food-Produkte (wie die Produktion von Saatgut, die Kultivierung von Setzlingen und die Blumenzucht) umfassen. Sie ist charakterisiert durch die geographische Nähe eines Produzenten zum Verbraucher und durch nachhaltige Produktions- und Vertriebspraktiken. Urbane Farmen können eine Vielzahl von Formen annehmen, einschliesslich gemeinnütziger Gärten und gewinnorientierter Unternehmen. Sie können Arbeitsplätze, Berufsausbildung und Gesundheitserziehung anbieten sowie durch die Bereitstellung von lokal angebauten, frischen Produkten zu einer besseren Ernährung und Gesundheit der Gemeinde beitragen (McEldowney 2017). Dieses Kapitel konzentriert sich auf die kommerzielle Lebensmittelproduktion in städtischen Gebieten und insbesondere auf die Dach-Gewächshäuser und andere Arten von Innenhöfen. Da die Städte sowohl in der Bevölkerung als auch in der Fläche weiter wachsen, breitet sich ihr infrastruktureller Bedarf für den Transport und die Verteilung von Nahrungsmitteln ständig aus, wodurch die Nahrungsmittelproduktion immer weiter vom städtischen Verbraucher weggedrängt wird und globalisierte Ernährungssysteme entstehen, die zu 19-29% der weltweiten Treibhausgasemissionen beitragen (Vermeulen et al. 2012). Gegenwärtig folgt der Fluss der Lebensmittel in die Städte einem linearen Modell, was zu einem hohen Verbrauch von Energie und zur Erzeugung von Abfall und CO2-Emissionen führt. Bis 2050 werden voraussichtlich mehr als zwei Drittel der Weltbevölkerung in Städten leben. Viele Experten sind hinsichtlich der Fähigkeit der Biosphäre, genügend Nahrung für die gesamte menschliche Bevölkerung zu produzieren, skeptisch. Deswegen hat sich bei den Entscheidungsträgern die lokale Produktion als Beitrag zu nachhaltigen städtischen Ernährungssystemen in den Fokus bewegt. Der urbane Gartenbau hat historisch immer zur Versorgung der Stadtbewohner mit Frischprodukten beigetragen, aber in letzter Zeit gewinnt er im globalen Norden an Popularität, da das Bewusstsein für Umwelt- und Gesundheitsbelange wächst. In den letzten Jahren sind in den grossen Städten des Nordens kommerzielle Farmen entstanden, die einen Trend zu umweltfreundlichen lokalen Lebensmitteln fördern, die in hocheffizienten Anlagen auf oder in Gebäuden angebaut werden. Die städtische Landwirtschaft bietet auch Möglichkeiten für einen geschlossenen Kreislauf von Ressourcen im urbanen Metabolismus, im krassen Gegensatz zum traditionellen unidirektionalen Fluss. Abbildung 1 zeigt die Rolle der städtischen Landwirtschaft in einem idealen Ressourcenkreislaufsystem: Die roten Pfeile zeigen den unidirektionalen Fluss des klassischen urbanen Metabolismus an, während die grünen Pfeile den geschlossenen Kreislauf im urbanen Metabolismus mit der urbanen Agrarproduktion anzeigen, wobei Abfälle in Biogas, Gärreste 296 und technogene (künstliche) Böden umgewandelt werden können, die dann für die weitere landwirtschaftliche Produktion genutzt werden können, und zwar alles innerhalb der Stadt selbst. Diese Ideen werden später in diesem Kapitel näher untersucht. Abbildung 1: Die Rolle der städtischen Landwirtschaft in einem idealen urbanen Ressourcenkreislaufsystem (nach Nehls et al. 2016). Rote Pfeile: lineare Stadt-Stoffwechsel. Grüne Pfeile: die Elemente des Kreislaufstoffwechsels. Abbildung 2: Typologien kommerzieller Indoor-Betriebe 297 13.2 Typologie kommerzieller urbaner Indoor-Betriebe In der gebäudeintegrierten Landwirtschaft (eng: Building Integrated Agriculture, BIA) werden überwiegend bodenunabhängige Anbautechniken wie Hydrokultur, Aquaponik oder Aeroponik eingesetzt. Zu den Vorteilen der BIA gehören die ganzjährige Produktion, höhere Erträge, eine bessere Kontrolle der Lebensmittelsicherheit und der Biosicherheit und ein wesentlich geringerer Einsatz von Wasser, Pestiziden, Herbiziden und Düngemitteln sowie eine verbesserte Energieeffizienz der Gebäude durch die Schaffung von Synergien zwischen den Farm und seinem Gastgebergebäude. BIASysteme können entweder an der Gebäudehülle - auf dem Dach oder an der Fassade, um die Verfügbarkeit von natürlichem Licht zu nutzen - oder in Innenräumen mit künstlichem Licht oder in einem freistehenden Gebäude (Abbildung 2) angewendet werden, wobei alle Anbauparameter kontrolliert werden. Dies ist bekannt als Controlled-Environment Agriculture oder CEA, die gartenbauliche und ingenieurtechnische Systeme kombiniert, um die Pflanzenproduktion, die Pflanzenqualität und die Produktionseffizienz zu optimieren. 13.2.1 Dach-Gewächshäuser Unter den verschiedenen Formen der BIA ist der Gewächshausbau auf Dächern eine der beliebtesten, da Dächer ein beträchtliches ungenutztes Stadtgebiet darstellen und leichte hydroponische Gewächshäuser keine wesentliche strukturelle Verstärkung des Gastgebergebäudes erfordern (Benis & Ferrão 2018). Das Dach ist eine ideale Landschaft für den Pflanzenanbau in dichten Städten, da es in der Regel stärker der Sonnenenergie ausgesetzt ist als der Boden darunter. Während die Erträge aus hydroponischen Gewächshäusern höher sind als die von bodengebundenen Freiland-Dachbetrieben, ist die Palette der anbaubaren Gemüse kleiner und beschränkt sich tendenziell auf Blattgemüse, Mikrogrün, Kräuter, Tomaten, Gurken, Auberginen, Paprika und Erdbeeren (Bühler & Junge 2016). Hydroponische Gewächshäuser sind oft mit Klimaanlagen wie Ventilatoren, Heizungen, Verdunstungskühlung, Wärmeschirmen und bedienbaren Fenstern ausgestattet, um die Raumluft zu konditionieren und unabhängig von den Aussenbedingungen die optimale Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Kohlendioxidwerte zu erreichen. Sie werden mit Erdgas oder Elektrizität beheizt, mit möglicher Unterstützung durch photovoltaische (PV) Paneele. Modernste Anlagen fangen die Abwärme des HVAC-Systems des Gebäudes ein und können mit Solarglas konstruiert werden, das bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichts zur Stromerzeugung sammelt, während andere Wellenlängen in das Gewächshaus übertragen und gestreut werden (Abbildung 3). Mehrere nordamerikanische Unternehmen haben bereits gezeigt, dass das ganze Jahr über bedeutende Mengen an Nahrungsmitteln für die Stadtbewohner auf ungenutzten Dächern in dichten städtischen Gebieten produziert werden können, wo verfügbares und erschwingliches Land ein seltenes Gut ist. Lufa Farms hat 2011 das weltweit erste kommerzielle Dachgewächshaus auf einem Industriegebäude in Montreal, Kanada, gebaut. Das 2’880 m2 grosse Gewächshaus wird für den Anbau einer Vielzahl von verschiedenen Gemüsesorten genutzt. Seither wurden zwei weitere gebaut, eine für die Maximierung der Tomatenproduktion (3’995 m2) und eine für den Anbau von Blattgemüse (5’853 m2). Jedes ihrer Gewächshäuser, in denen NFT-Hydroponik-Systeme untergebracht sind, wurde nicht nur grösser, sondern auch leichter, billiger und effizienter gestaltet. In den USA betreiben die Gotham 298 Greens 16’000 m2 Dachgewächshäuser in 4 Einrichtungen in New York City und Chicago, die ebenfalls mit NFT-Hydrokulturen ausgestattet sind. Ihr 2011 in New York City gebautes Vorzeigegewächshaus war das erste kommerziell genutzte Gewächshaus, das jemals in den Vereinigten Staaten gebaut wurde. Die 1’394 m2 grosse Anlage produziert mehr als 45’000 kg grünes Blattgemüse pro Jahr. Die elektrischen Anforderungen der Anlage, die mit Blick auf Nachhaltigkeit entworfen und gebaut wurde, werden durch 60 kW vor Ort installierte Solar-PV-Paneele ausgeglichen, und hocheffiziente Konstruktionsmerkmale wie LED-Beleuchtung, fortschrittliche Verglasung, passive Belüftung und thermische Vorhänge tragen dazu bei, den Strom- und Wärmebedarf zu reduzieren. Die Integration des Daches reduziert den Energieverbrauch weiter und dient gleichzeitig der Dämmung des darunter liegenden Gebäudes. Das zweite Gewächshaus des Gotham-Greens, das 2013 gebaut wurde, ist das erste Gewächshaus im kommerziellen Massstab, das auf einem Supermarkt errichtet wurde. Auf einer Fläche von über 1’858 m2 werden jährlich mehr als 90’000 kg Salatgemüse, Kräuter und Tomaten produziert. Ihr drittes und grösstes Gewächshaus in New York City erstreckt sich über eine Fläche von 5’574 m2 und produziert jährlich mehr als 5 Millionen Stück Blattgemüse. Das Gewächshaus in Chicago stellt mit über 6’968 m2 die grösste und produktivste Dachfarm der Welt dar, in der bis zu 10 Millionen Stück Blattgemüse und Kräuter wachsen. Abbildung 3: Der potenzielle Austausch von Wasser-, Energie- und Gasströmen zwischen dem Dachgewächshaus und dem Gastgebergebäude (nach Céron-Palma et al. 2012) 299 New York City beherbergt drei weitere hydroponische Dachgewächshäuser. Sky Vegetables baut Kräuter und Grünpflanzen an, während The Vinegar Factory Tomaten, Erdbeeren, Kräuter und Grünpflanzen anbaut. Auf dem Arbor House, einem Block mit erschwinglichen Wohnungen in New York City, wurde kürzlich ein Gewächshaus auf dem Dach errichtet. Die 929 m2 grosse Hydroponik-Farm befindet sich in einer Nachbarschaft mit einer relativ hohen Anzahl von Menschen mit niedrigem Einkommen und einer hohen Rate an Fettleibigkeit, Diabetes und Herzkrankheiten. Die Bewohner können die Produkte über ein wöchentliches Gemüsekisten-Abonnement erwerben, das von der Gemeinschaft unterstützt wird. Etwa 40% der Produkte werden der lokalen Gemeinschaft durch die Unterstützung von Schulen, Krankenhäusern und Märkten in der Nähe zur Verfügung gestellt. Edenworks ist eine aquaponische Dachgewächshausfarm, ebenfalls in New York City, die Mikrogrün anbaut. In Europa beherbergte das Schweizer Start-up-Unternehmen UrbanFarmers seine kommerzielle PilotAquaponic-Farm, das LokDepot UF001, in einem Dachgewächshaus in Basel. Die 260 m2 Anbaufläche hatte eine jährliche Produktionskapazität von 5’000 kg Gemüse (vorwiegend Tomaten und Salat), während die Aquakulturanlage eine Kapazität von 800 kg Fisch hatte. Das Berliner Start-upUnternehmen ECF Farmsystems hat zwei Dachgewächshäuser mit Aquaponik gebaut. Eco Jäger, das 2016 in Bad Ragaz, Schweiz, eröffnet wurde, baut Salat, Kräuter und Forellen für Restaurants, Hotels und Cateringunternehmen an. BIGH wurde 2018 in Brüssel eröffnet und produziert Salat, Kräuter und gestreiften Wolfsbarsch für Restaurants, den Lebensmitteleinzelhandel und den Direktverkauf. Das erste städtische Dachgewächshaus in Frankreich sollte 2020 eröffnet werden. Toit Tout Vert befindet sich in einem Wohngebiet von Paris, und die Produkte der 1’400 m2 grossen Anbaufläche werden in lokalen Geschäften verkauft. 13.2.2 Freistehende Gewächshäuser Leerstehende städtische Grundstücke bieten auch Möglichkeiten für freistehende Gewächshäuser. Metropolitan Farms befindet sich auf einem ehemaligen Parkplatz in Chicago. Das AquaponikGewächshaus produziert Salat, Basilikum und Tilapia, die über Bauernmärkte, lokale Lebensmittelgenossenschaften und Spezialgeschäfte verkauft werden. In Europa betreibt ECF Farmsystems ein Aquaponik-Gewächshaus im Herzen von Berlin. Die 2015 eröffnete ECF Farm Berlin hat eine Fläche von 1’800 m2 und dient dem Anbau von Basilikum und Tilapia, die für den Lebensmitteleinzelhandel bestimmt sind. 13.2.3 Vertikale Betriebe und Pflanzenfabriken Das Konzept der "vertikalen Landwirtschaft" wurde 2010 von Dickson Despommier in seinem Buch The Vertical Farm eingeführt: Die Welt im 21. Jahrhundert ernähren. Vertikale Betriebe können sich in einem Gewächshaus oder innerhalb eines Gebäudes befinden und verschiedene Technologien zur Anzucht von Pflanzen auf einer vertikalen Ebene verwenden, um den Ertrag im Verhältnis zur Fläche der Produktionseinheit zu maximieren (siehe Kapitel 14 für Einzelheiten zu diesen vertikalen Anbausystemtechnologien). Theoretisch können vertikale Farmen auch an der Fassade eines Gebäudes in Form eines vertikal integrierten Gewächshauses (Vertical-Integrated Greenhouse, VIG) 300 platziert werden, das aus doppelwandigen Gebäudefassaden in Kombination mit hydroponischen Systemen besteht. Obwohl VIGs als Konzept entwickelt und patentiert wurden, wurde bisher noch keine gebaut. Vertikale Farmen könnten auch in Form von speziell gebauten Hochhäusern (manchmal als "Skyfarms" bezeichnet) errichtet werden. Auch solche utopischen Visionen müssen noch verwirklicht werden. Dass das noch nicht geschehen ist, ist zu einem grossen Teil darauf zurückzuführen, dass solche Projekte wirtschaftlich nicht durchführbar sind. Das in Stockholm ansässige Plantagon hat eine Reihe von Entwürfen für Skyfarms patentiert. Der Bau des World Food Building (Abbildung 4), eines 60 Meter hohen Büroturms, der gleichzeitig als vertikaler Bauernhof fungiert, begann 2012 in der schwedischen Stadt Linköping und hätte 2020 abgeschlossen werden sein. Das 40-Millionen-Dollar-Gebäude sollte den Ansatz des Unternehmens in der Stadtarchitektur demonstrieren, den es als "Agritechture" bezeichnet - ein Portmanteau-Wort, das die Begriffe Landwirtschaft, Technologie und Architektur verbindet. Die Nordseite des Gebäudes sollte 17 Stockwerke mit Büroräumen umfassen, während die Südseite von einer schrägen Glasfassade bedeckt wäre, um die maximale Sonneneinstrahlung in den landwirtschaftlich genutzten Teil des Gebäudes zu ermöglichen. Eine nahegelegene Müllverbrennungs- und Biogasanlage soll das Gebäude mit Wärme und Brennstoff für die Lebensmittelproduktion versorgen, während die Abfälle aus dem Gewächshaus zur Kompostierung in die Biogasanlage geschickt würden, wodurch eine kreisförmige Energiebewegung entsteht. Das Unternehmen ging jedoch 2019 in Konkurs, was die Frage aufwirft, ob der Bau jemals abgeschlossen wird. Skyfarms werden am ehesten in asiatischen Megastädten wie Singapur und Shanghai entstehen. Als kleine Insel von nur 750 km2 und einer Bevölkerung von über fünf Millionen Menschen steht Singapur vor potenziellen Problemen der Ernährungssicherheit. Da der Boden sehr teuer ist, werden nur etwa 10 hektaren der 72'000 hektaren der Inselfläche für die Landwirtschaft genutzt, und Singapur produziert nur 7% der von ihm konsumierten Nahrungsmittel. Der verbleibende Bedarf wird durch Nahrungsmittelimporte aus der ganzen Welt gedeckt. Die Transportkosten für Lebensmittel werden jedoch immer unerschwinglicher, und aus diesen Gründen hat Singapur die vertikale Landwirtschaft ernst in Angriff genommen. Die erste Farm der Stadt, Sky Greens, nahm 2012 die Produktion auf, und die Zahl der vertikalen Farmen stieg von 6 im Jahr 2016 auf 26 im Jahr 2018 (Wei 2018). Shanghai ist eine weitere ideale Stadt für vertikale Landwirtschaft. Bei fast 24 Millionen Einwohnern, die ernährt werden müssen, und bei einem Rückgang der Verfügbarkeit und Qualität von landwirtschaftlichem Land machen hohe Bodenpreise das Bauen nach oben wirtschaftlicher als das Bauen am Boden. Die Stadtplaner Sasaki Associates haben einen Masterplan für den städtischen Agrarbezirk Sunqiao entwickelt. Der etwa 230 Hektar grosse Bezirk liegt zwischen dem wichtigsten internationalen Flughafen und dem Stadtzentrum und umfasst 66’611 m2 Wohnfläche, 12’820 m2 Gewerbefläche, 69’956 m2 vertikale Bauernhöfe und 79’525 m2 öffentlichen Raum. Sasakis Vision geht zwar in erster Linie auf die wachsende landwirtschaftliche Nachfrage in der Region ein, doch sie geht noch weiter und nutzt die urbane Landwirtschaft als dynamisches, lebendiges Labor für Innovation, Interaktion und Bildung. Sie setzt eine Reihe von stadtverträglichen landwirtschaftlichen Techniken ein, wie Algenfarmen, schwimmende Gewächshäuser, vertikale Saatgutbibliotheken und vertikale Hydrokultur- und Aquaponik-Farmen, die zur Deckung des Bedarfs an Gemüse in der typischen Shanghaier Ernährung eingesetzt werden sollen (Abbildungen 5 und 6). 301 Abbildung 4: Rendering des Welternährungshauses in Linköping, Schweden www.plantagon.com Die Grössenordnung des Programms zeigt den gestiegenen Wert, der dem chinesischen Agrarsektor beigemessen wird. China ist der weltweit grösste Verbraucher und Exporteur von Agrarprodukten, wobei die Agroökonomie 22% der Beschäftigung des Landes und 13% des Bruttoinlandsprodukts ausmacht. Die chinesische Regierung ist daher bestrebt, die Agrarproduktion zu erhalten, zu modernisieren und zu präsentieren, da diese dazu beigetragen kann, die Armutsraten zu senken. Der Bau des Distrikts begann 2018 und soll 2038 abgeschlossen sein. 302 Abbildung 5: Rendering des städtischen Landwirtschaftsbezirks Sunqiao in Shanghai http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ Abbildung 6: Rendering des städtischen Landwirtschaftsbezirks Sunqiao in Shanghai http://www.sasaki.com/project/417/sunqiao-urban-agricultural-district/ Während Skyfarmen eine Zukunftsvision bleiben, sind kommerzielle Pflanzenfabriken sowohl in ländlichen als auch in städtischen Gebieten in Nordamerika, Europa, Ostasien und dem Nahen Osten bereits in Betrieb. Pflanzenfabriken sind geschlossene Pflanzenproduktionssysteme, in denen die Belüftung auf ein Minimum beschränkt ist und künstliches Licht als einzige Lichtquelle für das Pflanzenwachstum verwendet wird. Die Umgebung kann unabhängig von der Witterung so genau wie gewünscht kontrolliert werden. Zusätzlich zu der zirkulierenden Nährlösung in einem 303 Hydrokultursystem kann das von den Pflanzen transpirierte Wasser kondensiert, am Kühlpaneel der Klimaanlagen gesammelt und zur Bewässerung wiederverwendet werden. Typischerweise bestehen Pflanzenfabriken aus 6 Hauptkomponenten: eine wärmeisolierte und nahezu luftdichte, containerähnliche, undurchsichtige Struktur; zwischen 4 und 20 Etagen vertikal gestapelter hydroponischer Kulturbeete, die entweder mit Leuchtstoff- oder LED-Lampen ausgestattet sind; Klimaanlagen, die zur Kühlung und Entfeuchtung verwendet werden, um die von den Lampen erzeugte Wärme und den von den Pflanzen transpirierten Wasserdampf zu eliminieren, sowie Ventilatoren zur Luftzirkulation, um die Photosynthese und Transpiration zu verbessern und eine gleichmässige räumliche Luftverteilung zu erreichen; eine CO2-Versorgungseinheit, um die CO2-Konzentration während der Photoperiode auf etwa 1’000 mmol/L zu halten, um die Photosynthese zu verbessern; eine NährlösungsVersorgungseinheit mit Wasserpumpen; und eine Kontrolleinheit (einschliesslich elektrischer Leitfähigkeit (EC) und pH-Regler) für die Nährlösung. Während Leuchtstofflampen hauptsächlich aufgrund ihrer kompakten Grösse eingesetzt wurden, werden LEDs aufgrund ihrer niedrigen Lampenoberflächentemperatur, ihrer hohen Lichtausbeute und ihres breiten Lichtspektrums zunehmend verwendet. In den neuesten Fabriken werden fortschrittliche Robotertechnologien eingesetzt, darunter Fernerkundung, Bildverarbeitung, intelligente Roboterhände, Cloud Computing, Grossdatenanalyse und 3D-Modellierung (Kozai 2013). Die Pflanzen, die in Pflanzenfabriken angebaut werden, müssen kürzer als ca. 30 cm sein, da der Abstand zwischen den vertikalen Ebenen typischerweise ca. 40 cm beträgt, was die optimale Höhe für eine maximale Raumnutzung darstellt. Für die kommerzielle Produktion mit Pflanzenfabriken eignen sich Pflanzen, die bei relativ geringer Lichtintensität und bei hoher Pflanzdichte schnell wachsen (10 bis 30 Tage nach dem Umpflanzen erntbar) und bei denen die meisten Teile (85 % Frischgewicht) essbar und zu einem hohen Preis verkäuflich sind. In Japan und anderen asiatischen Ländern werden Pflanzenfabriken daher für die kommerzielle Produktion von Salatgemüse, Kräutern, Heilpflanzen und Setzlingen genutzt. Kleine Pflanzenfabriken mit einer Grundfläche von nur 15-100 m² werden in Japan häufig für die kommerzielle Produktion von Setzlingen genutzt, da die Setzlinge in kurzer Zeit mit hoher Pflanzdichte produziert werden können. Gepfropfte und nicht gepfropfte Setzlinge von Tomaten, Gurken, Auberginen, Setzlinge von Spinat und Salat für die hydroponische Kultur sowie Setzlinge und Stecklinge von hochwertigen Zierpflanzen werden in diesen kleinen Pflanzenfabriken kommerziell produziert (Kozai 2013; Kozai et al. 2016). In Nordamerika betreiben Plenty, Planted, Oasis Biotech, FreshBox Farms und We the Roots städtische Pflanzenfabriken in ehemaligen Lagerhäusern, während AeroFarms in einem ehemaligen Stahlwerk angesiedelt ist. Fresh Impact Farms befindet sich in einem Einkaufszentrum in der Vorstadt, und Farm.one befindet sich im Keller eines Restaurants. In Europa ist das PlantLab in 's-Hertogenbosch, Niederlande, eine 20’000 m2 grosse Pflanzenfabrik und F&E-Einrichtung in einem leerstehenden Fabrik- und Lagerraum. Der Betrieb verwendet eine fortschrittliche LED-Technologie, die die Lichtzusammensetzung und -intensität auf die genauen Bedürfnisse abstimmt, und setzt ein automatisiertes System ein, das mehr als 80 verschiedene Variablen, darunter Feuchtigkeit, CO2, Lichtintensität, Lichtfarbe, Luftgeschwindigkeit, Bewässerung, Nährwert und Lufttemperatur, überwacht und steuert, um den Ertrag und die Qualität der Pflanzen zu verbessern. GROWx in Amsterdam baut in einem Lagerhaus Microgreens, Kräuter und Salat an, die auf Bestellung für EliteRestaurants geerntet werden. In London betrieb GrowUp Urban Farms eine kommerzielle AquaponikFarm in einem Lagerhaus, und Growing Underground züchtet Microgreens in einem Luftschutzkeller aus dem Zweiten Weltkrieg 33 Meter unter dem Strassenniveau. La Caverne ist eine unterirdische Farm in einem Parkhaus unter Paris in der Pilze, Endivien und Microgreens angebaut werden. 304 Vertikale Farmen können auch in Gewächshäusern betrieben werden, um das natürliche Licht zu nutzen; die Umgebung wird daher nur halb kontrolliert. Beispiele sind Vertical Harvest in den USA und Sky Greens in Singapur. Das 2019 eröffnete Tour Maraichère im Pariser Vorort Romainville ist ein speziell angefertigtes Gewächshaus, das aus zwei Einheiten besteht, von denen die höchste 24 Meter hoch ist (Abbildung 7). Auf 2’060 m2 Anbaufläche werden jährlich 12 Tonnen Obst, Gemüse, Pilze und essbare Blumen produziert, und das Gewächshaus wird genutzt, um eine kurze Lebensmittelproduktionskette zu präsentieren, die Anwohner mit frischen Lebensmitteln mit einem geringen ökologischen Fussabdruck zu versorgen, die Nutzung des Strassentransports zu reduzieren und Arbeitsplätze zu schaffen. Abbildung 7: Darstellung der Tour Maraichèchere, Paris http://ilimelgo.com/fr/projets/tour-maraichere.html 13.2.4 Container-Farmen Ein weiterer sich abzeichnender Trend im Bereich der urbanen Agrikultur sind Containerfarmen, die ebenfalls vertikale Landwirtschaftstechnologien einsetzen. Ausgestattet mit modernster Klimatechnik und hydroponischen Anbautürmen oder gestapelten NFT-Kanälen ermöglichen Containerfarmen eine ganzjährige Produktion und können auf freien Flächen oder auf Dächern installiert werden. Zu den Vorteilen von Schiffscontainern gehören ihre Kompaktheit und Modularität, ihre grosse Verfügbarkeit und, ihre geringen Kosten. Da sie modular aufgebaut sind, können sie leicht gestapelt werden, so dass es theoretisch möglich ist, einen Betrieb mit sehr hoher Dichte und hohem Ertrag zu schaffen, obwohl diese Möglichkeit noch nicht genutzt wird. Das CropBox-System ist ein wiederverwendbarer Transportbehälter mit einer Grundfläche von 30 m2 und einer Reihe von horizontalen NFT-Kanälen; er kann 5’445 kg Salat, 3’175 kg Erdbeeren oder 84 Tonnen Microgreens pro Jahr anbauen. Das System 305 der Tiger Corner Farms verwendet ebenfalls einen umgedrehten Transportcontainer, unterscheidet sich aber dadurch, dass es mit vertikaler Aeroponik-Technologie zwischen 3’800 und 7’600 Pflanzen pro Wachstumszyklus anbaut. Die Frachtfarmen (freight farms) verwendeten ursprünglich wiederverwendbare Container (Leafy Green Machine), verkaufen aber jetzt speziell angefertigte Container (Greenery) mit verbesserter Isolierung und einem effizienteren Klimaregelungssystem. Beide Systeme verwenden vertikale Wachstumstürme und können bis zu 4’500 reife Pflanzen aufnehmen. Die Leafy Green Machine wurde von einer Reihe städtischer Farmen in Nordamerika für den Anbau von Blattgemüse und Kräutern übernommen, darunter Square Roots, Corner Stalk Farm, Acre in a Box, Very Local Greens, Bright Greens und Enlightened Crops. Ein drittes US-amerikanisches Unternehmen, GreenTech Agro, verkauft den Growtainer, einen speziell angefertigten Container, der in vier Grössen - 6, 12, 13,7 und 16 Meter - erhältlich ist und einen firmeneigenen, leichten Aluminiumstapel von Wachstumsbeeten verwendet. Ein solches System wurde auf dem Central Market in Dallas installiert, wo es für den Anbau von Salatgemüse und Kräutern verwendet wird, die dann im Supermarkt verkauft werden. Die Container werden in den USA und in Rotterdam hergestellt. In Europa verwendet Agricool Schiffscontainer für den Erdbeeranbau in Paris. IKEA, das weltgrösste Möbelhaus, hat damit begonnen, Salat in Containern vor seinen Einrichtungshäusern in Schweden anzubauen, der dann in den Restaurants in den Geschäften serviert wird (Thomasson 2019), und der schwedische Supermarkt ICA Maxi hat damit begonnen, Blattgemüse und Kräuter in Containern vor seinem Geschäft in Halmstad (Jachec 2019) zu verkaufen. Das belgische Start-up-Unternehmen Urban Crop Solutions hat zwei Containerfarmsysteme entwickelt: FarmFlex und FarmPro. FarmFlex ist eine Containerfarm, die manuelle Arbeit erfordert, während FarmPro vollständig robotisiert ist und eher wie eine Pflanzenfabrik in einem Transportcontainer aussieht. UrbanFarmers in der Schweiz entwickelte ein urbanes Aquaponik-Farmsystem, das aus einem Container mit einem Gewächshaus obendrauf, der so genannten UF-Box, besteht. Dieses System wurde von dem britischen Start-up-Unternehmen GrowUp Urban Farms nachgeahmt: Die GrowUp Box kann jährlich 435 kg Grünzeug und 150 kg Fisch produzieren. Gembloux Agro-Bio Tech an der Universität Lüttich in Belgien hat ein ähnliches System, die PAFF-Box (Plant and Fish Farming Box) (Delaide et al. 2017), getestet. In Kanada produziert Ripple Farms Tilapia, Grünflächen und Mikrogrün mit Hilfe eines Schiffscontainers und eines Gewächshaussystems auf dem Dach in Toronto. 13.3 Die Nachhaltigkeit kommerzieller urbaner Indoor-Farmen Die Versorgung der urbanen Bevölkerung mit lokal angebauten Lebensmitteln wird weithin als ressourceneffizientere Alternative zur konventionellen Wertschöpfungskette angesehen, bei der Lebensmittel aus dem städtischen Umfeld oder aus abgelegenen ländlichen Gebieten verwendet werden. Der erdlose Anbau in Innenräumen in städtischen Gebieten wird als besonders nachhaltige Lösung dargestellt, indem die Zahl der Lebensmittelkilometer reduziert, der Land- und Wasserverbrauch minimiert und die Erträge verbessert werden. Um optimale Wachstumsbedingungen für die Kulturen zu gewährleisten, sind jedoch alle Betriebe mit kontrollierter Umgebung auf die künstliche Kontrolle von Licht, Temperatur, Feuchtigkeit und Wasserzyklen angewiesen und können daher je nach den lokalen klimatischen Bedingungen und den spezifischen Merkmalen des Gastgebergebäudes sehr energieintensiv sein. Die Kohlenstoffemissionen städtischer landwirtschaftlicher Betriebe sollten daher sorgfältig gegen potenziell reduzierte Emissionen, wie z.B. die durch den Transport von Lebensmitteln von ländlichen und stadtnahen Betrieben, abgewogen 306 werden. Die erhöhten wirtschaftlichen Kosten urbaner Agrikultur-Betriebe, sowohl in Bezug auf die Infrastruktur als auch auf die Betriebskosten, müssen ebenfalls sorgfältig geprüft werden, bevor ein solches Vorhaben in Angriff genommen wird. 13.3.1 Ökologische Nachhaltigkeit Da die urbane Agrikultur näher am Verbraucher liegt, wird oft behauptet, dass diese durch die Verkürzung der Transportwege ("Food Miles") einen geringeren Kohlenstoff-Fussabdruck hat als die ländliche Lebensmittelproduktion. Abhängig von den lokalen Klimabedingungen und der urbaner Betriebstypologie kann die Pflanzenproduktion in kontrollierten Umgebungen jedoch auch sehr energieintensiv sein, was die Umweltauswirkungen erheblich erhöhen kann. Der Netto-KohlenstoffFussabdruck hängt von den Emissionen ab, die durch den Energieverbrauch für den Betrieb des landwirtschaftlichen Betriebs im Vergleich zu den vermiedenen Emissionen im Zusammenhang mit der bestehenden Lieferkette verursacht werden, einschliesslich der Betriebsenergie der Betriebe, die die Produkte liefern, und der Energie, die für den Transport der Produkte verwendet wird. Dies lässt sich an zwei Beispielen aus sehr unterschiedlichen Klimazonen in Europa veranschaulichen. Als das globale Erwärmungspotenzial (GWP) in Bezug auf Wasser, Transport und Betriebsenergie von drei hochtechnologischen urbaner Landwirtschaftsszenarien in Portugal - ein PolycarbonatDachgewächshaus, ein vertikaler Bauernhof mit Fenstern und Oberlichtern im oberen Stockwerk eines Gebäudes und ein völlig undurchsichtiger vertikaler Bauernhof ohne Eindringen von natürlichem Licht im Erdgeschoss eines Gebäudes - mit dem GWP der aktuellen Lieferkette für Tomaten verglichen wurde, und mit einem hypothetischen, technisch einfachen, unkonditionierten städtischen Bauernhof auf dem Dach hatten der vertikale Bauernhof im obersten Stockwerk und das Gewächshaus auf dem Dach die beste Gesamtumweltperformance und reduzierten die Treibhausgasemissionen um die Hälfte bzw. um ein Drittel im Vergleich zur bestehenden Lieferkette für Tomaten (Benis et al. 2017). Diese Ergebnisse bestätigen die Ergebnisse einer Ökobilanz eines Dachgewächshauses in Barcelona (Sanyé-Mengual et al. 2013; Sanyé-Mengual et al. 2015a). Im Gegensatz dazu fanden Theurl et al. 2013 heraus, dass die Produktion von Tomaten in beheizten Gewächshäusern in Österreich doppelt so viele Treibhausgasemissionen verursachte wie die Lieferkette von aus Spanien und Italien importierten Tomaten. Daher ist es wichtig, sich vor Augen zu halten, dass die urbane Landwirtschaft zwar als nachhaltig für die Verkürzung der Transportwege gilt, dass aber solche energieintensiven Anlagen nicht für jeden Standort geeignet sein können, da erstere nicht konsequent gegen letztere aufgerechnet werden. Die Umweltleistung der gebäudeintegrierten Landwirtschaft kann jedoch potenziell durch die Kopplung der Ströme der landwirtschaftlichen Praktiken - Wärme, Wasser, CO2 mit den Strömen des Gastgebergebäudes und durch die Optimierung der Effizienz des Systems durch die Umsetzung passiver Konditionierungsmethoden wie Wärmedämmung, natürliche Belüftung, Verdunstungskühlung und den Einsatz hoch energieeffizienter Technologien wie LED-Beleuchtung verbessert werden. 13.3.2 Wirtschaftliche Nachhaltigkeit Die wirtschaftliche Machbarkeit kommerzieller landwirtschaftlicher Betriebe in städtischen Kontexten muss unter Berücksichtigung der höheren Investitionsausgaben - im Vergleich zu konventionellen ländlichen Betrieben - bewertet werden, die untrennbar mit ihrer städtischen Lage verbunden sind. In 307 einem Kontext der raschen Urbanisierung ist der urbaner Raum knapp und sehr begehrt, und das primäre Bedürfnis, das befriedigt werden soll, ist der Wohnraum und nicht die Nahrungsmittelproduktion, die stattdessen immer weiter von den städtischen Zentren weggedrängt wird. Während dachintegrierte Landwirtschaftssysteme mit anderen dachintegrierten Technologien wie der Solar-Photovoltaik oder der Solarthermie konkurrieren müssen, konkurrieren Innenanlagen mit anderen städtischen Nutzungen, die in der Regel wirtschaftlich attraktiver sind als die Landwirtschaft, wie z.B. Wohn- oder Gewerbefunktionen. Ein derart hoher Wettbewerb um städtische Grundstücke und Gebäude macht Immobilien immer teurer (Benis & Ferrão 2018). Weltweit sind die Grundstückspreise in den Städten im Allgemeinen hoch. Abgesehen von den hohen Mieten ist die kommerzielle High-Tech-Landwirtschaft in den Städten eine kapitalintensive Industrie, da sie die Anpassung des Gastgebergebäudes für den Anbau gemäss den örtlichen Gemeindevorschriften und Bauvorschriften erfordert. Diese städtische Einschränkung wurde als eines der Haupthindernisse für die gross angelegte Umsetzung von BIA (Cerón-Palma et al. 2012) identifiziert. Die Kosteneffizienz einer urbanen Farm wird von ihrer Typologie abhängen. Pflanzenfabriken benötigen nur 10% der Landfläche im Vergleich zu Gewächshäusern, um die gleiche Produktivität/m² zu erreichen, und können problemlos in jedem stillgelegten Gebäude gebaut werden. Während die Kapitalkosten hoch sind 7 - etwa 15% höher als die eines Gewächshauses - liegt die jährliche Produktivität bei etwa 3’000 Salatköpfen/m²/Jahr, was dem 15-fachen eines Gewächshauses entspricht (etwa 200 Salatköpfe/m²/Jahr). So sind die anfänglichen Kosten pro Einheit Produktionskapazität einer Pflanzenfabrik mehr oder weniger die gleichen wie die eines Gewächshauses, obwohl diese Schätzung sehr grob ist und von vielen Faktoren abhängt (Kozai et al. 2016). Zusätzlich zu den hohen Investitionskosten führen kommerzielle High-Tech-Landwirtschaftssysteme aufgrund ihres hohen Energiebedarfs oft zu erheblichen Betriebskosten (Thomaier et al. 2015). Während landwirtschaftliche Betriebe auf dem Land in der Regel von subventionierten Wasser- und Energiekosten für die Landwirtschaft profitieren, müssen Betriebe in der Stadt auch die anfallenden Kosten für die Wasserversorgung und Energie bezahlen, die entsprechend der Zoneneinteilung anfallen. Befindet sich der Betrieb in einer Wohnzone, sind die Kosten höher als in einer Gewerbezone (Benis & Ferrão 2018). Die Produktionskosten (Arbeit, Elektrizität, Amortisation und andere) variieren weltweit. In Japan zum Beispiel betragen die Kosten für die Komponenten von Pflanzenfabriken durchschnittlich 25-30% für Arbeit, 25-30% für Elektrizität, 25-35% für Abschreibungen und 20% für andere Produktionskosten (Landmiete, Saatgut, Wasser, Lampenersatz, Büroartikel, Verpackungsmaterial, Lieferkosten usw.). Die Arbeitskosten sind deshalb so hoch, weil die meisten Fabriken in kleinem Massstab arbeiten und die Handhabung daher manuell durchgeführt werden muss. Es wird geschätzt, dass eine 15-stöckige Fabrik mit einer Fläche von 1 ha mehr als 300 Vollzeitbeschäftigte benötigt. Im Vergleich dazu sind die meisten Handhabungsvorgänge in einem Gewächshauskomplex mit einer Bodenfläche von 10 ha oder mehr automatisiert und benötigen daher nur wenige Mitarbeiter pro Hektar (Kozai et al. 2016). Tabelle 1 zeigt den Energieumwandlungsprozess in einem Kulturraum einer energieeffizienten Pflanzenfabrik. Die elektrische Energie, die als chemische Energie im verkaufsfähigen Teil der Anlagen fixiert ist, beträgt 1-2%. Die restliche elektrische Energie wird im Kulturraum in Wärmeenergie 7 ca. 4000 USD/m² im Jahr 2014 (Kozai et al. 2016) 308 umgewandelt, so dass die Heizkosten einer thermisch gut isolierten Pflanzenfabrik gleich Null sind. Beim Produktionskostenmanagement in Pflanzenfabriken ist der Gewichtsanteil des essbaren oder nutzbaren Teils der Pflanze am Gesamtgewicht der Pflanze ein wichtiger Index zur Verbesserung der Kostenleistung. Da für die Herstellung der Wurzeln elektrische Energie verbraucht wird, muss, wenn die Wurzeln nicht verkäuflich sind, die Wurzelmasse minimiert werden, ohne das Wachstum des oberirdischen Teils der Pflanze zu beeinträchtigen. Menge der von den Lampen verbrauchten Energie 100% Von Lampen abgestrahlte Lichtenergie 25-35% Von den Blättern absorbierte Lichtenergie 15-25% Chemische Energie in Pflanzen fixiert 1.5-2% Chemische Energie, die in verkaufsfähigen Teilen von Pflanzen enthalten ist 1-2% Tabelle 1: Die Energieumwandlung in einer Pflanzenfabrik (aus Kozai et al. 2016) Die Stromkosten können reduziert werden, indem (1) fortschrittliche LEDs verwendet werden, um den Konversionsfaktor von elektrischer Energie in Lichtenergie zu verbessern; (2) das Beleuchtungssystem mit gut entworfenen Reflektoren verbessert wird, um das Verhältnis der von den Lampen ausgestrahlten Lichtenergie zu der von den Pflanzenblättern absorbierten zu erhöhen; (3) die Lichtqualität verbessert wird, um das Wachstum und die Qualität der Pflanzen zu verbessern; (4) die Temperatur, die CO2-Konzentration, die Nährlösung, die Feuchtigkeit und andere Faktoren optimal kontrolliert werden; und (5) der verkaufbarer Anteil der Pflanzen durch die Verbesserung der Kulturmethode und der Auswahl der Sorten erhöht wird (Kozai et al. 2016). Die Stromkosten können auch durch den Einsatz von Solarzellen gesenkt werden. Städtische Pflanzenfabriken in freistehenden Gebäuden, wie z.B. ehemaligen Lagerhäusern und Fabriken, haben mehr Möglichkeiten zur eigenen Stromerzeugung als solche, die sich in Gebäuden befinden, die Teil einer dichten städtischen Matrix sind. Die Energiemenge, die für die Versorgung freistehender Werksfabriken benötigt wird, hängt von den Abmessungen des Gebäudes ab. Wenn ein Gebäude eine grössere Fläche einnimmt, steigt der Bedarf an Beleuchtung und Wasser, aber auch die Menge an Energie, die über Sonnenkollektoren auf dem Dach und möglicherweise an der Fassade zur Verfügung steht. Die Menge an Strom, die durch Solarzellen erzeugt werden kann, hängt natürlich von der geographischen Lage der Fabrik ab. Der Nettowasserverbrauch für die Bewässerung in einer Pflanzenfabrik beträgt etwa 2% des Verbrauchs in einem Gewächshaus, weil etwa 95% des transpirierten Wasserdampfes aus den Pflanzenblättern kondensiert und nach der Sterilisation in den Nährlösungsbehälter zurückgeführt wird. Abgelaufene Nährlösung aus den Kulturbeeten wird nach der Sterilisation ebenfalls in den Nährlösungstank zurückgeführt. Die Wassermenge, die in den Tank gegeben werden muss, entspricht also der Wassermenge, die von den geernteten Pflanzen zurückgehalten wird, und der Menge, die als Wasserdampf durch Luftspalte nach aussen entweicht. In ähnlicher Weise entspricht die Menge an Nährstoffen, die hinzugefügt wird, der Menge an Nährstoffen, die von den geernteten Pflanzen aufgenommen wird. So liegt die Effizienz der Wasser- und Nährstoffnutzung bei mehr als 0,95 bzw. 0,90 (Kozai et al. 2016). 309 13.3.3 Urbane Agrikultur und Kreislaufwirtschaft Die Kreislaufwirtschaft ist derzeit einer der meistdiskutierten Begriffe unter Umweltwissenschaftlern und ein Schwerpunkt der EU-Strategie "Horizont 2020". Sein Kernelement ist die "regenerative Nutzung" von Ressourcen: Anstatt zu Abfall zu werden, werden die Rohstoffe recycelt und wiederverwendet (Geisendorf & Pietrulla 2018). Die urbane Agrikultur bietet verschiedene Möglichkeiten, sich diesen Ansatz zu eigen zu machen, der am besten durch The Plant veranschaulicht wird. Im Jahr 2010 erwarb das Sozialunternehmen Bubbly Dynamics LLC eine ehemalige Fleischverpackungsanlage in Chicago und entwickelte einen Plan, das Gebäude als Raum für die Gründung von Lebensmittel- und Landwirtschaftsbetrieben zu nutzen und damit dringend benötigte Arbeitsplätze in eine Gemeinschaft in einer "Lebensmittelwüste" ohne gesunde Nahrungsoptionen zurückzuholen. Die 8’686 m2 grosse Anlage beherbergt derzeit über ein Dutzend Kleinbetriebe, darunter Innen- und Aussenfarmen, Kombucha- und Bierbrauereien, eine Bäckerei, einen Käseverteiler, eine Kaffeerösterei und andere Lebensmittelhersteller und -verteiler. Anfang 2018 gab es in der Einrichtung ca. 85 Vollzeitäquivalente an Mitarbeitern. Die Anlage befindet sich noch im Bau und ist zu ca. 70% vermietet; die vollständige Belegung wurde für 2019 erwartet. Auf der Grundlage eines Modells zur Schliessung von Abfall-, Ressourcen- und Energiekreisläufen arbeitet The Plant daran, zu zeigen, wie eine wirklich nachhaltige städtische Lebensmittelproduktion aussieht. Die geplante anaerobe Vergärungsanlage (Biogasanlage ist ein Schlüsselmerkmal, da sie mehrere kritische Probleme durch die Wiederverwendung von konventionell als "Abfall" betrachteten Stoffen lösen soll, um mehrere wertvolle Produkte zu erzielen. Die Abfälle aus dem Gebäude werden zwar nur einen Bruchteil der im Biogasanlage verarbeiteten Abfallmenge ausmachen, doch wird diese zeigen, dass selbst Lebensmittelproduzenten, die typischerweise abfall- und energieintensiv sind, durch die Schliessung von Abfallkreisläufen nachhaltig arbeiten können. Abbildung 8 ist ein konzeptionelles Diagramm der verschiedenen Prozesse, die bei voller Auslastung erwartet werden. Abbildung 8: Abfall- (grün) und Energie/Gas-Kreislauf (orange) im The Plant, Chicago 310 13.4 Gesetzgebung und Führung Eine Reihe von Faktoren - die bestehende Stadtplanung, die Wahrnehmung und Einstellung zur Nutzung des städtischen Raums und das vorherrschende politische Klima - wirken alle auf der stadtspezifischen Ebene, um die Entwicklung der urbanen Agrikultur zu beeinflussen. In den meisten Ländern des globalen Nordens gibt es in den kommunalen Flächennutzungsplänen keine eigenständige Kategorie für die urbane Agrikultur, da die Landwirtschaft in der Vergangenheit von den Stadtplanern als eine ländliche Tätigkeit angesehen wurde. Die urbane Agrikultur in Europa scheint zwischen verschiedenen Politikbereichen zu fallen, trotz der Zusicherungen der Europäischen Kommission, dass die Programme der Mitgliedstaaten zur ländlichen Entwicklung zum Nutzen der städtischen Landwirtschaft eingesetzt werden können. Für einige ist sie möglicherweise nicht ausreichend landwirtschaftlich geprägt, um die Unterstützung im Rahmen der ersten Säule der gemeinsamen Agrarpolitik zu sichern (wie sie für die konventionellere Landwirtschaft typisch ist). Für andere wird es nicht als ausreichend ländlich angesehen, um die Unterstützung im Rahmen der oben genannten Programme zur ländlichen Entwicklung zu sichern. Mit Blick auf die Zukunft besteht die Herausforderung für die urbane Agrikultur darin, wie die notwendige Integration aller EUPolitikbereiche in der nächsten Programmperiode nach 2020 erreicht werden kann (McEldowney 2017). Der urbane Agrarsektor in Europa ist daher durch Bottom-up-Initiativen gekennzeichnet, die informell und nicht institutionalisiert sind. Obwohl die urbane Agrikultur in einigen Ländern auf institutioneller Ebene allmählich anerkannt wird, mangelt es noch immer an einer öffentlichen Politik, die sich direkt auf sie konzentriert. Die urbane Agrikultur wird im Allgemeinen als Aufgabe der Kommunalverwaltungen angesehen, aber da ein formaler Rahmen oft fehlt, ist die Unterstützung auf der Ebene der Kommunalverwaltungen tendenziell informell und fragmentiert. Der Londoner Plan beispielsweise, der die räumliche Entwicklungsstrategie für den Grossraum London darstellt, besagt lediglich, dass die Stadtbezirke in ihren Entwicklungsplänen potenzielle Standorte identifizieren sollten, die für die kommerzielle Lebensmittelproduktion genutzt werden könnten. Mit einem geeigneten politischen Rahmen könnten Initiativen besser verankert und abgesichert werden. Die Einbeziehung der gebäudeintegrierten Agrikultur (BIA) in die Stadtentwicklungspolitik oder die Rahmenpläne der Stadtplanung würde ihre Bedeutung für die Stadtentwicklung erhöhen. Beispielsweise könnte die Änderung der Zoneneinteilung - durch die Zulassung von Nahrungsmittelanbau in bestimmten Kategorien oder die Annahme einer formellen städtischen landwirtschaftlichen Bodennutzungszone -, die Anerkennung der städtischen Landwirtschaft als wirtschaftliche Entwicklungsstrategie, die Erleichterung des Zugangs zu Land und die Beseitigung von Beschränkungen, die sich aus anderen Politikfeldern ergeben, sich positiv auf die Entwicklung der urbane Agrikultur auswirken (Prové et al. 2016). Einige wenige Städte haben erste Schritte unternommen, um die lokalen Vorschriften zur Förderung der urbanen Agrikultur anzupassen. Paris hat einen sehr strukturierten und proaktiven Ansatz gewählt, der mit einer Prüfung aller nicht ausgelasteten oder leeren öffentlichen Gebäude begann, die möglicherweise städtische Bauernhöfe beherbergen könnten. Im Jahr 2016 wurden die städtebaulichen Regeln geändert, um den Bau von landwirtschaftlichen Gewächshäusern oberhalb der maximalen Höhenbeschränkungen um 7 Meter zu erlauben. Der Bürgermeister von Paris startete die Parisculteurs-Initiative, die darauf abzielt, bis 2020 247 Hektar Dächer und Mauern in Paris mit Grün zu bedecken, von denen ein Drittel speziell für die urbane Agrikultur vorgesehen ist. Öffentliche und private Immobilienbesitzer wurden gebeten, geeignete Räume für diese Initiative vorzuschlagen, und Architekten und Designer reichten dann ortsspezifische Vorschläge ein. Einer der Gewinner der ersten Runde des Wettbewerbs war das Green'elle-Projekt, das den ersten Aquaponik-Farm auf dem Dach 311 der Stadt vorschlug. Die Baugenehmigung wurde 2018 erteilt, und wenn das 3’000 m2 grosse Gewächshaus in Betrieb ist, wird es eine jährliche Produktionskapazität von 30 Tonnen Obst und Gemüse und 3 Tonnen Forellen haben. Die Produkte werden an die örtliche Bevölkerung über eine von der Gemeinschaft geförderte Gemüsekistenregelung verkauft, sowie an Märkte, Restaurants und Grosshändler. Ein weiterer Gewinner war La Caverne, ein vertikaler Betrieb, der in einer Tiefgarage Pilze, Endivien und Mikrogrün anbaut. Der HRVST dans le Métro war einer der Gewinner der zweiten Runde. Der in einer stillgelegten unterirdischen U-Bahn-Wendeschleife unter dem Parc Monceau gelegene, 5’000 m2 grosse vertikale Betrieb wird Produkte für Spitzenrestaurants produzieren. Eine dritte Runde des Wettbewerbs fand 2019 statt. Eine weitere Initiative des Pariser Bürgermeisters ist Reinventir Paris, ein Aufruf zu innovativen Stadtentwicklungsprojekten, um das volle Potenzial der Pariser Untergrundräume zu erschliessen. Die Teams wurden aufgefordert, Projekte vorzuschlagen, die gleichzeitig architektonisch, wirtschaftlich, kulturell und sozial sind. Einer der Gewinner der ersten Runde war FlabFarm, eine 450 m2 grosse Insektenmikrofarm und ein Restaurant in einem zweistöckigen Untergeschoss, das 2021 eröffnet werden soll. In den letzten Jahren hat sich New York City zu einem Zentrum der urbanen Agrikultur entwickelt. Vor 2012 betrachteten die Bebauungsgesetze in New York City Gewächshäuser auf Dächern als zusätzliche Nutzfläche, die auf das kalkulierbare Flächenverhältnis (Floor Area Ratio, FAR) eines Gebäudes angerechnet wurde und daher nicht auf Gebäuden zugelassen war, die bereits auf oder nahe der maximalen FAR-Zulassung lagen. Das änderte sich 2012, als das Ministerium für Stadtplanung eine Änderung des Zonen-Grüntextes verabschiedete, die den Bau neuer Gebäude und die Nachrüstung bestehender Gebäude förderte, um sie energieeffizienter und nachhaltiger zu machen, einschliesslich Renovierungen, die die urbane Agrikultur fördern. Zu den Bestimmungen der Novelle, die der kontrollierten Landwirtschaft zugutekommen, gehörte, dass ein Gewächshaus auf dem Dach als "zulässige Behinderung" betrachtet werden kann und von der FAR eines Gebiets ausgenommen ist, solange es sich auf einem Gebäude ohne Wohnhäuser befindet, das hauptsächlich für den Pflanzenanbau genutzt wird, weniger als 7.6 Meter hoch und grösstenteils transparent ist und von der Umfassungsmauer um 1.8 Meter zurückgesetzt wird, wenn es die Gebäudehöhe des Gebiets überschreitet (Goodman & Minner 2019). Eine Reihe von Politikern und Beamten hat auch die Entwicklung der städtischen Landwirtschaft proaktiv unterstützt. So führte der Bürgermeister von New York City 2015 ein lokales Gesetz zur Änderung der Charta von New York City ein, um einen städtischen Landwirtschaftsbeirat zu schaffen, und 2017 führte der Bezirkspräsident von Brooklyn ein Gesetz ein, das das Stadtplanungsamt von New York City dazu aufforderte, einen umfassenden städtischen Landwirtschaftsplan zu erstellen, um die urbane Agrikulturbewegung zu nutzen und sie für die Stärkung der Gemeinschaft und der Jugend, die wirtschaftliche Entwicklung und das Gesundheitswesen einzusetzen. Obwohl der Plan nicht vorangekommen ist, hat ein vorläufiges lokales Gesetz zur Schaffung einer offiziellen Website der urbanen Agrikultur in New York City geführt, die als Landingpage für interessierte Landwirte dient. Dennoch lag der Schwerpunkt der lokalen Behörden im Bereich der kontrollierten Umweltlandwirtschaft auf der Finanzierung von Hydrokultur in Schulen und nicht auf der Entwicklung der kommerziellen Landwirtschaft. Eine kürzlich durchgeführte Studie ergab, dass es im Vergleich zu 131 Einrichtungen in öffentlichen Schulen nur 8 kommerzielle CEA-Farmen in der Stadt gibt: sechs Dachgewächshäuser (fünf Hydrokultur- und ein Aquaponik-Gewächshaus), eine Pflanzenfabrik und eine Container-Farm (Goodman & Minner 2019). Obwohl das kommerzielle CEA zur Schaffung einer kleinen Anzahl von grünen Arbeitsplätzen in den Städten geführt hat, bietet es möglicherweise nicht genügend Vorteile, um die Unterstützung des 312 öffentlichen Sektors zu rechtfertigen. Die Produkte, die von kommerziellen CEA-Farmen in New York City angebaut werden, tragen minimal zu den geschätzten 1'848'842’500 Kilogramm Obst und Gemüse bei, die jährlich von den Einwohnern konsumiert werden. Es gibt auch kaum Hinweise darauf, dass die in New York City angebauten Produkte der CEA die Probleme der Ernährungsunsicherheit und des Zugangs zu Nahrungsmitteln adressieren, von denen fast drei Millionen New YorkerInnen betroffen sind, vor allem diejenigen in einkommensschwachen Gemeinden. Das kann daran liegen, dass lokal angebaute CEA-Produkte zu teuer sind, oder dass sie nicht in genügend Lebensmittelgeschäften in der Nachbarschaft erhältlich sind, oder aus noch nicht identifizierten Gründen. Auch die Produkte, die in den kommerziellen CEA-Farmen in New York City angebaut werden, haben in der Regel nur einen mässigen Nährwert: Die hohen Anlaufkosten bedeuten, dass die städtischen Landwirte diese Kosten durch den Anbau von hochwertigen Pflanzen für wohlhabende Verbraucher, wie Salat und Basilikum, decken müssen, statt durch den Anbau von Nahrungsmitteln, die für Bewohner mit niedrigem Einkommen preislich interessant sind, wie Spinat und Grünkohl. Die Produkte tragen daher nur minimal zu dem Ziel der gewählten Volksvertreter bei, die die städtische Landwirtschaft unterstützen, den Konsum von gesundem Obst und Gemüse in New York zu steigern, insbesondere bei Menschen mit einem Risiko für Fettleibigkeit, Diabetes und verwandte chronische Gesundheitskrankheiten (Goodman & Minner 2019). Die Ergebnisse dieser Studie sind zwar spezifisch für New York City, haben aber Auswirkungen auf die Einführung des CEA in anderen städtischen Zentren. Die Unterstützung der Kommunen für solche Vorhaben kann nur dann gewonnen werden, wenn der angebliche Nutzen - das ökologische, wirtschaftliche und soziale Potenzial - von Projekten auf öffentlichen Dächern und Grundstücken nachgewiesen werden kann. 13.5 Geschäftsmodelle der urbanen Landwirtschaft Es gibt viele Arten von Modellen für den erfolgreichen Betrieb eines Unternehmens. Ein Geschäftsmodell ist eine Strategie dafür, wie ein Unternehmen einen Gewinn erzielen wird. Sie identifiziert die Produkte oder Dienstleistungen, die das Unternehmen verkaufen wird, den Zielmarkt und die voraussichtlichen Ausgaben. Ein neues Unternehmen in der Entwicklung muss ein Geschäftsmodell haben, um Investitionen anzuziehen, Talente zu rekrutieren und das Management und die Mitarbeiter zu motivieren. Etablierte Unternehmen müssen ihre Geschäftspläne regelmässig überprüfen und aktualisieren, um Trends und Herausforderungen zu antizipieren. Jan Wilhelm van der Schans von der Universität Wageningen identifiziert fünf Arten von Geschäftsmodellen für die urbane Agrikultur (van der Schans 2015; van der Schans et al. 2014): 13.5.1 Differenzierung Eine Differenzierungsstrategie basiert auf der Schaffung von Unterscheidungen zu herkömmlichen Lieferketten. Ein städtischer Landwirtschaftsbetrieb kann sich dadurch auszeichnen, dass er Produktion, Verarbeitung und Vertrieb in den eigenen Händen hält (vertikale Integration). Durch die Einbeziehung mehrerer Stufen der Lieferkette kann sie möglicherweise einen grösseren Teil der Gewinnspanne erzielen oder zumindest die Unterscheidungskraft des Produkts besser kontrollieren. Ein städtischer Landwirtschaftsbetrieb kann sich bei seinen Produkten auch dadurch auszeichnen, dass er ungewöhnliche Kulturen wie alte Gemüsesorten oder ethnisches Gemüse sowie leicht verderbliche 313 Sorten anbaut, die sich schwerer über lange Strecken transportieren lassen, oder Produkte mit hohen Transportkosten, und dass er den saisonalen Charakter der Produkte im Gegensatz zur ganzjährigen Verfügbarkeit in Supermärkten betont. 13.5.2 Diversifizierung Eine Diversifikationsstrategie zielt darauf ab, neben der Nahrungsmittelproduktion auch andere Güter und Dienstleistungen anzubieten. Ein städtischer Landwirtschaftsbetrieb kann eine Reihe von marktorientierten Business-to-Consumer-Aktivitäten anbieten, wie z.B. Bildung und Sozialfürsorge, sowie Business-to-Business-Aktivitäten, wie z.B. Energieerzeugung aus städtischem Grünabfall und Kompostierung. Städtische Landwirtschaftsinitiativen können durch die Dezentralisierung der Abfallwirtschaft einen Unterschied machen. 13.5.3 Niedrige Kosten Bei der Niedrigkostenstrategie in der konventionellen Landwirtschaft geht es in der Regel darum, das Unternehmen zu erweitern, um Grössenvorteile zu realisieren. Es handelt sich jedoch um eine Strategie zur Geschäftsentwicklung, für die im städtischen Kontext wenig oder gar kein Platz vorhanden ist. Die urbane Agrikultur kann eine kostengünstige Strategie realisieren, indem sie urbane Ressourcen nutzt, die aktuell nicht ausreichend genutzt werden, wie z.B. leere Grundstücke, leere Gebäude, organische Abfälle, überschüssiges Regenwasser und städtische Wärmeabfälle. Auch der Einsatz von Freiwilligen oder benachteiligten Personen ist eine Form der Kostensenkung. Die vertikale Integration, die den Zwischenhändler ausschaltet, kann ebenfalls als eine kostengünstige Strategie betrachtet werden. 13.5.4 Rückgewinnung des Gemeingutes Die urbane Agrikultur bietet den Bürgern die Möglichkeit, die Kontrolle über ihre Lebensmittelversorgung wiederzuerlangen und sich bewusst zu machen, woher ihre Lebensmittel kommen. Sie führt das Gefühl der Eigentümerschaft wieder ein, manchmal sogar buchstäblich, wenn die Bürger durch Crowdfunding zu Miteigentümern eines Unternehmens werden. Programme der Community Supported Agriculture (CSA), bei denen ein Landwirt seinen Mitgliedern einen Anteil an der Produktion gegen einen festen Beitrag anbietet und die Mitglieder die Möglichkeit haben, mit den Erzeugern, dem Land, auf dem ihre Nahrungsmittel angebaut werden, und untereinander bei regelmässigen gesellschaftlichen Veranstaltungen in Kontakt zu treten, werden immer beliebter. Der Anteil kann je nach den Unwägbarkeiten der Produktion variieren, so dass die Risiken und Vorteile geteilt werden, während das Abonnement in der Regel im Voraus und relativ langfristig zahlbar ist, wodurch dem Produzenten ein sicheres Einkommen geboten wird. 13.5.5 Erlebnisangebot Diese Strategie basiert auf der Einsicht, dass durch die Bereitstellung von unvergesslichen Erlebnissen ein grösserer Mehrwert entsteht als durch die Bereitstellung von grundlegenden Gütern und Dienstleistungen (die Erlebniswirtschaft). Städtische Landwirte sind gerade wegen der kurzen Entfernung zwischen dem Bauernhof und dem Zielpublikum in der Lage, einzigartige Erlebnisse zu inszenieren. Die urbane Agrikultur ist eine Erfahrung ländlicher und städtischer Dynamik in einer einzigartigen Symbiose und eine Bereicherung der grossstädtischen Landschaft. 314 13.5.6 Diskussion und Case Studies Aus betriebswirtschaftlicher Sicht ist die urbane Agrikultur untypisch: In der Betriebswirtschaft ist es eine goldene Regel, dass die Strategie eines Unternehmens auf einem klaren Ertragsmodell basiert. Für die urbane Agrikultur kann jedoch eine Mischung von Geschäftsmodellen eine gute Grundlage für das Überleben sein: z.B. der Einsatz von Freiwilligen (geringe Kosten) und Kunden aus der Sozialfürsorge (Diversifizierung), um ein unverwechselbares Produkt anzubauen, zu verarbeiten und zu vertreiben (Differenzierung), die Verwendung eines CSA-Gemüsekistensystems (Rückgewinnung des Gemeingutes) und die Öffnung des Betriebs für zahlende Besucher (Erlebnis) (van der Schans 2015; van der Schans et al. 2014). Einige der Pioniere der städtischen Landwirtschaft (Lufa Farms, Gotham Greens) haben ihr Geschäftsmodell verfeinert, um die Rentabilität zu steigern, indem sie ihre Dachgewächshäuser vergrössert haben, um Grössenvorteile zu erzielen, obwohl Sky Vegetables, das wie Lufa Farms und Gotham Greens die Produktion 2011 aufgenommen hat, immer noch von einem vergleichsweise kleinen (743 m2) Dachgewächshaus aus operiert. Grössenvorteile sind auch für vertikale IndoorFarmen wichtig, wobei die geringe Grösse der kommerziellen Produktionseinheit der GrowUp Urban Farm in London (762 m2) als Grund für ihre Schliessung genannt wird. Am anderen Ende der Skala wurde FarmedHere, die mit 8’361 m2 Anbauflächen bei ihrer Eröffnung in Chicago 2013 als grösste Indoor-Farm der Vereinigten Staaten gehypt wurde, vier Jahre später geschlossen, weil die sehr hohen Energie- und Arbeitskosten sie unrentabel machten (Beytes 2017). Die drei Pioniere der urbanen Agrikultur haben sehr unterschiedliche Geschäftsmodelle. Sky Vegetables baut nur acht Kräuter- und Grünsorten an, die es online an Einzelhändler verkauft. Gotham Greens baut 13 verschiedene Arten von Salatblättern, Basilikum und Tomaten an, die über OnlineLebensmittelgeschäfte und in mehr als 500 Supermärkten, Lebensmittelgeschäften und Bauernmärkten in 15 östlichen Bundesstaaten an die Verbraucher verkauft werden. Ausserdem verkauft es seine Produkte an 115 Restaurants in New York City und Chicago sowie an Delta Airlines. Lufa Farms baut 89 verschiedene Sorten von Blatt- und Fruchtgemüse an. Möglich wird dies durch den Betrieb von drei grossen Dachgewächshäusern mit für verschiedene Pflanzen optimierten Nährstofflösungen: In einem Gewächshaus werden nur Tomaten und Auberginen angebaut, im zweiten werden Salate, Grünpflanzen und Kräuter angebaut und im dritten werden Gurken, Chilischoten, Mikrogrün, Kräuter und essbare Blumen angebaut. Das Geschäftsmodell von Lufa Farms verwendet eine Kombination aus Direktverkauf - wodurch die Einzelhandelsspannen und andere Kosten entfallen, Abonnement - wodurch das Unternehmen seine Produktion auf die Nachfrage abstimmen kann - und Cross-Selling - bei dem ergänzende Produkte und Dienstleistungen über das eigene Sortiment hinaus angeboten werden, um mehr Waren zu verkaufen. Lufa Farms hat sich mit anderen, meist lokalen und ökologischen Landwirten zusammengetan, um neben den eigenen Produkten eine breite Palette von Lebensmitteln zu verkaufen, darunter Käse, Fleisch, Meeresfrüchte und Backwaren, sowie mit einigen wenigen Erzeugern in Florida, die tropische Produkte (Bananen, Avocados und Orangen) anbauen. Die Kunden abonnieren einen wöchentlichen Warenkorb mit einem Mindestwert von 15 Can$ über den Online-Marktplatz der Farm, der entweder gegen eine Gebühr nach Hause geliefert wird oder an Hunderten von Abholpunkten in der Nachbarschaft von Montreal abgeholt werden kann, darunter Apotheken, Friseurläden, Supermärkte, Lebensmittelläden, Cafés und Universitätsgelände. Ein solches hybrides Geschäftsmodell ist für die Kunden eindeutig attraktiv: Der Betrieb kann die aus dem Direktverkauf resultierenden Einsparungen weitergeben, während die 315 Kunden durch Abonnement und Cross-Selling Zeit sparen. Lufa Farms liefert jede Woche 10’000 Bestellungen aus. Fresh Impact Farms nutzt die kontrollierte Umgebung in seinem Betrieb in einem Einkaufszentrum in einem Vorort von Arlington, Virginia, um essbare Blumen und Kräuter anzubauen, die den Geschmacksvorlieben von Spitzenköchen entsprechen. Die Aromen werden intensiver oder subtiler, indem die Nährstoffmischung, die Wassertemperatur oder das Lichtspektrum verändert werden. Seit der Einführung im Jahr 2016 hat der Betrieb mit 250 Pflanzensorten experimentiert und kultiviert derzeit zwischen 50 und 60 sorten. Viele der erfolgreichsten Sorten wurden ursprünglich von Küchenchefs vorgeschlagen. Der Betrieb arbeitete mit einem Unternehmen zusammen, um eine eigene Software zu entwickeln, die das Feedback der Köche für jede einzelne Kultur verfolgt, so dass der Geschmack bei der nächsten Charge angepasst werden kann. Einige städtische Bauernhöfe haben eine Mischung aus gewinnorientierten und gemeinnützigen Betrieben für ihr Geschäftsmodell übernommen. Vertical Harvest in Jackson, Wyoming, ist ein wirkungsorientiertes Unternehmen, das private Investitionen, öffentliche Ressourcen und Philanthropie kombiniert, um eine positive wirtschaftliche und soziale Wirkung für die lokale Gemeinschaft zu erzielen. Der Betrieb beschäftigt Menschen mit körperlichen und geistigen Behinderungen, und der Salat, das Grün, das Mikrogrün und die Tomaten werden an örtliche Lebensmittelgeschäfte und Restaurants verkauft. BetterLife Growers ist ein Salat- und Kräuteranbaubetrieb, der in Houston, Texas, gegründet wurde, um Menschen, die sonst nur schwer zu beschäftigen wären, einschliesslich vorbestrafter Personen, neue Arbeitsplätze zu verschaffen. Die Mitarbeiter werden in beruflichen Fertigkeiten und fiskalischen Kenntnissen geschult, und die Produkte werden an lokale Ankerinstitutionen wie Universitäten, Krankenhäuser und Regierungseinrichtungen sowie an Grosshändler und Lebensmitteleinzelhändler verkauft. Der Aufstieg der städtischen Landwirtschaft hat zu einer Vielzahl von Neugründungen geführt, nicht nur von städtischen Bauernhöfen, sondern auch von Ausrüstungs- und Beratungsunternehmen. Einige von ihnen sind zu sehr erfolgreichen Unternehmen herangewachsen. So wurde Infarm beispielsweise 2013 von drei Jungunternehmern in Berlin mit der ehrgeizigen Vision gegründet, die Städte von morgen zu ernähren, indem die landwirtschaftlichen Betriebe näher an den Verbraucher gebracht werden. Das Unternehmen entwickelte ein leicht skalierbares und schnell einsetzbares hydroponisches modulares Farmsystem für den Anbau von Salat, Kräutern und Mikrogrün in jedem städtischen Verkaufsraum oder Restaurant. Jeder Betrieb ist sein eigenes Ökosystem mit Anbaurezepten, die Lichtspektren, Temperatur und Nährstoffe so anpassen, dass der maximale Ertrag für jede Kultur gewährleistet ist. Eine Matrix von Sensoren sammelt und zeichnet die Wachstumsdaten von jedem Betrieb auf, und alle notwendigen Anpassungen werden ferngesteuert. Das Unternehmen ist inzwischen auf 250 Mitarbeiter angewachsen und war 2019 auf dem besten Weg einen Auftragswert von über 100 Millionen Dollar zu verbuchen. Infarm hat Partnerschaften mit 25 grossen Lebensmitteleinzelhändlern in Deutschland, der Schweiz und Frankreich geschlossen und mehr als 200 In-Store-Farmen und 150 Farmen in Distributionszentren von Online-Lebensmitteleinzelhändlern eingesetzt. 100 Millionen Dollar neuer Finanzmittel, die 2019 von Risikokapitalinvestoren gesichert werden, werden für die Ausweitung des Wachstums des Unternehmens in Europa und die Ausbreitung in den USA und darüber hinaus sowie für die Erweiterung der F&E, Betriebs- und Geschäftsteams verwendet (HortiDaily 2019). Zu den anderen Start-ups, die städtische landwirtschaftliche Geräte liefern, gehören die USUnternehmen Freight Farms und Vertical Crop Consultants, die beide schlüsselfertige Containerfarmen 316 verkaufen. Darüber hinaus unterscheiden sich die beiden Unternehmen in ihren Containerfarmen durch die Verwendung unterschiedlicher Anbausysteme - Freight Farm verwendet Anbautürme, während Vertical Crop Consultants ein horizontales Stapelbeet-System verwenden - in ihren Geschäftsmodellen. Neben ihrer GreeneryTM Containerfarm verkauft Freight Farms eine Betriebsführungssoftware und eine App, mit der Landwirte Sensordaten - von Nährstoffgehalt und pHWert bis hin zu Temperatur und CO2 - aus der Ferne überwachen und die Beziehung zwischen den Einstellungen des Betriebs und dem Ertrag analysieren können. Bei Bedarf kann ein KundenserviceTeam auf die Metriken zugreifen, um bei der Fehlersuche und der Suche nach einfachen Lösungen zu helfen. Gegen eine einmalige Gebühr bietet Freight Farm einen Online-Kurs über die Nutzung der Containerfarm an, und ein aktuelles Abonnement der Farmmanagement-Software ermöglicht den lebenslangen Zugang zu den Online-Materialien. Freight Farm hat daher das Geschäftsmodell des Lösungsanbieters übernommen, dass eine vollständige Abdeckung von Produkten und Dienstleistungen in einem bestimmten Bereich bietet. Durch die Zahlung eines Jahresabonnements für die Cloud-basierte Betriebsführungssoftware anstelle einer einmaligen Lizenzgebühr wird dem Landwirt der Zugang zur neuesten Version garantiert. Die Möglichkeit des Zugriffs auf die Kennzahlen des Landwirts ermöglicht es ihm, Kundendaten zu nutzen, die er dann zur Optimierung seines Containerfarmsystems verwenden kann. Vertikale Pflanzenschutzberater hingegen verkaufen ein wesentlich diversifizierteres Produktportfolio. Neben ihrer CropBox-Containerfarm und der zugehörigen Smartphone-App verkaufen sie massgeschneiderte vertikale und horizontale HydroponikSysteme und verfügen über einen Online-Shop, der mehr als 5’000 verschiedene HydrokulturZubehörteile verkauft - Beleuchtung, Nährlösungen, Pumpen, Bewässerungssysteme, Belüftungsgeräte usw. - die von anderen Unternehmen hergestellt werden. In Europa ist das französische Start-up-Unternehmen Refarmers, das 2015 gegründet wurde, der offizielle europäische Vertriebspartner des in den USA hergestellten vertikalen ZipGrowPflanzensystems. Im Vereinigten Königreich verkauft LettUs Grow, gegründet 2015, aeroponische Systeme und modulare Farmen sowie Farmmanagement-Software für die automatische Fernsteuerung, Datenerfassung und Wachstumsanalyse von Pflanzen. V-Farm, das 2006 als Projekt für die Futter- und Weizengrasproduktion begann, entwickelte 2011 sein erstes mehrstufiges Regalsystem für den Kräuteranbau und produziert nun eine Reihe modularer NFT- und Flut- und Drainagesysteme, die sich für den kommerziellen Anbau eignen. In Belgien bietet Urban Crop Solutions, gegründet 2014, einen One-Stop-Shop für schlüsselfertige Indoor-Pflanzenanbaugeräte und Kundendienst an. Ihre Forschungs- und Entwicklungsabteilung hat Anbaurezepte für mehr als 200 Pflanzensorten entwickelt. Das 2018 gegründete schwedische Start-up-Unternehmen Bonbio definiert sich selbst als "schlüsselfertigen Anbieter, der im Bereich der Kreislaufwirtschaft und der Pflanzenproduktion tätig ist". Sie haben ein proprietäres Kreislaufwirtschaftskonzept entwickelt, bei dem sie Nahrungsmittelabfälle in organische Pflanzennährstoffe umwandeln, die für den hydroponischen Anbau optimiert wurden. Langfristig werden die Bonbio-Nährstoffe im Einzelhandel oder in Gartenzentren erhältlich sein, aber in der Zwischenzeit arbeitet das Unternehmen mit IKEA zusammen, um den Abfall aus den Restaurants in den Geschäften in eine Nährstofflösung umzuwandeln, die dann in Containern ausserhalb der Geschäfte zum Anbau von Salatblättern verwendet wird. iFarm ist ein russisches Start-up-Unternehmen, das 2017 gegründet wurde und versucht, die Landwirtschaft durch die Bereitstellung automatisierter vertikaler Farmsysteme, Gewächshäuser und Anbaumodule zu revolutionieren, die mit Erde und nicht mit Hydrokulturen arbeiten. Die modularen, automatisierten Gewächshäuser von iFarm, die auf kleine und mittlere Unternehmen ausgerichtet sind, können alle Arten von Kulturen aufnehmen und sind so konzipiert, dass sie in eine Vielzahl von 317 städtischen Räumen wie z.B. leere Grundstücke und Dächer passen, während das modulare, vertikale Farmsystem überall in Innenräumen platziert werden kann. Die Anbaumodule sind für den Anbau von Grünzeug und Erdbeeren in Restaurants und Lebensmittelgeschäften bestimmt. Alle drei Systeme werden von einer Cloudbasierten Software betrieben, die automatisch alle Aspekte der Umwelt steuert - einschliesslich der Temperatur, der Wasserversorgung, der Beleuchtung und der in den Boden eingemischten Nährstoffe - und es dem Unternehmen ermöglicht, die Qualitäten der Pflanzen effektiv zu programmieren. Mit Hilfe einer zentralisierten Datenbank können städtische Landwirte auf der Grundlage der gesammelten Daten, die von einem Team von iFarm-Wissenschaftlern analysiert werden, Anbaurezepte herunterladen, die darauf abzielen, die Qualität bestimmter Kulturen zu maximieren. Von jedem Quadratmeter Boden werden mehr als 50 verschiedene Datenparameter gesammelt: Sie verifizieren die Wachstumsphasen und signalisieren, wann geerntet werden soll und was mit jeder Kultur zu tun ist. Da die Rezepte leicht heruntergeladen werden können, soll diese Art von System einen neuen Typ von städtischen Landwirten ansprechen - einen, der zwar technisch versiert ist, aber nicht viel über den Gartenbau weiss. Es wird auch für Landwirte attraktiv sein, die ihre Produkte als ökologisch zertifizieren lassen wollen, was in Europa derzeit für Produkte aus Hydrokultur nicht möglich ist. Das Unternehmen hat auch einen Pflanzroboter entwickelt. Im Jahr 2019 erhielt iFarm 1 Million Dollar von Gagarin Capital, einem in Russland ansässigen Risikokapitalinvestor für neu gegründete High-Tech-Unternehmen, die das Unternehmen für die Ausweitung seiner Geschäftstätigkeit in Russland und die Expansion nach Europa verwenden wird. Was die städtischen Bauernhöfe betrifft, so gab es in den letzten Jahren eine Reihe von hochkarätigen Investitionen in der Branche. Das in San Francisco ansässige Unternehmen Plenty hat vom japanischen Mischkonzern SoftBank Group Corp. (Cosgrove 2017) rekordverdächtige 200 Millionen Dollar eingeworben. Eine der städtischen landwirtschaftlichen Neugründungen Frankreichs, die Millionen von Geldern anlocken konnte, ist Agricool, die in Paris Erdbeeren in Containern anbaut. Das 2015 gegründete Unternehmen hat 12 Millionen Euro von privaten Investoren aufgebracht, eine Premiere in der Geschichte der städtischen Landwirtschaft in Frankreich. Die Erdbeeren werden an örtliche Grosshändler, Supermärkte und Gourmet-Läden verkauft. Das Unternehmen verfügt über vier funktionsfähige Container, die durchschnittlich 200 Kisten Erdbeeren pro Tag produzieren, was aber noch nicht ausreicht, um einen Gewinn zu erzielen. Durch die Ausweitung ihrer Aktivitäten hofft sie, bis 2021 profitabel zu werden (Luquet 2018). Doch während einige Neugründungen florieren, ist eine grosse Zahl auch gescheitert. In Vancouver erklärte Alterrus nach weniger als zwei Jahren Betrieb den Konkurs. Als das Unternehmen im November 2012 startete, hatte es versprochen, etwa 68’000 kg Blattgemüse und Kräuter pro Jahr in dem hydroponischen Dachgewächshaus zu produzieren. Das Geschäftsmodell für den Betrieb sah den Verkauf pestizidfreier Grüns und Kräuter an Spitzenrestaurants vor (Howell 2014). Das in Stockholm ansässige Plantagon beabsichtigte, die Lebensmittelproduktion in grossem Massstab in Städte mit hoher Bevölkerungsdichte zu verlagern, indem landwirtschaftliche Betriebe entwickelt und betrieben werden, die in die bestehende städtische Infrastruktur integriert sind - in Bürotürmen, Tiefgaragen und an den Fassaden bestehender Gebäude. Die Farmen könnten entweder Nachrüstungen oder Erweiterungen bestehender Immobilien oder Neubauten sein und würden als symbiotische Systeme unter Nutzung der bestehenden Infrastruktur wie Kühlung/Heizung, Biogasproduktion, Abfall-/Wasserwirtschaft und Energieproduktion zur Nahrungsmittelproduktion umgesetzt werden. Die erste Farm des Plantagon, die Plantagon CityFarm, wurde 2018 im Keller eines Bürogebäudes in Stockholm eröffnet, und das Unternehmen beabsichtigte, bis 2020 zehn weitere CityFarms in der Stadt einzurichten. Der unterirdische Bauernhof, in dem täglich 100 kg Gemüse 318 angebaut werden sollten, speicherte die von den LED-Growlights abgegebene Wärme und nutzte diese Energie dann zur Beheizung der darüber liegenden Büros, wodurch keine Miete gezahlt werden musste. Der Betrieb hatte jedoch Schwierigkeiten, die angebauten Produkte zum benötigten Preis zu verkaufen, und Plantagon wurde 2019 unter Hinweis auf Cashflow-Probleme und die Schwierigkeit, genügend Kapital anzuziehen, um finanziell tragfähig zu bleiben, für insolvent erklärt. Das Plantagon war seiner Zeit möglicherweise voraus, was den Umfang seiner Projekte und die Geschwindigkeit, mit der es seine Ambitionen verwirklichen wollte, betraf. Die Kluft zwischen dem Versprechen und der tatsächlichen Umsetzung von Innovationen ist etwas, das die Agroindustrie immer wieder auf den Kopf stellt (Marston 2019). Viele der gescheiterten Neugründungen waren urbane Aquaponik-Farmen. Einer der Hauptfaktoren, der den möglichen Erfolg der Aquaponik bestimmt, ist ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber alternativen Produktionsmethoden. Die Investitionskosten in Aquaponik-Farmen sind fast doppelt so hoch wie in Hydrokultur-Farmen, und um rentabel zu sein, muss die Farm sowohl die Pflanzen- und Fischproduktion als auch die Einnahmen optimieren. Der Untergang von FarmedHere und GrowUp Urban Farm wurde bereits erwähnt. Green & Gills, das im Keller des Werks in Chicago angesiedelt ist, war nur drei Jahre lang, von 2012 bis 2015, in Betrieb. Urban Organics, eine 8’083 m2 grosse AquaponikFarm in St. Paul, Minnesota, züchtete in einer ehemaligen Brauerei Blattgemüse und Kräuter und verkaufte das Gemüse an Grosshändler und die Tilapia, den Seesaibling und die Regenbogenforelle an Restaurants; sie wurde 2019 nach sechs Jahren Betrieb geschlossen. UF002 De Schilde, eine Aquaponik-Farm, die von UrbanFarmers in Den Haag, Niederlande, betrieben wurde, war von 2015 bis 2018 in Betrieb. Im Dachgewächshaus wurden Tomaten, Gurken, Paprika und Blattgemüse angebaut, während die Aquakulturkomponente im obersten Stockwerk des sechsstöckigen ehemaligen PhilipsGebäudes zur Aufzucht von Buntbarschen genutzt wurde. Von hier kam die Idee, das gesamte Gebäude mit Start-ups zu füllen, um als Innovations- und Wissenszentrum für die urbane Agrikultur zu fungieren. Ironischerweise wurde New Urban Farm im selben Monat eröffnet, in dem UrbanFarmers in Konkurs ging. Die derzeitigen Mieter im vierten Stock sind HaagseZwam, die auf dem Kaffeesatz Pilze züchten und Pilzzuchtkits verkaufen. Die anderen Neugründungen, die bei der Eröffnung des Zentrums im Jahr 2018 anwesend waren - Rebel Urban Farms und Uptown Greens - scheinen in dem Gebäude nicht mehr aktiv zu sein. UF002 De Schilde verlor von Anfang an Geld, da die Kosten hoch und die Einnahmen zu gering waren und die Investoren nicht mehr bereit waren, den Betrieb zu finanzieren. Wahrscheinlich war das Geschäftsmodell fehlerhaft; eine höherpreisige, spezialisiertere Kulturpflanze wie Mikrogreens, die an Spitzenrestaurants und andere Verbraucher verkauft werden kann, wäre möglicherweise eine bessere Wahl gewesen als Tomaten, die in grossem Umfang auf dem niederländischen Land produziert werden und in Supermärkten zu sehr niedrigen Preisen erhältlich sind. Die grundlegendste Frage, die sich alle Junglandwirte stellen müssen, unabhängig von ihrer Anbautechnik, ist: Was werden sie anbauen und für wen? Wenn sie es nicht verkaufen können, sollten sie es nicht anbauen. Um diese Frage beantworten zu können, ist eine Marktforschung erforderlich, um herauszufinden, was die Märkte nicht bekommen können oder mehr benötigen, wer die Kunden sein werden und welche potenziellen Preise verlangt werden könnten. Die gesellschaftliche Akzeptanz und die Präferenzen der potenziellen Verbraucher sind entscheidende Faktoren für den Erfolg oder Misserfolg eines Unternehmens. Eine gross angelegte Umfrage in Berlin zur Ermittlung der Verbrauchereinstellungen gegenüber verschiedenen Formen der städtischen Landwirtschaft ergab 319 eine geringe Akzeptanz sowohl von vertikalen als auch von Aquaponik-Farmen im Vergleich zu Gewächshäusern auf Dächern (Specht et al. 2016b). Diese Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen früherer Studien überein, die die Wahrnehmung von Stakeholdern von Dachgewächshäusern in Barcelona (Sanyé-Mengual et al. 2015b) und Berlin (Specht et al. 2016a) untersucht haben. Eine Umfrage über die Einstellung der Verbraucher in Adelaide, Australien, zu städtischen AquaponikFarmen ergab ebenfalls eine geringe Akzeptanz, die positiv mit dem Grad der Unwissenheit der Befragten über Aquaponik korreliert war (Pollard et al. 2017). Dies bestätigt auch die Ergebnisse einer europaweiten Umfrage zur Verbraucherakzeptanz von Aquaponik (Milicic et al. 2017). Diese Umfragen zeigen alle eine Wahrnehmung der bodenunabhängigen Agrikultur als "unnatürliche" Anbautechnik, wobei nur wenige Interessenvertreter eine neutrale Meinung dazu haben. Im Allgemeinen haben sie es entweder akzeptiert oder radikal abgelehnt. Dies könnte die fehlende Nachfrage erklären, die dazu führt, dass viele städtische landwirtschaftliche Betriebe noch nicht das ganze Jahr über die volle Produktion erreicht haben, obwohl sie die 12-monatige Wachstumssaison als einen Hauptvorteil der Branche anpreisen. Indoor-Farmen, die den Umsatz erreicht haben, um kontinuierlich zu produzieren, wie z.B. Gotham Greens mit seinen Gewächshäusern in New York City und Chicago, haben einen Kundenstamm, der eher auf ein starkes "lokales" Branding als auf die Technologie hinter den Lebensmitteln reagiert. Städtische Pilzfarmen wie HaagseZwam verdanken ihr Erfolgsgeheimnis der Anwendung von Prinzipien der Kreislaufwirtschaft. In Paris züchten La Boîte à Champignons im Keller eines Supermarktes Austernpilze aus Kaffeesatz und verkaufen ihre Produkte an diesen und andere nahe gelegene Supermärkte und Restaurants. Sie diversifizieren ihre Tätigkeit noch weiter, indem sie Anbausätze für den Eigenanbau verkaufen, die online bestellt werden können, und auch Unterrichtssätze für Schüler. In RotterZwam, das in einem ehemaligen Schwimmbad in Rotterdam liegt, werden auch Austernpilze angebaut. Neben Kaffeesatz verwenden sie auch Kaffeeschale - ein weiteres Abfallprodukt - als Substrat. Sie haben Lieferverträge mit der Mehrheit der Mikroröster in Rotterdam sowie mit Röstern in der Umgebung abgeschlossen, um sich die für ihre Produktion benötigte Menge zu sichern, die sie wöchentlich kostenlos abholen. Da der meiste Kaffee zu Hause konsumiert wird (etwa 70%), haben sie ein Anbauset entwickelt, damit die Menschen ihre eigenen Kaffeeabfälle zum Pilzanbau verwenden können. Sie verkaufen auch Eintrittskarten für Betriebsbesichtigungen. GroCycle in Exeter, Grossbritannien, züchten ihre Austernpilze im Kaffeesatz in einem ungenutzten Bürogebäude (Abbildung 9). Neben dem Verkauf ihrer Produkte an Restaurants und Lebensmittelgeschäfte verkaufen sie auch Pilz-Anbaukits für den Eigenanbau, verarbeiten die Abfälle aus ihrem Wachstumszyklus zu Kompost und bieten einen Online-Kurs über Low-Tech-Pilzzucht an. Hut und Stiel in Wien, die wiederum Kaffeesatz für den Anbau von Austernpilzen verwenden, verkaufen die schönsten Produkte an Lebensmittelhändler, während die minderwertigeren Pilze in Zusammenarbeit mit einem Wiener Feinkostgeschäft für Pasten und Sossen verwendet werden. Sie verkaufen auch Starterkulturen für den Heimanbau. 320 Abbildung 9: Austernpilzmyzel, das auf Kaffeesatz wächst, in 12 kg Hängesäcken https://grocycle.com/ Diese Beispiele von urbanen Pilzfarmen veranschaulichen die Bandbreite der verschiedenen Produkte und Dienstleistungen, die zusätzlich zu den Pilzen selbst erzeugt werden können. Gourmet-Pilzsorten wie Austern und Shiitake sind ein Premium-Produkt. Im Vereinigten Königreich beispielsweise liegt der Einzelhandelspreis bei etwa 13 €/kg, verglichen mit 3 €/kg für Kirschtomaten. Champignons können in nur 3 bis 4 Wochen von Anfang bis Ende wachsen, und auf einer 10 m2 grossen Anbaufläche können 10 kg Pilze pro Woche produziert werden. Neben der Möglichkeit, ihre Kosten zu senken, indem sie kostenloses Substrat für den Anbau ihrer Produkte verwenden, haben städtische Pilzfarmen im Vergleich zu städtischen Farmen, die Blattgemüse und Fruchtkulturen anbauen, viel geringere Betriebskosten: Im Gegensatz zu Pflanzen können Pilze auch ohne Licht wachsen, so dass keine teuren LED-Zuchtleuchten erforderlich sind, obwohl farbige Austernsorten Licht benötigen, um sich zu färben. Kellerräume eignen sich perfekt für die Pilzzucht, da es relativ einfach ist, sowohl die Temperatur als auch die Luftfeuchtigkeit zu stabilisieren, solange man einen guten Luftstrom aufrechterhalten kann, und sie sind auch ein sehr üblicher Raum in den Städten. 13.6 Schlussfolgerungen Die kommerzielle urbane Landwirtschaft in Innenräumen erfordert Ingenieure, Gartenbauexperten, Datenwissenschaftler, HLK-Spezialisten, Pflanzenwissenschaftler und mehr, die alle über das Wissen und das Verständnis für eine Landwirtschaft mit kontrollierter Umwelt verfügen. Der «urban Farmer» ist auch mit einer spezifischen Logistik und einem nachgeschalteten Lieferkettenmanagement konfrontiert und muss daher sowohl die geschäftlichen als auch die betrieblichen Aspekte der städtischen Landwirtschaft kennen. Themen wie Marktanalyse, Betriebsführung, Arbeitsmodellierung, Marketing, Preisfestsetzung, Logistik und Vertrieb sind Schlüsselkomponenten, die alle städtischen Betriebe nutzen. Die kommerzielle urbane indoor-Landwirtschaft ist ein neues und relativ unerprobtes Geschäftsfeld. In den Megastädten Ostasiens und des Nahen Ostens hat sie das Potenzial, einen bedeutenden Beitrag zur Lebensmittelversorgungskette zu leisten. In Nordamerika und Europa hingegen können urbane Betriebe aufgrund ihrer begrenzten Grösse und der höheren 321 Produktionskosten pro Produktionseinheit einfach nicht mit den landwirtschaftlichen Betrieben in der Umgebung der Stadt und auf dem Land konkurrieren, und es ist daher unwahrscheinlich, dass es zu weitreichenden Änderungen der Gesetzgebung und der Regierungsführung kommen wird, die sie erleichtern würden. Sie bieten jedoch die Möglichkeit, hochwertige, hochwertige Produkte zu schaffen, die hochprofitabel sein können. Zwar können die Obst- und Gemüseprodukte in Europa nicht als "biologisch" vermarktet werden, da die Zertifizierung auf bodengebundene Betriebe beschränkt ist, doch können Prämienpreise erzielt werden, indem der lokale Charakter der Produktion betont wird und nicht die Technologie, die zu ihrer Herstellung eingesetzt wurde. Andere hochwertige Produkte, deren Anbau in indoor-Systemen rentabel sein könnte, sind Heilpflanzen, Krokus (für Safran), Samphire, Brunnenkresse und Weinbergschnecken. Unabhängig vom Produkt, der Typologie des Betriebs - Dachgewächshaus, Pflanzenfabrik, Containerfarm usw. - muss dazu geeignet sein, und das Produkt muss zum Kundenstamm passen. Doch obwohl Qualitätsprodukte und -prozesse von grosser Bedeutung sind, entscheiden sie nicht über Erfolg oder Misserfolg eines Unternehmens: Das Schicksal eines Unternehmens hängt zunehmend von seiner Fähigkeit ab, das geeignete innovative Geschäftsmodell anzuwenden, das es von seinen Konkurrenten unterscheidet. 13.7 Referenzen Benis, K. & Ferrāo, P. 2018. Commercial farming within the urban built environment – Taking stock of an evolving field in northern countries. Global Food and Security 17, 30-37. Benis, K., Reinhart, C. & Ferrāo, P. 2017. Development of a simulation-based decision support workflow for the implementation of Building-Integrated Agriculture (BIA) in urban contexts. Journal of Cleaner Production 147, 589-602. Beytes, C. 2017. FarmedHere shuts down. Grower Talks. Buehler, D. & Junge, R. 2016. Global trends and current status of commercial urban rooftop farming. Sustainability 8 (11), 1108. 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Diese Prämisse scheint durch vergleichende Studien vertikaler und horizontaler hydroponischer Systeme unterstützt zu werden, die eine deutlich höhere Produktivität in vertikalen Systemen in Bezug auf das Verhältnis von Ertrag und belegter Bodenfläche zeigten (Liu et al. 2004; Neocleous et al. 2010; Ramírez-Arias et al. 2018; Ramírez-Gómez et al. 2012; Touliatos et al. 2016). Obwohl die optimale Raumnutzung der am häufigsten genannten Vorteil der vertikalen Aquaponik ist, wird dies jedoch potenziell durch die verschiedenen Nachteile aufgewogen. Beispielsweise ist Biofouling8 in einer Aquaponik sehr häufig. Vertikale Systeme sind besonders anfällig für Verstopfungen und reduzierte Durchflussraten, die die Pflanzen unter Umständen aushungern können, so dass eine routinemässige Druckwäsche der Systemkomponenten erforderlich ist, um dies zu vermeiden (Patillo 2017). Während ein System mit horizontaler Strömung nur Elektrizität verwendet, um das Wasser zu den Fischbecken zurückzupumpen, sind bei vertikalen AquaponikSystemen zusätzliche Pumpen erforderlich, um das Wasser nach oben zu befördern. Der Anbau von Pflanzen auf horizontalen Beeten hat den Vorteil, dass in einem freistehenden Gewächshaus natürliches Licht theoretisch von allen Seiten ohne Blockierung durch andere Geräte und Systemkomponenten durchgelassen wird und dass, wenn erforderlich, diese leicht und störungsfrei direkt über den Pflanzen angebracht werden können. Bei der vertikalen Aquaponik wird jedoch das natürliche Licht von oben in Richtung des oberen Teils des Systems grösser sein als von unten, und die vertikalen Elemente selbst werden das in das Gewächshaus eindringende Licht blockieren. Daher wird künstliche Beleuchtung erforderlich sein, um diese Verluste auszugleichen (Khandaker & Kotzen 2018). Vor der Aufnahme der vertikalen Aquaponik müssen sorgfältige Kosten-Nutzen-Analysen durchgeführt werden, bei denen die Vorteile potenziell höherer Erträge gegen die zusätzlichen Stromkosten abgewogen werden müssen. Es gibt viele verschiedene vertikale hydroponische Systeme, die potenziell mit einer Fischproduktionseinheit kombiniert werden könnten. Der vertikale Anbau kann mehrere Schichten von Tiefwasserkultur, NFT, Flut- und Drainagesystemen oder aeroponische Anzuchttürme umfassen, bei denen die Pflanzenwurzeln in der Luft schweben und mit nährstoffreichem Wasser besprüht werden. Das Design des Systems wird bestimmen, wie viele Pflanzen pro Quadratmeter angebaut werden können, und wird auch die Erträge beeinflussen. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass das Wachstum von Wurzeln und Sprossen, die Beziehungen zwischen Pflanze und Wasser, die Nährstoffaufnahme, die Transpiration und der Ertrag durch die Wurzelbeschränkung in erdloser Kultur beeinträchtigt werden. Pflanzen können anfälliger für Wachstumsanomalien sein, wie z.B. Blüten- und Endfäule bei Tomaten und Paprika und Blattspitzenbrand bei Salat. Je kleiner die Wurzelzone ist, desto 8 Pflanzlicher und tierischer Aufwuchs an der Oberflächen und an Zielorganismen 325 intensiver muss das Produktionssystem gesteuert werden, um eine stressfreie Rhizosphärenumgebung für ein optimales Pflanzenwachstum zu schaffen (Heller et al. 2015). 14.2 Anzuchttürme Anzuchttürme sind vertikale Rohre, durch die nährstoffreiches Wasser von oben, normalerweise durch einen Tropfstrahler, verteilt wird, wodurch im Inneren des Turms "Regen" entsteht, der über die Pflanzenwurzeln tropft, die in der Luft schweben. Die Türme oder Säulen können entweder leer oder mit einem Substrat gefüllt sein, das die Wurzeln stützt und die Wasserverteilung unterstützt. In seiner einfachsten Form kann ein wachsender Turm ein Abschnitt eines PVC-Rohrs mit seitlich eingeschnittenen Löchern sein. In ihrer vergleichenden Studie über Salat, der in einem hydroponischen Turmsystem und einem konventionellen horizontalen NFT-System angebaut wurde, stellten Touliatos et al. 2016 fest, dass das Turmsystem 13.8 Mal mehr Ernte als das horizontale System produzierte, berechnet als Verhältnis von Ertrag zu belegter Bodenfläche. Das mittlere Frischgewicht der im horizontalen System angebauten Salate war jedoch deutlich höher als das der im vertikalen System angebauten Salate. Während die Pflanzenproduktivität im horizontalen System gleichförmig war, nahm das Frischgewicht der Triebe von der Spitze bis zur Basis des Turms ab, was höchstwahrscheinlich auf Unterschiede in der Nährstoffverfügbarkeit und Lichtintensität zurückzuführen ist. Ähnliche Lichtgradienten wurden in anderen Gewächshausversuchen mit hydroponischen Turmsystemen berichtet (Liu et al. 2004; Ramírez-Gómez et al. 2012). Erdbeeren, die in vertikalen, mit Perlit gefüllten PVC-Türmen mit einer Pflanzdichte von 32 Pflanzen/m2 angebaut wurden, erbrachten einen marktfähigen Ertrag von 11.8 kg/m2.Allerdings wurde der Ertrag pro Pflanze bei jeder Abnahme um 30 cm in der Höhe des Turms um 40 g reduziert, was auf suboptimale Lichtverhältnisse in den unteren Teilen des Turms zurückzuführen ist (Durner 1999). Auch der Durchmesser der Türme wird sich auf das Pflanzenwachstum auswirken. Die Wassergehaltswerte in hohen und schmalen Türmen werden niedriger sein als in kürzeren und breiten Türmen mit gleichem Volumen an Wachstumsmedium pro Längeneinheit. Zudem werden die Wurzeln der Pflanzen grösseren täglichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein, die die Nährstoffaufnahme beeinflussen und den Kohlenhydratstoffmetabolismus in der Wurzel stören können, was zu einem gehemmten Wachstum führt (Heller et al. 2015). Das Aeroponik-System von Tower Farms (Abbildung 1) ist modular aufgebaut: Ein drei Meter hoher Turm könnte 52 Blattgemüse, Kräuter oder Obstpflanzen oder 208 Mikrogrün anbauen. Jeder PVCTurm ist mit einer kleinen 50-W-Pumpe und einem Timer ausgestattet, der die Pumpe in einem kontinuierlichen Zyklus für 3 Minuten ein- und für 12 Minuten ausschaltet. Obwohl technisch gesehen jeder Turm eine Grundfläche von weniger als 1 m² hat, bieten 2 m² pro Turm genug Platz für die Türme, die Dosierstation, den Gangabstand und die Ausbreitungsfläche. In Europa wird das System der Tower Farms von Ibiza Farm vertrieben. Love et al. (2015) stellten in ihrer Umfrage unter kommerziellen Aquaponikherstellern fest, dass fast ein Drittel dieser Anzuchttürme verwendet werden. Es fehlen jedoch Vergleichsdaten zu den Erträgen von Aquaponik-Turmsystemen und konventionellen horizontalen Aquaponik-Systemen. ZipGrow ist eine vertikale Hydrokultur-Technologie, die von Bright Agrotech, die ein vertikales Aquaponik-System mit 400 Türmen in Laramie, Wyoming, betreibt, für die Produktion von Pflanzen mit hoher Dichte entwickelt wurde (Abbildung 2). Ein Turm belegt die Fläche von 0.7 m2. Die Ernte wird in einen Kanal gepflanzt, der sich über die Länge einer Seite jedes starren UV-beständigen PVC-Vierkantrohrs 326 erstreckt. Die Pflanzen wachsen in dem firmeneigenen, patentierten Wachstumsmedium namens Matrix Media, das aus recycelten Wasserflaschen und einem Silikonoxid-Bindemittel hergestellt wird. Abbildung 1: Das Tower Farm System (https://ibiza.farm/) Das Kultursubstrat, das mit Hilfe von Tropfern von oben bewässert wird, bietet viele Vorteile für das aquaponische System. Erstens hat sie eine extrem hohe biologische Oberfläche von etwa 82-88 m2/m3, was dem System sehr hohe Nitrifikationsraten ermöglicht und ein gesundes Pflanzenwachstum fördert. Zweitens hat es aufgrund seiner faserigen Beschaffenheit einen Hohlraumanteil von 91%. Diese hohe Porosität schafft ein hochgradig aerobes Milieu für die Pflanzenwurzeln und die Sauerstoffanreicherung des durch den Turm tropfenden Nährwassers und ermöglicht zudem hohe Perkolationsraten. Schliesslich können sich aufgrund der aeroben Umgebung Feststoffe auf den Medien sammeln und zersetzen, ohne eine anaerobe Mikroumgebung zu schaffen (Michael 2016). In Europa wird das ZipGrow-System von Refarmers vertrieben. Ein Standardturm von 152 cm bietet mechanische und biologische Filterung für 0.7 bis 1.1 kg geschlechtsreife Fische. Es wird eine Besatzdichte zwischen 12 kg und 15 kg pro m3 empfohlen. Wie oben erwähnt, kommt es bei den meisten Turmsystemen zu einem starken Lichtverlust. Dies gilt insbesondere für 4-seitige Systeme, die selbst bei grosszügigen Abständen fast 90% Lichtverlust von der oberen Vorderseite bis zur unteren Rückseite der Turmmasse erfahren. Zip-Grow-Türme bieten hier mehrere Lösungen. Ein 1.5 Meter hoher ZipGrow-Turm kann je nach Sorte 8-10 salatgrosse Pflanzen oder 5-8 basilikumgrosse Pflanzen wachsen lassen (Abbildung 2). Es gibt drei Konfigurationen der ZipGrow-Türme, die ein Landwirt je nach Einrichtung und Kulturart verwenden kann: Massenkonfiguration, Linienkonfiguration und gegenüberliegende Gänge Landwirte können auch durch den Einsatz von Förderband-Systemen (Conveyor-Belt) Licht sparen (Abbildung 3). Massenkonfigurationen von Türmen, die in Reihen auf einem Gestell hängen, sind normalerweise die beste Option für kommerzielle Produzenten, die hohe Erträge erzielen wollen. Wenn die ZipGrowTürme so aufgestellt und ordnungsgemäss betrieben werden, sind 0.7 m2 pro Turm mehr als genug, um gute Erträge mit natürlichem Licht zu erzielen. 50 cm Abstand zwischen den Reihen ermöglichen den Zugang zu den Türmen. Die Türme können auch an Wänden montiert werden (Abbildung 4). 327 Abbildung 2: Das ZipGrow-System (https://www.greenlifeplanet.net/product-page/zipgrow-tower) Abbildung 3: Konfigurationen und Anbauschemata für ZipGrow-Türme https://info.brightagrotech.com/hubfs/blog-files/Infographics/ZipGrow_Tower_Spacing_Guide_Bright_Agrotech.pdf 328 Abbildung 4: An der Wand montiertes ZipGrow-System https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Urban_Vertical_Farm_With_Woman_%26_Child.jpg Das ZipGrow-System wurde in der GrowUp Box eingesetzt, einer gemeinschaftlichen Aquaponik-Farm mit einem Dachgewächshaus im Zentrum Londons (Abbildung 5). Die GrowUp-Box hat eine Grundfläche von nur 14 Quadratmetern und kann jährlich über 435 kg Salate und Kräuter und 150 kg Fisch produzieren. Abbildung 5: Die GrowUp-Box https://www.timeout.com/london/things-to-do/growup-box-tours In den USA hat NaturePonics BooGardens (Abbildung 6) entwickelt, ein vertikales System, das in Indonesien und auf den Philippinen angebauten Bambus verwendet, der für Aquaponik-, Hydroponikoder Aeroponik-Anwendungen im privaten und kommerziellen Bereich eingesetzt werden kann. Der 329 für die Herstellung der Türme geerntete Bambus wächst wieder nach und kann drei Jahre später wieder geerntet werden, was ihn zum nachhaltigsten wachsenden Turmsystem macht, das derzeit auf dem Markt erhältlich ist. Abbildung 6: BooGardens kommerzielle Aquaponikeinheit http://www.natureponics.net/boo-gardens/ Eine Variation von Anbautürmen ist das Stapeltopfsystem, wie es von Verti-Gro für den hydroponischen Anbau hergestellt wird. Die fünf-Liter-EPS-Töpfe, die eine Isolierung für ein verbessertes Wurzelwachstum bieten, können bis zu zehn Töpfe hochgestapelt werden, wobei jeder Topf ausreichend Platz für vier Pflanzen bietet. Die Töpfe sind auf Drehtellern auf einem PVC-Steigrohr montiert, was bedeutet, dass sie für einen gleichmässigen Lichteinfall leicht gedreht werden können (Abbildung 7). Das System, das 1994 patentiert wurde, wurde einer Reihe von wissenschaftlichen Bewertungen unterzogen. Es wurde festgestellt, dass die Stapel mit 6 Töpfen sowohl hinsichtlich der Biomasse, des Ertrags als auch der Fruchtqualität signifikant besser abschnitten als die Stapel mit 7 oder 8 Töpfen, da sich die Zusammensetzung der Nährlösung beim Durchgang durch die Säule veränderte und das Pflanzenwachstum im unteren Bereich negativ beeinflusste (Al-Raisy et al. 2010). Licht kann auch ein Problem sein: Die Intensität des Sonnenlichts, das das Pflanzendach am unteren Ende eines Turms mit sieben Töpfen erreichte, betrug nur 10% der Intensität, die die Spitze erreichte, und die suboptimalen Lichtverhältnisse im mittleren und unteren Teil beeinträchtigten das Wachstum der Erdbeerpflanzen und den Ertrag der Früchte. Die Pflanzen in diesen Abschnitten entwickelten keine optimale Anzahl von Astkronen und produzierten in der Folge weniger Früchte als die Pflanzen im oberen Abschnitt (Takeda 2000). Die Qualität der Früchte wurde auch durch die Position der Pflanzen auf dem Turm beeinflusst, wobei die Pflanzen der obersten Stufe eine höhere Gesamttrockenmasse (TSS) und einen niedrigeren titrierbaren Säuregehalt aufwesen als die Pflanzen der unteren Stufen (Murthy et al. 2016). Eine vergleichende Studie über die hydroponische Erdbeerproduktion mit Stapeln von vier Verti-Gro-Töpfen und zwei Arten von horizontalen Systemen ergab, dass die geringere Lichtintensität am Fuss des Turms und die daraus resultierende niedrigere Photosyntheserate im Vergleich zu den horizontalen Systemen zu einer geringeren Anzahl von Früchten, einem geringeren Fruchtgewicht und weniger vermarktbaren Früchten führte. Schwache Lichtverhältnisse führen zu einer Sterilität der Staubblätter und einer schlechten Pollenqualität und damit zu einer Verringerung der Befruchtungsrate, was zu einer fehlerhaften Fruchtproduktion beitragen kann (Karimi et al. 2013). 330 Die Vorteile, die sich aus der Möglichkeit ergeben, hohe Pflanzendichten in Wachstumstürmen zu erzielen, müssen mit dem Platzbedarf für eine gleichmässige Lichtverteilung sowie dem für die Verwaltung und Wartung erforderlichen Reihenplatz in Einklang gebracht werden. Die Reihenbreite muss sicherstellen, dass die Produktion nicht durch das Bewegen von Gegenständen wie Waagen und Scherenhebebühnen beeinträchtigt wird. Die Pflanzlichter behindern die Bewegungen der Menschen und müssen daher entweder Teil der Anbaustruktur sein, oder sie müssen einziehbar oder beweglich sein, so dass die Arbeiter leicht Aufgaben übernehmen können, oder die Pflanzstrukturen müssen beweglich sein und die Lichter müssen statisch bleiben. Die gestapelten Topfsysteme eignen sich am besten für den Anbau grosser und schwerer Pflanzen, wie z.B. Obstpflanzen. Auf der Aquaponik-Farm Flow in Denton, Nebraska, werden Türme aus gestapelten Töpfen für den Anbau von Tomaten und Gurken sowie Kräutern verwendet (Abbildung 8). Abbildung 7: Verti-Gro-System: Typischer Grow Tower mit unterirdischer Installation https://www.vertigro.com/Verti-Gro-4-Tower-System-Automatic-p/vgk-16agp.htm 331 Abbildung 8: Wachsende Türme im «Grow with the flow” Aquaponik-Anlage https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vertical_Tower_Aquaponic_System.jpg 14.3 Gestapelte horizontale Beete Bei dieser Art von System werden horizontale Anzuchtbetten vertikal in Reihen gestapelt. Diese Anordnung bedeutet, dass in einem Gewächshaus nur das obere Beet direkt dem natürlichen Licht ausgesetzt ist und die unteren Beete zusätzlich beleuchtet werden müssen, normalerweise durch Leuchten, die an der Unterseite des darüber liegenden Beetes angebracht sind. Während dies im Prinzip bedeutet, dass die Anzuchtbeete so hoch gestapelt werden könnten, wie es das Gewächshaus oder die Produktionseinheit erlaubt, bedeutet das in der Praxis, dass das System durch die Anzucht in der Höhe schwieriger zu handhaben ist, da es den Einsatz von Scherenhebebühnen für die Pflanzung, die Wartung und die Ernte sowie zusätzliche Energie zum Pumpen des Wassers auf alle Ebenen erfordert. Je kleiner die Pflanze, desto mehr Lagen können in das System eingefügt werden, was bedeutet, dass die meisten gestapelten horizontalen Beete für den Anbau von Mikrogrün verwendet werden. Die Anzuchtbeete können DWC, NFT oder Medienbeete sein. In Grossbritannien produziert Hydrogarden beispielsweise verschiedene Modelle des V-Farms: Das vier- und fünfstufige NFT-System, das für Kräuter, Blattgemüse und Erdbeeren geeignet ist, kann bis zu 35 Pflanzen/m2 aufnehmen, während das fünfstufige Flut- und Drainagesystem 4,6 m2 Mikrogrün auf einer Grundfläche von 1m2 wachsen lassen kann. Das kanadische Unternehmen VertiCrop hat ein vollautomatisches, geschlossenes NFT-Förderband mit hoher Dichte und hydroponischer vertikaler Landwirtschaft entwickelt (Abbildung 9). Das System wurde auf dem Dach des Gewächshauses Local Garden in Vancouver installiert, um Mikrogrün, Blattgemüse und Kräuter anzubauen. 3’000 Pflanzentabletts, die 12 meter hochgestapelt sind, bewegen sich auf einem Hängefördersystem, wodurch eine maximale Sonneneinstrahlung für jede Pflanze gewährleistet wird. 332 Abbildung 9: Das VertiCrop-System (https://grow.verticrop.com/vertical-farming/) Das von Friendly Aquaponics in den USA entwickelte Verticalis-System (Abbildung 10) besteht aus Gestell mit NFT-Kanälen die in Reihen in einen Gewächshauses eingesetzt werden können. Falls sie besonders eng platziert werden, ist der Einsatz von Kunstlicht nötig und so kann es 300 Pflanzen/m2 erzeugen. Die Rollen auf dem Sockel der Gestelle vereinfachen die Bewegung, und jedes Gestell kann aus der Einheit herausgeschoben werden, um die Pflanz-, Wartungs- und Erntearbeiten zu erleichtern. Abbildung 10: Das Verticalis-System https://www.friendlyaquaponics.com/product/vertical-aquaponics-growing/ Es hat nur wenige Versuche gegeben, die Aquaponik in kommerzielle vertikale Farmen zu integrieren. Mit 8’361 m2 wurde FarmedHere in Chicago (Abbildung 11) als die erste ihrer Art und als die grösste vertikale Indoor-Farm in Amerika gehypt. Er wurde 2013 eröffnet und sollte ein neues Modell für den effizienten Anbau von Produkten auf High-Tech-Basis werden. Aufgrund hoher Energie- und Arbeitskosten wurde sie jedoch 2017 geschlossen. Der FarmedHere befand sich in einem zweistöckigen, fensterlosen Lagerhaus. Durch das vertikale Stapeln der Fischbecken und DWC333 Anzuchtbeete umfasste die Anlage 13’935 m2 Anbaufläche (1.4 Hektar) und produzierte 136’000 kg Blattgemüse und Kräuter pro Jahr (Al-Kodmany 2018). Abbildung 11: FarmedHere, Chicago https://www.wsj.com/articles/vertical-farming-takes-root-1449237679 Die «Greens and Gills» wurden 2012 im Untergeschoss von The Plant, Chicago, eröffnet (siehe auch Kapitel 13). Die 300 m2 grosse Farm nutzte ein 6-stufiges DWC-Aquaponik-System für den Anbau von Blattgemüse, Kräutern und Mikrogrün. Die Buntbarsch und das Grünzeug wurden an Restaurants, Lebensmittelgeschäfte und lokale Händler verkauft. Das Unternehmen schloss 2015 und die Anlage wurde mit einem Verkaufspreis von 255’000 Dollar (Sijmonsma 2015) auf den Markt gebracht. Es blieb jedoch unverkauft, und das Aquaponik-System wird derzeit von Plant Chicago für monatliche Trainingskurse genutzt. In Grossbritannien kombinieren GrowUp Urban Farms Aquaponik mit vertikalen Anbautechnologien und Controlled Environment Production (CEP), um das ganze Jahr über Ernten von Salaten und Kräutern zu produzieren. Ab 2015 betrieb GrowUp die "Unit 84", eine städtische Aquaponik-Farm im kommerziellen Massstab in einem industriellen Lagerhaus im Osten Londons (Abbildung 12). Die 762 m2 Anbaufläche konnten mehr als 20’000 kg Salate und Kräuter (genug für 200’000 Salatsäcke) und 4’000 kg Fisch pro Jahr produzieren. Die Einheit wurde 2017 geschlossen, da das vergleichsweise geringe Produktionsvolumen das Geschäft nicht rentabel machte. 334 Abbildung 12: Unit 84, London https://www.growup.org.uk/gallery/62tsypmu00xml48fks0sjme3rhdg2s Edenworks in New York baut Microgreens an, indem es in einem fensterlosen Lager vier übereinander gestapelte DWC-Betten verwendet. Ihre verzehrfertigen Microgreens -Mischungen - Brokkoli, Rotkohl und Grünkohl sowie Radieschen, Rotkohl und Senfgrün - werden in örtlichen Lebensmittelgeschäften verkauft, während die Tilapia entweder an lokale Organisationen gespendet oder bei Firmenveranstaltungen serviert werden. Edenworks hat auch das 'Farmstack'-System für Gewächshäuser auf Dächern entwickelt. Das 75 m2 grosse Prototyp befindet sich auf einem Industriegebäude in Brooklyn (Abbildung 13). Das Wasser aus den Tilapia-Fischbecken, die sich am unteren Ende jedes 3 Meter hohen Pflanzgestells befinden, wird nach oben gepumpt und dann durch die verschiedenen Ebenen und zurück in das Becken gefiltert. Abbildung 13: Das Aquaponik-Dachgewächshaus von Edenworks https://viewing.nyc/edenworks-rooftop-aquaponic-farmlab-uses-tilapia-fish-to-grow-fresh-produce/ 335 14.4 A-Rahmen-Systeme A-Rahmen-Systeme bestehen aus einer abgestuften Anordnung von hydroponischen Kanälen (Sánchez-Del-Castillo et al. 2014) oder aus abgewinkelten Geotextilplatten für den Aeroponik-Anbau (Hayden 2006). Obst tragende Pflanzen, die in den unteren Abschnitten eines A-Rahmensystems wachsen, können unter einer Teilverschattung leiden und folglich eine hohe Anzahl kleiner und missgebildeter Früchte produzieren sowie eine erhöhte Fruchtfäule erleiden und Probleme mit der Fruchtfärbung aufweisen. Dies lässt sich vermeiden, indem man Systeme mit Anzuchtbetten verwendet, die langsam um den A-Rahmen rotieren, um sicherzustellen, dass die Pflanzen beim Durchgang durch verschiedene Punkte in der Struktur gleichmässiges Sonnenlicht, Bewässerung und Nährstoffe erhalten. Das von Sky Greens in Singapur entwickelte A-Go-Gro (AGG)-System (Abbildung 14) beispielsweise besteht aus hohen A-Rahmen aus Aluminium und Stahl, die bis zu 9 Meter hoch sein können, mit 38 Reihen von Wachstumsrinnen, die entweder Erde oder hydroponische Lösung enthalten können. Jeder Rahmen hat eine Grundfläche von nur 5.6 m2, und das System ist in der Lage, 1’000 Tonnen Gemüse pro Hektar und Jahr zu produzieren. Die Rahmen sind in lichtdurchlässigen Gewächshäusern untergebracht, und die Drehung der Tröge mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/s bedeutet, dass jeder Trog dreimal täglich um den Rahmen rotiert, was eine gleichmässige Verteilung des Sonnenlichts und eine gute Luftzirkulation gewährleistet und die Notwendigkeit einer künstlichen Beleuchtung in einigen Bereichen des Gewächshauses reduziert oder sogar eliminiert. Die Rotation wird durch ein patentiertes kohlenstoffarmes Hydrauliksystem angetrieben, das die Schwerkraft effizient nutzt und daher wenig Energie verbraucht; für den Antrieb eines Rahmens werden nur 60 W benötigt. Regenwasser, das in einem oben liegenden Reservoir gesammelt wird, fliesst durch das Wasserrollsystem nach unten und wird dann durch eine von einem Generator angetriebene Pumpe wieder nach oben in das Reservoir geleitet (Al-Kodmany 2018). Abbildung 14: A-Rahmen-System bei Sky Greens, Singapur http://www.skygreens.com/wp-content/uploads/2014/05/Skygreens-Vertical-Farm1.jpg 336 THORILEX Ltd. hat ein zum Patent angemeldetes Aquaponik-System entwickelt, bei dem die Pflanzen auf A-Rahmen aus rostfreiem Stahl in einer Höhe von 3 bis zu 8 Metern angebaut werden (Abbildung 15). Pflanzenbehälter, die zur Optimierung des Wurzelwachstums und zur Maximierung der Nährstoffaufnahme konzipiert sind, werden in doppelten Reihen in Edelstahlkanälen platziert. Die Pflanzenbehälter drehen sich dann um den Rahmen, so dass sie von den über jedem Rahmen positionierten LEDs gleich viel Licht erhalten. Die selbstreinigenden Fischbecken aus Edelstahl gibt es in zwei Grössen, für Jungfische und Fische in Marktgrösse. Das System ist daher für den kommerziellen Anbau anpassbar und skalierbar (Abbildung 16). Derzeit ist das System nur in dem 2 Hektar grossen THORILEX-Vorstellungsbetrieb in der Tschechischen Republik zu finden, aber es ist beabsichtigt, dieses innovative System auf die Märkte der ganzen Welt zu bringen. Aus diesem Grund entwirft THORILEX Produkte nach dem 'IKEA-Modell': Sie sind hochgradig modular und können daher mit minimalen Kosten einfach verpackt, versandt und geliefert werden. Abbildung 15: Das THORILEX-System (http://thorilex.com/) Abbildung 16: Die kommerzielle Aquaponik-Farm THORILEX (http://thorilex.com/) 337 Das von der chinesischen Jiangsu Skyplant Greenhouse Technology Company (Abbildung 17) entwickelte A-Rahmen-Hydroponiksystem könnte auch für die Aquaponik verwendet werden. Die Installation hat eine Grundfläche von 5 m2, und jeder der lebensmittelechten PVC-U-Kanäle enthält 25 Löcher, was zu 250 Pflanzen pro Struktur oder 50 Pflanzen/m2 führt. Abbildung 17: Das System der Jiangsu Skyplant Greenhouse Technology Company http://www.spgreenhouse.com/jiangsu-skyplan-greenhouse-technology-co-ltd.html 14.5 Grüne Wände Grüne Wände werden in der Architektur häufig eingesetzt, um ästhetische, ökologische und ökologische Vorteile in urbanen Gebieten zu erzielen. Die modularen Paneele, die aus PolypropylenKunststoffbehältern oder geotextilen Matten bestehen, unterstützen Pflanzen, die nicht nur in optischer Hinsicht, sondern auch in Bezug auf die Ökosystemleistungen, die Biodiversität, die thermische Effizienz und die Verbesserung der Luftschadstoffe Vorteile bieten, und das alles bei einem sehr geringen Platzbedarf am Boden (Manso & Castro-Gomes 2015; Perini et al. 2013). Zwei Universitäten haben das Potenzial für grüne Wände für den Anbau von essbaren Nutzpflanzen in Aquaponik untersucht. An der Universität von Greenwich, Grossbritannien, wurde eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um den am besten geeigneten Systemtyp und das beste Kultursubstrat (Khandaker. & Kotzen 2018) zu bestimmen. Beim ersten Versuch wurde eine Terapia Urbana Fytotextile Wohnwandplatte verwendet. Dieses halbhydroponische modulare Paneel-System wird aus einem patentierten geotextilen Gewebe hergestellt, das aus drei Schichten synthetischen und organischen Materials besteht, darunter PVC, Fytotextil und Polyamid. Jeder Quadratmeter fasst bis zu 49 Pflanzen in einzelnen Taschen. Abhängig von der angebauten Gemüseart können somit ca. 98 Pflanzen/m2 mit Rücken-an-Rücken-Elementen in diesem lebenden Wandsystems angebaut werden, im Gegensatz zu nur 20-25 Blattgemüse pro m2 in einem horizontalen System. Die Filzplatte wurde an einer nach Osten gerichteten Aussenwand befestigt und mit sieben verschiedenen Pflanzen (Spinat, Basilikum, Zichorie, Spargelerbsen, Salat, Minze und Tomate) in sieben verschiedenen Nährböden (gartenbauliche Mineralwolle, Vermiculit, Holzkohle, Kokosfaser, Torfmoos, Teichalgen und Stroh) 338 bepflanzt. Jede Pflanzenart wurde vertikal in Spalten und das Wachstumsmedium horizontal in Reihen angeordnet (Abbildung 18). Aus einem Aquaponik-Tank mit zusätzlichen hydroponischen Nährstoffen wurde Wasser in ein internes Tropfbewässerungsrohr gepumpt. Das Wasser floss dann an der Rückseite der Platte hinunter, wo es dem Substrat und den Pflanzenwurzeln zur Verfügung gestellt wurde. Überschüssiges Wasser tropfte vom Boden der Wohnwandplatte in eine Rinne und dann zurück in den Wassertank (Khandaker & Kotzen 2018). Abbildung 18: Die Terapia Urbana-Wohnwand (Fotos: M. Khandaker) Die Ergebnisse des ersten Versuchs zeigten, dass Mineralwolle und Vermiculit die besten Substrate waren, was zu einem grösseren Ertrag und besserem Wurzelwachstum führte. Die Pflanzen oben und an den Seiten zeigten die beste Leistung, was darauf hindeutet, dass die Pflanzen in der Mitte der Wand überschattet wurden. Das Hauptproblem bei dieser Art von lebenden Wänden war jedoch, dass die Pflanzenwurzeln in das Geotextil hineinwuchsen, was die Ernte erschwerte. Würde man Schnittsalat (nachwachsende Sorten) anbauen, wäre dies kein Thema (Khandaker & Kotzen 2018). Das zweite Experiment wurde neben Experiment 1 mit dem Topf-System der Green Vertical Garden Company (GVGC) durchgeführt. Die einzelnen Pflanzgefässe wurden an einem Verstärkungsnetz aus Edelstahl befestigt, das fünf horizontale Reihen und acht vertikale Spalten mit Töpfen aufweist. Es wurde nur eine Pflanze (Basilikum) über die gesamte lebende Wand verwendet, wobei in den vertikalen Säulen verschiedene Wachstumsmedien verwendet wurden (je zwei Säulen aus Hydroleca, Vermiculit, gartenbaulicher Mineralwolle und Kokosfaser) (Abbildung 19). Das System wurde mit einem Bewässerungsrohr bewässert, um die obere Topfreihe mit nährstoffreichem Wasser zu versorgen, und das Wasser floss dann durch jeden Topf über ein kleines Bewässerungsrohr aus einem Loch am Boden jedes Topfes in den darunter liegenden. Im dritten Versuch wurde das GVGC-System und eine Pflanze (Chicorée) in je zwei Säulen aus Hydroleca, Vermiculit, gartenbaulicher Mineralwolle und Kokosfaser (Khandaker & Kotzen 2018) gepflanzt. 339 Abbildung 19: Die Wohnwand der Green Vertical Garden Company (Fotos: M. Khandaker) Im zweiten und dritten Versuch schnitten Basilikum und Chicorée am besten in der Kokosfaser und der Mineralwolle ab. Die Verwendung dieser beiden Substrate hat Vor- und Nachteile. Während Kokosfasern und die darin enthaltenen Wurzeln leicht kompostiert werden können, kann es bei der Verwendung in einem System mit kleinen Bewässerungsrohren zu Verstopfungen kommen. Gartenbau-Mineralwolle ist gut, aber sie lässt sich nicht ohne weiteres recyceln und wird daher wahrscheinlich als weniger nachhaltig angesehen. Hydroleca und Vermiculit waren schwieriger zu bearbeiten, da das Material bei der Pflanzung und bei der Ernte leicht verdrängt wurde. Auch hier führte die Überschattung dazu, dass die Pflanzen in der Mitte der Mauer weniger gut wuchsen (Khandaker & Kotzen 2018). Forscher an der Universität Sevilla, Spanien, haben die Leistung eines Filztaschen-Wohnwandsystems mit kleinmassstäblichen NFT- und DWC-Systemen für den Anbau von Salat und Goldfischen in einem Gewächshaus (Peréz-Urrestarazu et al. 2019) verglichen. Das lebende Wandsystem besteht aus zwei Schichten, wobei die äussere aus einem porösen Material besteht, um die Belüftung der Wurzeln zu begünstigen, und die innere aus Geotextil, das zur Verteilung des Wassers beiträgt. Die Tafel war um 20° gegenüber der Vertikalebene abgewinkelt. Die Pflanztaschen wurden mit Blähton gefüllt, um eine bessere Belüftung der Wurzelzone zu begünstigen, da der Filz ständig Wasser aufnehmen sollte. Obwohl die Wohnwand eine maximale Kapazität von 20 Pflanzen/m2 hat, wurden nicht alle Taschen genutzt, um eine gleichwertige Bepflanzungsdichte wie die beiden anderen Systeme zu erreichen. In Bezug auf die Produktivität der Anlage hatte die lebende Wand die schlechteste Leistung der drei Systeme. Ein Teil davon könnte auf einen geringeren Strahlungseintrag aufgrund der vertikalen Beschaffenheit des Anbaugebiets zurückzuführen sein, auch wenn es eine leichte Neigung hatte. Während sich das Wasser durch den Filz verteilte, war die Verdunstungsrate hoch, und der Blähton im Inneren der Taschen erhielt aufgrund des Gefälles nicht genügend Wasser und Nährstoffe; ein Substrat mit einer grösseren Kapillarwirkung, wie Perlit, hätte vielleicht dazu beigetragen, dieses Problem zu mildern. Ein weiteres Problem war das Wachstum von Algen auf dem Filz, das durch die feuchte Umgebung und den hohen Nährstoff- und Lichtgehalt verursacht wurde. Dies führte zu einer Konkurrenz zwischen den Pflanzen, was zu einem höheren Wasserverbrauch führte, zu Behinderungen 340 bei den Bewässerungsanlagen und zu einem höheren Zeitaufwand für die Wartung des Systems. Bei der Fischproduktion hingegen übertraf das Wohnwandsystem mit Filztaschen die NFT- und DWCSysteme. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass das Wasser aufgrund der hohen Verdunstungsrate häufiger nachgefüllt werden musste, was zu einer besseren Wasserqualität führte (Peréz-Urrestarazu et al. 2019). Die Ergebnisse der Studien von Khandaker & Kotzen 2018 und Peréz-Urrestarazu et al. 2019 deuten darauf hin, dass geotextile lebende Wände trotz der potenziell hohen Anzahl von Pflanzen, die in ihnen im Verhältnis zur belegten Bodenfläche angebaut werden können, aufgrund der Probleme mit dem Algenwachstum, der ungleichmässigen Biomasse und dem Ertrag sowie der Schwierigkeiten bei der Ernte der Pflanzen möglicherweise nicht die geeignetste Art von System für die vertikale Aquaponik sind. Darüber hinaus ist es wichtig, zu berücksichtigen, dass die meisten Geotextilien aus einem Polymer aus der Familie der Polyolefine, Polyester oder Polyamide sowie aus Additiven zur Verbesserung ihrer Stabilität bestehen. Im Laufe der Zeit und unter verschiedenen Bedingungen kann sich das Polymer in mikroplastische Partikel zersetzen, die von den Fischen aufgenommen werden könnten. Im Allgemeinen beschleunigt eine höhere Umgebungstemperatur die Abbaurate, und verschiedene Abbaumechanismen können synergetisch wirken. Das Auslaugen von Additiven ist auch dann wahrscheinlich, wenn sich mikroskopisch kleine Kunststoffpartikel gebildet haben, und kann sogar aus nicht abgebauten Materialien auftreten, da die Additive oft nicht kovalent an das Polymerrückgrat gebunden sind (Vé Wiewel & Lamoree 2016). Die Ökotoxikologie einer geotextilen lebenden Wand sollte daher vor der Verwendung im Aquaponik-System getrennt getestet werden. Ein Geotextil aus Biopolymeren, die aus Naturfasern wie Jute und Kokos hergestellt werden, wäre geeigneter als ein synthetisches Geotextil. Andere Arten von lebenden Wänden könnten ebenfalls geeignet sein, wie z.B. das von Biotecture hergestellte hydroponische System, das aus starren Kunststoffplatten besteht, die mit gartenbaulicher Steinwolle gefüllt sind. 14.6 Schlussfolgerungen Vertikale aquaponische Systeme können zwar die Anzahl der Pflanzen, die pro Flächeneinheit angebaut werden können, im Vergleich zu horizontalen Systemen erhöhen, aber es ist wichtig, dass sie auch zu höheren Erträgen führen. Aus kommerzieller Sicht hängen die Auswirkungen von Gradienten innerhalb einiger Arten von vertikalen Systemen auf den Wert der Ernte davon ab, wie die Ernte verarbeitet und vermarktet wird. Wenn beispielsweise Salat angebaut wird, um als einzelne Köpfe verkauft zu werden, dann wäre die ungleichmässige Produktivität von Anbautürmen, lebenden Wänden und statischen A-Rahmen-Systemen eine potenzielle Schwäche im Vergleich zu herkömmlichen horizontalen Aquaponik-Systemen oder vertikalen Stapelbeet-Systemen. Wenn die Ernte jedoch für vorgeschnittene Salatbeutel bestimmt ist, kann die Gleichmässigkeit der Ernte irrelevant sein, und der erhöhte Ertrag pro Flächeneinheit könnte ein wesentlicher Vorteil sein. Neben der Beeinträchtigung von Ertrag und Qualität kann auch die Effizienz der Ernte in vertikalen und mehrschichtigen horizontalen Systemen untergraben werden, da auf verschiedenen Höhen gearbeitet werden muss. Auch die Kosten der verschiedenen Arten von vertikalen Anbausystemen sind je nach ihrer Komplexität und dem Grad der Automatisierung sehr unterschiedlich. Daher werden die Nutzung und die Marktfähigkeit der Pflanzen sowie eine Untersuchung des Kosten-Nutzen-Verhältnisses dieser Anbausysteme das letztendliche Kriterium sein, um zu entscheiden, ob die vertikale Aquaponik eine tragfähige Alternative zu herkömmlichen horizontalen Systemen darstellen kann. 341 14.7 Referenzen Al-Kodmany, K. 2018. The vertical farm: A review of developments and implications for the vertical city. Buildings 8, 24. Al-Raisy, F.S., Al-Said, F.A., Al-Rawahi, M.S., Khan, I.A., Al-Makhmari, S.M. & Khan, M. 2010. Effects of column sizes and media on yield and fruit quality of strawberry under hydroponic vertical system. European Journal of Scientific Research 43, 48-60. Durner, E.F. 1999. Winter greenhouse strawberry production using conditioned plug plants. HortScience 34 (4), 615-616, Hayden, A. 2006. Aeroponic and hydroponic systems for medicinal herb, rhizome, and root crop. HortScience 41, 536-538. 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Viele Menschen mit psychischen und physischen Gesundheitsproblemen sind von sozialer Ausgrenzung bedroht, weil sie keinen gleichberechtigten Zugang zu gesellschaftlichen Chancen haben, einschliesslich bezahlter Arbeit, Wohnung, Bildung und Freizeit. Der Betrieb eines Aquaponik-Systems bietet Möglichkeiten für die Elemente «Tun» (Ausübung einer sinnvollen Tätigkeit), «Sein» (Selbstachtung und Wertschätzung), «Werden» (Aufbau von Fähigkeiten und Selbstwirksamkeit) und «Zugehörigkeit» (Akzeptanz und zwischenmenschliche Verbindung), die notwendig sind, um das Gefühl der sozialen Integration zu fördern. Die Aquaponik bietet auch eine innovative Form des therapeutischen Gartenbaus, ein auf der Natur basierender Ansatz, der das Wohlbefinden von Menschen mit psychischen Gesundheitsproblemen fördern kann. Es gibt besondere Qualitäten der Pflanze-Person-Beziehung, die die Interaktion der Menschen mit ihrer Umwelt und damit ihrer Gesundheit auf der funktionalen Ebene und dem subjektiven Wohlbefinden fördern (Fieldhouse 2003; Heliker et al. 2001). Es wird davon ausgegangen, dass Pflanzen ihre Pflegenden undiskriminierend belohnen, ohne ihnen die Last einer zwischenmenschlichen Beziehung aufzubürden, und dass sie durch die Reaktion auf Pflege oder Vernachlässigung sofort das Gefühl der persönlichen Handlungsfähigkeit verstärken können. Soziale Netzwerke, wie sie z.B. von gemeinschaftlichen Aquaponik-Initiativen bereitgestellt werden, können als Puffer für Stressoren dienen, eine Struktur für den Erwerb von Fähigkeiten bieten und das Selbstwertgefühl des Einzelnen bestätigen und verbessern (Cohen & Wills 1985). Aquaponik-Systeme können auch zur Verbesserung des Wohlbefindens älterer Menschen eingesetzt werden, indem sie verschiedene kognitive Funktionen durch sensorische Stimulation erleichtern, ihr Gleichgewicht und ihre Beweglichkeit verbessern und damit zur Sturzprävention beitragen. Aquaponik kann zur Förderung der wissenschaftlichen Kompetenz eingesetzt werden. Sie ist ein nützliches Instrument für den Unterricht in Naturwissenschaften auf allen Ebenen, von der Grundschule bis zur Hochschulbildung. Sie bietet vielfältige Möglichkeiten, den Unterricht in den Bereichen Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik (STEM) zu bereichern (Brown et al. 2011), und kann auch für den Unterricht in Fächern wie Wirtschaft und Business sowie für die Behandlung von Themen wie nachhaltige Entwicklung, Umweltwissenschaften, Landwirtschaft, Ernährungssysteme und Gesundheit verwendet werden. Und die Aquaponik kann zur Integration von Strategien zur Sicherung des Lebensunterhalts eingesetzt werden, um Nahrung und kleine Einkommen für landlose und arme Haushalte zu sichern (Pantanella et al. 2010). Die einheimische Produktion von Nahrungsmitteln, der Zugang zu Märkten und der Kompetenzerwerb sind unschätzbare Instrumente, um die Befähigung und Emanzipation von Frauen in Entwicklungsländern zu sichern, und kann die Grundlage für ein gerechtes und nachhaltiges sozioökonomisches Wachstum bilden. 15.1.1 Ernährungssicherheit Ernährungssicherheit ist dann gegeben, wenn alle Menschen zu jeder Zeit physischen, sozialen und wirtschaftlichen Zugang zu ausreichender, sicherer und nahrhafter Nahrung haben, die ihren Ernährungsbedürfnissen und -vorlieben entsprechen und ihnen ein aktives und gesundes Leben ermöglichen (FAO Policy Brief). Die vier Säulen der Ernährungssicherheit sind: Verfügbarkeit von 344 Nahrungsmitteln, Zugang zu Nahrungsmitteln, Nutzung und Stabilität. Die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln wird erreicht, wenn nahrhafte Lebensmittel jederzeit für die Menschen zugänglich sind, während die Zugänglichkeit von Nahrungsmitteln erreicht wird, wenn die Menschen jederzeit die wirtschaftliche Möglichkeit haben, nahrhafte Lebensmittel entsprechend ihren Ernährungspräferenzen zu erhalten. Die Nahrungsverwertung ist erreicht, wenn die gesamte verzehrte Nahrung vom Körper aufgenommen und verwertet wird, um ein gesundes aktives Leben zu ermöglichen., Schliesslich ist die Stabilität der Nahrung erreicht, wenn alle anderen Säulen gegeben sind. Die urbane und peri-urbane (stadtnahe) Agrikultur wird zunehmend als ein Mittel anerkannt, mit dem die Städte sich von den derzeitigen ungerechten und ressourcenabhängigen Ernährungssystemen entfernen, ihren ökologischen Fussabdruck verringern und ihre Lebensqualität erhöhen können (Malano et al. 2014). Da sie fast vollständig von importierten Produkten aus anderen Regionen abhängig sind, sind die städtischen Verbraucher sind die städtischen Verbrauer bei Nahrungsmittelunterbrechungen schneller betroffen. Für Menschen mit niedrigem sozioökonomischem Status bedeutet diese Abhängigkeit, dass jeder Anstieg der Nahrungsmittelpreise, ihre Kaufkraft und Nahrungsmittelunsicherheit beeinträchtigt sowie ihre Ernährungsoptionen begrenzt. Um die Ernährung der Menschen in den nächsten Jahrhunderten innerhalb nachhaltiger planetarischer Grenzen zu gewährleisten (Rockström et al. 2009), braucht es eine vielschichtige Intensivierung der Nahrungsmittelproduktion (Godfray et al. 2010), die von einer nicht nachhaltigen Ressourcennutzung entkoppelt ist. Aquaponik kann ein Teil der Lösung sein. Die Ernährung wird durch den Verzehr von Fisch und frischem Gemüse verbessert. Fisch stellt eine bedeutende Quelle für Proteine und Vitamine dar und kann, selbst wenn er in kleinen Mengen verzehrt wird, die Qualität der Ernährung verbessern, indem er essentielle Aminosäuren beisteuert, die in der Ernährung auf pflanzlicher Basis oft fehlen oder unterrepräsentiert sind. Darüber hinaus sind Fischöle eine Quelle von Omega-3-Fettsäuren, die speziell für die normale Gehirnentwicklung von Ungeborenen und Säuglingen entscheidend sind. Verschiedene Initiativen auf der ganzen Welt veranschaulichen, wie die Aquaponik in den Bemühungen um die Verbesserung der Ernährungssicherheit eingesetzt wird. Byspokes Community Interest Company, ein in Grossbritannien ansässiges Sozialunternehmen, hat ein Pilot-AquaponikSystem und ein Ausbildungsprogramm im Al-Basma-Zentrum in Beit Sahour (besetzte Palestinensische Gebiet, occupied Palestinian territory, OPT) eingerichtet. In dieser Region stellt die Verfügbarkeit von Flächen für die Nahrungsmittelproduktion ein ernstes Problem dar, insbesondere in den Städten und in den Flüchtlingslagern. Selbst in landwirtschaftlichen Gebieten geht der Zugang zu Land durch israelische Kontrollen verloren. 40 % der Bevölkerung im OPT (25 % im Westjordanland) gelten als "chronisch nahrungsunsicher", und die Arbeitslosigkeit liegt bei etwa 25 %, mit Höchstwerten von 80% in einigen Flüchtlingslagern. Aus wirtschaftlicher Sicht hat das Projekt gezeigt, dass ein AquaponikSystem einen erheblichen Beitrag zum Haushaltseinkommen leisten und so helfen könnte, Familien aus der Armut zu befreien, und gleichzeitig eine Reihe von frischem Gemüse und Fisch für Familien bereitstellen könnte, die sich diese hochwertigen Lebensmittel am wenigsten leisten können. Seit 2010 führt die Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) ein Nothilfeprojekt zur Unterstützung der Nahrungsmittelproduktion für arme Familien im Gazastreifen durch, wo 11 Jahre israelischer See-, Land- und Luftblockade in Verbindung mit geringen Regenfällen, die zu einer Dürre geführt haben, die Möglichkeiten der einheimischen Nahrungsmittelproduktion in einer der am dichtesten besiedelten Regionen der Welt stark beeinträchtigt haben. Bei so vielen 345 Einschränkungen ist frisches Gemüse teuer und schwer zu finden. 97% der Bevölkerung des Gazastreifens sind Stadt- oder Lagerbewohner und haben daher keinen Zugang zu Land. 53% der Bevölkerung sind von Armut betroffen, und 39% der von Frauen geführten Familien sind von Ernährungsunsicherheit betroffen. Familien in die Lage zu versetzen, ihre eigenen erschwinglichen frischen Lebensmittel zu produzieren, ist daher eine angemessene und wirksame Antwort auf die aktuelle Situation. In urbanen Gebieten lebende Haushalte mit weiblichem Haushaltsvorstand, die von Ernährungsunsicherheit betroffen sind, erhielten Aquaponik-Einheiten auf den Dächern, und weitere Einheiten wurden in Bildungs- und Gemeinschaftseinrichtungen installiert. Eine Aquaponik-Einheit auf dem Dach bedeutet, dass die Frauen gleichzeitig die Ernährungssicherheit und das Einkommen ihres Haushalts verbessern können, während sie sich weiterhin um ihre Kinder und ihr Zuhause kümmern. Alle Nutzniesser haben dadurch ihren Nahrungsmittelkonsum in den Haushalten erhöht. Mit dem Programm "Adaptive Landwirtschaft" widmet sich INMED Partnerships for Children der Einrichtung nachhaltiger Ernährungsprogramme, die die Ernährungssicherheit verbessern, natürliche Ressourcen erhalten, Strategien zur Anpassung an den Klimawandel fördern und Möglichkeiten zur Einkommensgenerierung in Entwicklungsländern bieten. INMED hat ein einfaches und erschwingliches Aquaponik-System für Kleinbauern, Schulen, Regierungseinrichtungen und Hausgärtner entwickelt, das leicht zugängliche, handelsübliche lokale Materialien verwendet. In den letzten zehn Jahren hat INMED in Südafrika, Jamaika und Peru ein sehr erfolgreiches Programm für adaptive Aquakultur und Aquaponik eingerichtet. In Südafrika konzentriert sich INMED auf die Erreichung von Ernährungssicherheit und nachhaltiger Einkommensschaffung durch die Stärkung der lokalen Kapazitäten zum Verständnis und zur Bewältigung des Klimawandels, während gleichzeitig miteinander verbundene Probleme der Umweltzerstörung, der zunehmenden Wasserknappheit und der Armut gelöst werden. Sie hilft bei der Geschäftsplanung und unterstützt die Beantragung von Entwicklungszuschüssen und Darlehen für expandierende und wachsende Unternehmen. Im Mittelpunkt dieser weitreichenden Vision steht neben dem intensiven traditionellen Anbau auch die Aquaponik. Mehrere Projekte wurden erfolgreich in verschiedenen Provinzen des Landes durchgeführt. Bei der christlichen Behindertenvereinigung Thabelo, einer Genossenschaft, in einem abgelegenen Gebiet der Region Venda in der Provinz Limpopo wurde ein Aquaponik-System installiert. Da das System von INMED keine schwere Arbeit oder komplexe mechanische Systeme erfordert, ist es ideal für Menschen mit Behinderungen und solche, die nicht in der Lage sind, traditionelle landwirtschaftliche Tätigkeiten auszuführen. Seit der Einrichtung hat die Genossenschaft ihre Einnahmen um mehr als 400% gesteigert. Die Mitglieder der Genossenschaft erhalten stabile Monatsgehälter und haben zusätzliche Einnahmen in Zuchttiere investiert. Gemeinschaften, die diese neue Art der Landwirtschaft angenommen haben, haben ihre Fähigkeit gestärkt, die Ernährungssicherheit zu verbessern und neue Möglichkeiten zur Einkommensgenerierung zu schaffen. Ein weiteres gutes Beispiel für die Stärkung der Gemeinschaft in Südafrika ist Eden Aquaponics. Eden Aquaponics (Pty) Ltd ist das Geistesprodukt von Jack Probart, der mit der Erkenntnis, dass die Ernährungssicherheit genauso wichtig ist wie eine gesunde Wirtschaft, die Vision hatte, ein kommerzielles Unternehmen mit einem gemeinschaftlichen Fokus zu entwickeln. Eden Aquaponics nutzt Aquaponik zur Produktion von Fisch und Gemüse in der Gegend von Eden an der Garden Route im Westkap. Sie liefern Fisch für den Verzehr sowie Fingerlinge für die Fischzucht und bauen eine Vielzahl von Bio-Gemüse zur Verteilung an die lokalen Bauernmärkte, Restaurants und Einzelhändler an. Die Abteilung Community Upliftment fertigt und installiert kundenspezifische kommerzielle Systeme verschiedener Grössen, einschliesslich Heimwerker-Aquaponik-Systeme, und liefert Setzlinge und Fingerlinge. Sie lehren auch andere Gemeinschaften, sich beim Anbau, der Vermarktung und dem 346 Verkauf ihrer Produkte selbstständig zu machen, und ermöglichen es dadurch zuvor arbeitslosen Menschen, Kompetenzen, Selbstvertrauen, Selbstwertgefühl und die Fähigkeit zur Selbstversorgung zu entwickeln. Ernährungsunsicherheit ist nicht nur für die Entwicklungsländer relevant. In Sevilla, Spanien, hat das Sozialunternehmen Asociacíon Verdes del Sur auf dem Gelände einer Schule in Polígono Sur, dem sozial schwächsten Teil der Stadt, der durch Langzeitarbeitslosigkeit und eine hohe Zahl von Drogenkriminalität gekennzeichnet ist, ein Aquaponik-Gewächshaus eingerichtet. Die Aquaponik wird als Teil eines Umweltbildungsprogramms für die Anwohner eingesetzt, dass u.a. die Vorteile des Verzehrs lokal angebauter frischer Lebensmittel und die Kompetenzentwicklung für Arbeitslose vermittelt. Auch in einem Privathaus wurde ein Prototyp einer Aquaponik-Anlage für den Hausbedarf eingerichtet. Abbildung 1: Aquaponik-Anlagen in Polígono Sur - gegen den Uhrzeigersinn von oben links: das AquaponikGewächshaus der Schule; Soledad mit einem gefrorenen Tilapia, der in ihrer Hauseinheit aufgezogen wurde; Tomaten und eine Aubergine, die für ihre Samen aufbewahrt wurden; die Hauseinheit für Aquaponik (Fotos: Sarah Milliken). 15.1.2 Lebensmittelwüsten Eine gesunde Lebensmittelumgebung ist für die öffentliche Gesundheit unerlässlich. Der Zugang zu Supermärkten, die gesunde Lebensmittel zu niedrigen Preisen anbieten, variiert von Raum zu Raum und ist mit dem sozioökonomischen Status und der ethnischen Zugehörigkeit korreliert. Gebiete, die durch einen schlechten Zugang zu frischem Obst, Gemüse und anderen gesunden Nahrungsmitteln zu erschwinglichen Preisen gekennzeichnet sind, werden als "Lebensmittelwüsten" bezeichnet (Rex & 347 Blair 2003). Das Landwirtschaftsministerium der Vereinigten Staaten (USDA) definiert Lebensmittelwüsten auf der Basis von Merkmalen wie niedriges Einkommen, Rasse/Ethnizität, grosse Entfernungen zu einem Lebensmittelgeschäft, fehlender Zugang zu frischen, erschwinglichen Lebensmitteln und Abhängigkeit von öffentlichen Verkehrsmitteln. Die Bewohner von Lebensmittelwüsten sind für den Grossteil ihrer Grundnahrungsmittel auf Fastfood, Tankstellen und Lebensmittelbanken angewiesen. Aufgrund dieser Faktoren stehen viele Menschen vor erheblichen Herausforderungen in Bezug auf die Ernährungssicherheit und den Zugang zu Nahrungsmitteln, was zu einem dramatischen Anstieg der damit verbundenen Gesundheitsprobleme, insbesondere der Fettleibigkeit, führt. Lebensmittelwüsten sind besonders problematisch für Menschen mit niedrigem Einkommen und für gefährdete Personen, wie z.B. Menschen mit einer Behinderung, die in ihrer Mobilität eingeschränkt sind. Wenn man in einer Lebensmittelwüste keinen Zugang zu einem Auto hat, kann dies die Möglichkeiten einer Person beschränken, Lebensmittelgeschäfte zu erreichen, die frische Produkte zu erschwinglichen Preisen anbieten. Die empirische Evidenz für Lebensmittelwüsten in den USA und auch in Grossbritannien ist umfangreich (Walker et al. 2010). In den Lebensmittelwüsten gibt es tendenziell eine kleinere Bevölkerungsdichte, höhere Raten verlassener oder leerstehender Häuser und Bewohner mit niedrigerem Bildungsniveau, niedrigeren Einkommen und höherer Arbeitslosigkeit (Dutko et al. 2012). Im Jahr 2017 wurden 15 Millionen US-Haushalte (11.8%) als nahrungsunsicher eingestuft, was bedeutet, dass sie aufgrund fehlender Ressourcen irgendwann im Laufe des Jahres Schwierigkeiten hatten, genügend Nahrung für alle Haushaltsmitglieder bereitzustellen. Mehr als ein Drittel dieser Haushalte (5.8 Millionen) wurde als sehr gering eingestuft, was bedeutet, dass die Nahrungsaufnahme einiger Haushaltsmitglieder reduziert war und das normale Essverhalten aufgrund begrenzter Ressourcen zeitweise während des Jahres gestört wurde. In Haushalten mit einem Einkommen nahe oder unterhalb der Armutsgrenze, von Alleinerziehenden, von Alleinstehenden, von Schwarzen und Hispanoamerikanern sowie in den Grossstädten war die Ernährungsunsicherheit höher als der nationale Durchschnitt (Coleman-Jensen et al. 2018). Die Diskussion über die Lebensmittelwüsten in Grossbritannien war in den 1990er Jahren inmitten einer breiteren Debatte über Armut und Entbehrung besonders prominent. Diese Diskussion konzentrierte sich auf wirtschaftlich benachteiligte Quartiere wie Sozialwohnungen, wobei viele Hypothesen aufgestellt wurden, dass Supermärkte diese Areale unterversorgen könnten, da die Gewinne, die durch die Ansiedlung eines Geschäfts in einem Quartier mit relativ niedrigem Einkommen der Bewohner erzielt werden könnten, geringer sind. Bewohner ohne Auto, die keine Supermärkte ausserhalb der Stadt erreichen können, sind auf die Läden in der Nähe angewiesen, wo die Preise hoch sind, die meisten Produkte verarbeitet und frisches Obst und Gemüse von schlechter Qualität oder gar nicht vorhanden ist (Wrigley 1998). Der Anstieg der Online-Lieferungen von Lebensmitteln könnte das Problem der Lebensmittelwüsten mildern, obwohl unklar ist, ob Online-Lieferungen in der gesamten Gesellschaft gleich stark genutzt werden. 10.2 Millionen Menschen im Vereinigten Königreich (16% der Bevölkerung) leben in Lebensmittelwüsten, davon 1.2 Millionen in wirtschaftlich benachteiligten Quartieren. Die Lebensmittelwüsten sind über das ganze Land verteilt und decken sowohl ländliche als auch städtische Gebiete ab. Allerdings befinden sich etwa drei Viertel (76%) der Lebensmittelwüsten in England und Wales in städtischen Gebieten. Lebensmittelwüsten sind eher ein lokales als ein landesweites oder stadtweites Problem, was darauf hindeutet, dass eher lokale als landesweite politische Interventionen erforderlich sind, um das Problem anzugehen (Corfe 2018). Aquaponik könnte potenziell dazu beitragen, die Lebensmittelwüsten zu lindern, insbesondere in urbanen Gebieten, wo leerstehende Gebäude und Dächer Möglichkeiten zur Schaffung 348 innerstädtischer Kultivierungsflächen bieten. Sie könnte entweder als professionell geführte urbane Agrikultur oder als gemeinsames (genossenschaftliches) Gärtnern implementiert werden. Dies erfordert jedoch, dass die Stadtregierungen Änderungen an der bestehenden Landnutzungsgesetzgebung vornehmen, um die urbane Landwirtschaft zu erleichtern und den Zugang zu gesunden Lebensmitteln und frischen Produkten für gefährdete Bevölkerungsgruppen zu erleichtern (Tomlinson 2017). 15.1.3 Ernährungssouveränität Die Bewegung für Ernährungssouveränität ist ein globales Bündnis von Bauern, Erzeugern, Verbrauchern und Aktivisten. Sie behauptet, dass die Menschen ihre Macht im Ernährungssystem zurückgewinnen müssen, indem sie die Beziehungen zwischen den Menschen und dem Land sowie zwischen den Ernährern und denjenigen, die essen, wiederherstellen. Ernährungssouveränität bezeichnet nach dem Verständnis ihrer Befürworter das Recht aller Völker, Länder und Ländergruppen, ihre Landwirtschafts- und Ernährungspolitik selbst zu definieren. Selbstversorgung, lokaler und regionaler Handel sollen Vorrang vor Exporten und Welthandel haben. Wenn sie als ein von der lokalen Bevölkerung zu verwaltendes Programm umgesetzt werden, bieten Aquaponik-Unternehmen auf Gemeindeebene ein neues Modell für die Verbindung von lokalen Behörden mit wissenschaftlicher Innovation, um die Ernährungssouveränität zu gewährleisten, indem sie die Gemeinden wieder in die Lage versetzen, ihre Nahrungsmittelproduktion und -verteilung besser zu kontrollieren. Die Annäherung der Nahrungsmittelproduktion an den Wohnort der Menschen und die Unterstützung bei der Auseinandersetzung mit verschiedenen landwirtschaftlichen Ansätzen könnte sie dazu ermutigen, ihre Ernährung positiv zu verändern und damit zur Ernährungssicherheit beitragen. Der Zugang zur Nahrungsmittelproduktion kann auch als eine Möglichkeit gesehen werden, die Menschen dazu zu bewegen, weniger Nahrungsmittel zu verschwenden. Eine im Vereinigten Königreich (Vanson& Georgieva 2016) durchgeführte Umfrage ergab eine hohe gesellschaftliche Akzeptanz der Aquaponik als effiziente, autarke und saubere Methode der städtischen Lebensmittelproduktion. Diese Ergebnisse stehen jedoch im Widerspruch zu den Ergebnissen einer in Berlin (Deutschland) durchgeführten Umfrage (Specht et al. 2016), die eine vergleichsweise geringe gesellschaftliche Akzeptanz der Aquaponik im Vergleich zu eher low-tech Formen der städtischen Landwirtschaft, wie z.B. der Dachbegrünung, festgestellt hat, obwohl dies durch einen allgemeinen Mangel an Wissen über diese Art von Produktionssystem erklärt werden könnte. 15.1.4 Alternative Nahrungsmittelnetze Alternative Nahrungsmittelnetzwerke (AFNs) sind als Teil der Ernährungssouveränitätsbewegung entstanden (Maye & Kirwan 2010). Sie können als Systeme oder Kanäle der Nahrungsmittelproduktion, -verteilung und -konsum definiert werden, die auf der Wiederverbindung oder engen Kommunikation zwischen Produzent, Produzent und Konsument aufbauen und die sich den sozialen, wirtschaftlichen und ökologischen Dimensionen der nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion, -verteilung und konsumierung verpflichtet haben. AFNs zeichnen sich typischerweise durch Folgendes aus: 349 (1) Kürzere Entfernungen zwischen Produzenten und Konsumenten. Durch den Anbau von Nahrungsmitteln in der Nähe des Ortes, an dem die Menschen ihr Essen kaufen und essen, minimieren AFNs die Transportwege und den Treibstoffverbrauch und umgehen die Zwischenhändler in der Vertriebskette. Diese Form der Direktvermarktung ermöglicht es den Produzenten, mehr Gewinn zu erzielen und zu behalten, und sie spart fossile Brennstoffe sowohl bei der Produktion als auch beim Transport. Die Direktvermarktung bringt Produzente und Verbraucher in direkten Kontakt und entwickelt so ein Band des Vertrauens und der Zusammenarbeit. (2) Kleinere Betriebe und Methoden der ökologischen Landwirtschaft, die im Gegensatz zur konventionellen Agrarwirtschaft in grossem Massstab stehen. Die Mehrheit der landwirtschaftlichen Betriebe in den AFNs sind sowohl in Bezug auf die Anbaufläche (unter 20 Hektar) als auch in Bezug auf die Einnahmen klein. Sie sind auf Hausarbeit, Lehrlinge und Praktikanten und in einigen Fällen auf landwirtschaftliche Saisonarbeiter angewiesen. Grössere Betriebe können ganzjährig Arbeitskräfte beschäftigen und ihren Besitzern ermöglichen, ihren Lebensunterhalt ausschliesslich durch die Landwirtschaft zu verdienen. Die alternative Landwirtschaft betont auch den umweltbewussten Anbau von Nahrungsmitteln, und die Bauern in den AFNs praktizieren ökologische Anbautechniken, obwohl ihre Nahrungsmittel möglicherweise nicht formell als solche zertifiziert sind. (3) Die Verteilung von Lebensmitteln durch Lebensmittelgenossenschaften, Bauernmärkte, Lebensmittelkisten-Lieferdienste der Community Supported Agriculture (CSA) und lokale Verbindungen von Lebensmitteln zu Schulen. Anstatt ihre Lebensmittelverkäufe an Grosshändler, Unternehmen, Verarbeiter oder Supermärkte zu vergeben, nehmen die Landwirte in AFNs vertikal integrierte Strukturen auf dem Bauernhof an, die den Hof und den Hofhaushalt direkt in die Vertriebs- und Einzelhandelsaktivitäten in der Nähe des Bauernhofs einbeziehen. AFNs versuchen, Lebensmittelsysteme zu lokalisieren und den Kontakt zwischen Lebensmittelproduzenten und -konsumenten zu fördern, indem sie versuchen, Lebensmittelsysteme, die als "ortlos" empfunden werden, neu zu verorten. AFNs werden daher manchmal als "lokale Nahrungsmittelnetze" (LFNs) bezeichnet. Die „Lokalisierung“ von Lebensmittelsystemen steht in starkem Kontrast zum gängigen agroindustriellen und globalen Lebensmittelsystem, das durch „Lebensmittel von Nirgendwo“ gekennzeichnet ist. Die Geographie der lokalen Ernährungssysteme ist jedoch nur ein Aspekt. Abgesehen davon, dass sie örtlich verwurzelt sind, sollen die AFNs für Landwirte und Verbraucher wirtschaftlich lebensfähig sein, ökologisch sinnvolle Produktions- und Vertriebspraktiken anwenden und die soziale Gerechtigkeit und Demokratie für alle Mitglieder der Gemeinschaft fördern. Aquaponik passt gut zum Konzept der alternativen Nahrungsnetzwerke/lokalen Nahrungsnetzwerke. Es handelt sich um eine umweltbewusste Methode der Nahrungsmittelproduktion, die weniger Wasser verbraucht als herkömmliche Methoden des Pflanzenbaus und praktisch keinen Abfall produziert: Der Schlamm kann leicht kompostiert und in wertvolle Produkte umgewandelt werden. Als geschlossener Kreislauf benötigt eine Aquaponik vor allem das Wasser und die Fischfutter und benötigt, im Gegensatz zu den meisten traditionellen landwirtschaftlichen Praktiken, deutlich weniger Düngemittel. Dies bedeutet, dass Pflanzen, die aus einem Aquaponik-System geerntet werden, in einem System angebaut werden, das der ökologischen Produktion gleichwertig ist, obwohl die 350 Produkte in der EU nicht als solche zertifiziert werden können, da sich das Zertifizierungssystem derzeit nur auf bodengebundene Kulturen bezieht. Konventionelle Aquakultur und Landwirtschaft können lange Wertschöpfungsketten umfassen. Die Systemgrenzen sind auf der einen Seite die Fischerei und das Gewächshaus oder das Feld und auf der anderen Seite der Verbraucher. Dazwischen liegen die Verarbeitung, der Einzelhandel, der Grosshandel und der Transport, die jeweils mit ökologischen, sozialen und wirtschaftlichen Auswirkungen verbunden sind. Die Entwicklung kurzer Wertschöpfungsketten durch städtische Aquaponik - z.B. durch den direkten Verkauf an Verbraucher, Restaurants oder Supermärkte - kann diese Auswirkungen verringern. Das GrowHaus in Colorado ist ein soziales Unternehmen, das sich auf eine gesunde, gerechte und von den Einwohnern getragene Lebensmittelproduktion in der Gemeinde konzentriert. 97% der in Colorado konsumierten Lebensmittel werden ausserhalb des Bundesstaates produziert, und das Viertel, in dem sich das GrowHaus befindet, wurde zur Lebensmittelwüste erklärt. Zunächst in Partnerschaft mit Colorado Aquaponics, und seit 2016 unabhängig, betreibt das GrowHaus eine 297 Quadratmeter grosse Aquaponik-Landwirtschaft, und die Produkte werden über ein wöchentliches Programm für farmfrische Lebensmittel zu einem mit Walmart vergleichbaren Preis an Haushalte sowie Restaurants verkauft, wobei ein Teil der Produkte an die örtliche Gemeinde gespendet wird. Um den Übergang zu einer gesünderen Ernährung zu erleichtern, organisiert das GrowHaus auch kostenlose Schulungen und Gemeindeveranstaltungen rund um das Thema Ernährung. Die Well Community Allotment Group (Crookes Community Farm) ist ein soziales Unternehmen, das von Freiwilligen in Sheffield, Grossbritannien, geleitet wird und die Aufgabe hat, die lokale Gemeinschaft mit ihren Lebensmitteln in Verbindung zu bringen, indem sie sie aktiv in die Produktion einbezieht und sie über die Vorteile der lokalen Lebensmittel aufklärt. Im Jahr 2018 erhielt die Vereinigung einen Aviva Community Fund Award, um eine Aquaponik aufzubauen, die zur Ausbildung von Einzelpersonen, Schulen, Jugendgruppen und anderen Organisationen eingesetzt werden soll. 15.2 Aquaponik und soziales Unternehmertum Im Unterschied zu traditionellen privaten oder korporativen Unternehmen zielen soziale Unternehmen darauf ab, Produkte und Dienstleistungen zu liefern, die die menschlichen Grundbedürfnisse befriedigen. Für ein soziales Unternehmen ist die primäre Motivation nicht die Gewinnmaximierung, sondern der Aufbau von Sozialkapital; wirtschaftliches Wachstum ist daher nur ein Teil eines viel umfassenderen Mandats, das soziale Dienstleistungen wie Rehabilitation, Bildung und Ausbildung sowie Umweltschutz umfasst. Unter den sozialen Unternehmen besteht ein wachsendes Interesse an der Aquaponik, da sie ein wirksames Instrument darstellt, um ihnen bei der Erfüllung ihres Mandats zu helfen. Beispielsweise kann Aquaponik Strategien zur Sicherung des Lebensunterhalts integrieren, um Nahrungsmittel und kleine Einkommen für landlose und arme Haushalte zu sichern. Die einheimische Produktion von Nahrungsmitteln, der Zugang zu Märkten und der Erwerb von Fertigkeiten sind unschätzbare Instrumente, um die Befähigung und Emanzipation von Frauen in Entwicklungsländern zu sichern, und die Aquaponik kann einen Beitrag für ein gerechtes und nachhaltiges sozioökonomisches Wachstum leisten. Die zunehmende Bekanntheit der Aquaponik in der Öffentlichkeit hat dazu geführt, dass auf der ganzen Welt eine Vielzahl von sozialen Unternehmungen ins Leben gerufen wurden. In den Vereinigten Staaten haben eine Reihe von sozialen Unternehmen begonnen, Aquaponik als Teil einer wachsenden 351 sozialen Bewegung einzusetzen, die sich darauf konzentriert, die urbane Landwirtschaft zur Erhöhung der Ernährungssicherheit und des gemeinschaftlichen Zusammenhalts zu nutzen. Eine der ersten war Growing Power, die 1995 von Will Allen mit dem Ziel gegründet wurde, die urbane Landwirtschaft als Vehikel zur Verbesserung der Ernährungssicherheit im Zentrum von Milwaukee und zur langfristigen Stärkung der Stadtviertel zu nutzen und jungen Menschen in der Innenstadt die Möglichkeit zu geben, durch den Anbau und die Vermarktung ökologischer Produkte gewisse Kompetenzen zu erwerben. Growing Power stellte Einrichtungen oder Land zur Verfügung, leistete Beratung beim Anbau von Nahrungsmitteln und bei der Instandhaltung des Gesamtprojekts, und die Produkte wurden entweder an Mahlzeitenprogramme und Nahrungsmittelnotversorger gespendet oder von den Jugendlichen in örtlichen Hofläden und auf Bauernmärkten verkauft, mit der Auflage, dass ein Viertel des Erlöses an die örtliche Gemeinde zurückgegeben wird. 2010 wurde Will Allen vom Time Magazine als eine der 100 einflussreichsten Personen der Welt anerkannt, und während Growing Power 2017 unter der wachsenden Verschuldung zusammenbrach, lebt das Erbe des Unternehmens in Form anderer sozialer Unternehmungen weiter, die zu ähnlichen Initiativen inspiriert wurden. Ein solches Unternehmen, das Will Allens Einfluss anerkennt, ist die RidAll Green Partnership in Cleveland, Ohio, deren Aufgabe es ist, die nächste Generation so auszubilden, dass sie nicht nur lernt, frische Lebensmittel anzubauen und zu essen, sondern auch ihr eigenes Unternehmen in der Lebensmittelindustrie zu betreiben und auszubauen, angefangen vom Verkauf von Frischprodukten und Fisch an Lebensmittelverteiler bis hin zur vollständigen Verarbeitung und Verpackung von frischen Lebensmittelprodukten. Die Bewegung der urbanen Landwirtschaft in den Vereinigten Staaten wurde durch das wettbewerbsorientierte Zuschussprogramm des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) für gemeinschaftliche Lebensmittelprojekte (CFP) beflügelt, das 1996 mit dem Ziel eingerichtet wurde, die Ernährungsunsicherheit durch die Entwicklung von gemeinschaftlichen Lebensmittelprojekten zu bekämpfen, die die Selbstversorgung von einkommensschwachen Gemeinden fördern. Seit 1996 wurden im Rahmen dieses Programms etwa 90 Millionen US-Dollar an Zuschüssen vergeben. Ein soziales Unternehmen, das von diesem Programm profitiert hat, ist Planting Justice, das ein Aquaponik-System auf einem leeren Grundstück in East Oakland, Kalifornien, errichtet hat, das von ehemaligen Gefängnisinsassen betrieben wird. Zwölf Arbeitsplätze mit existenzsichernden Löhnen wurden geschaffen, 2268 Kilo kostenloser Produkte wurden an die Gemeinde übergeben, und das Projekt hat 500.000 Dollar an Löhnen und 200.000 Dollar an Leistungen zurück in die Nachbarschaft gebracht (New Entry Sustainable Farming Project 2018). Trifecta Ecosystems (ehemals Fresh Farm Aquaponics) in Meriden, Connecticut, will sich mit der städtischen Ernährungssicherheit befassen, indem sie Anreize für die Gemeinden schafft, ihre eigenen Nahrungsmittel anzubauen, und gleichzeitig das Bewusstsein für nachhaltige Landwirtschaft durch Bildung, Workshops und Stadtprojekte schärft. Das Unternehmen beschäftigt sechs Mitarbeiter, die Aquaponik-Systeme für Organisationen zu Bildungszwecken, zur Entwicklung von Arbeitskräften, zur therapeutischen Gartenarbeit und zur Herstellung hochwertiger Nahrungsmittel bereitstellen. Die Aquaponik-Systeme reichen von kommerziellen Produktionsanlagen bis hin zu kleinen Unterrichtseinheiten für den Einsatz in Klassenräumen. Im Jahr 2018 gewährte die South Central Regional Water Authority einen Zuschuss von 500.000 US-Dollar, um die Schaffung einer Reihe von Aquaponik-Systemen für die kontrollierte Landwirtschaft, einer städtischen Technologieplattform für die Landwirtschaft und von Schulungsprogrammen für Arbeitskräfte zur Verbesserung der Ernährungssicherheit zu erleichtern. 352 Das soziale Unternehmen SchoolGrown wurde 2014 von Aquaponik-Enthusiasten gegründet, die der Meinung waren, dass Kinder nicht genug praktische Erfahrungen mit dem Anbau von Lebensmitteln und dem Lernen ihrer Verbindung zur Welt über sie sammeln konnten. Das Aquaponik"Klassenzimmer" befindet sich neben dem kommerziellen Aquaponik-Betrieb bei Ouroboros Farms, Kalifornien, und wird von Freiwilligen geleitet und für die Ausbildung genutzt. Ihr Hauptaugenmerk liegt jedoch auf der Verbreitung von Aquaponik-Systemen in Schulen und Gemeinden in den Vereinigten Staaten, um nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken, Umweltschutz und Ressourcenschonung zu lehren und gleichzeitig frische und lokale Lebensmittel zu produzieren und so eine tiefere Verbindung zwischen den Gemeinden und den Lebensmitteln, die sie essen, herzustellen. Die LEAF (Living Ecosystem Aquaponic Facility) ist ein 167 Quadratmeter grosses Gewächshaus mit einem solarbetriebenen Aquaponik-System, das speziell für diesen Zweck entwickelt wurde. Die Gewächshäuser kosten 75.000 Dollar, einschliesslich der Gehälter für zwei Teilzeitmitarbeiter, die für die Wartung des Systems und die Ernte verantwortlich sind. Die Finanzierung der Gewächshäuser erfolgt durch eine Kombination aus dem Community Supported Agriculture (CSA)Gemüsekistenprogramm, Sponsoring durch die örtliche Gemeinde oder Unternehmen und Crowdfunding. Jedes LEAF soll sich durch die Erzeugung von Einnahmen aus den Produkten finanziell selbst tragen. Die obigen Beispiele veranschaulichen einige der verschiedenen Geschäftsmodelle, die von den sozialen Aquaponik-Unternehmen übernommen wurden. Ob sie weiterhin gedeihen und wachsen oder, wie "Growing Power", letztlich scheitern werden, bleibt abzuwarten. Eine eingehende Analyse von zwei Aquaponik-Sozialunternehmen, die in den Jahren 2012-13 durchgeführt wurde, ergab vier verschiedene Faktoren, die für ihr Überleben von Bedeutung waren (Laidlaw & Magee 2016). Die zwei Unternehmen waren: 1. Sweet Water Organics (SWO) begann 2008 als urbane Aquaponik-Farm in einem grossen, stillgelegten, innerstädtischen Industriegebäude in Milwaukee. Sie wurde in erster Linie von ihren Gründern finanziert, um kreative Fähigkeiten, Beschäftigungsmöglichkeiten und chemiefreie, frische und erschwingliche Nahrungsmittel für die lokale Gemeinschaft zu entwickeln. Im Jahr 2010 wurde eine neue Organisation, Sweet Water Farms (SWF), aus der SWO ausgegliedert, mit der Idee, dass daraus eine sich gegenseitig unterstützende, zusammenhängende Hybridorganisation wachsen würde, die sowohl eine gewinnorientierte Farm (SWO) als auch eine gemeinnützige Aquaponik-"Akademie" (SWF) umfassen würde. Der SWF leitete die Freiwilligeneinsätze und veranstaltete Ausbildungsprogramme, und entwickelte Programme auf lokaler (Milwaukee und Chicago), regionaler, nationaler und internationaler Ebene. Sweet Water hatte eine treue Anhängerschaft unter den lokalen Gastronomen und Frischeläden für seine Salat- und Sprossenprodukte und verkaufte seinen Fisch an einen einzigen Grosshändler. Allerdings erwies sich das hybride Not-for-Profit/fürProfit-Unternehmensmodell als eine Herausforderung, da beide Seiten der Organisation Schwierigkeiten hatten, ihre Rolle zu identifizieren. Zwar hatte jede Seite eine andere Struktur in Bezug auf ihren operativen Charakter, und obwohl sich ihre Operationen häufig überlappten, waren ihre strategische Planung und ihre Visionen manchmal nicht vorhanden. Nach drei Jahren Betrieb war es SWO nicht gelungen, einen Gewinn zu erzielen, und 2011 gewährte die Stadtregierung von Milwaukee ein Darlehen in Höhe von 250’000 Dollar unter der Bedingung, dass bis 2014 45 Arbeitsplätze geschaffen werden. Im Oktober 2012 beschäftigte die SWO 11-13 festangestellte Mitarbeiter, wurde aber immer noch durch 353 Darlehensfinanzierung und Kapitalbeteiligungen aufrechterhalten. Im Juni 2013, als die Kreditrückzahlungen fällig wurden und die Ziele für die Schaffung von Arbeitsplätzen nicht erreicht wurden, ging der gewinnorientierte Zweig von Sweet Water in Liquidation, und der SWF übernahm den Hauptbetrieb der Sweet Water Farm. Gegenwärtig arbeitet der SWF ausschliesslich als Bildungs- und Beratungsunternehmen, das von Freiwilligen und einem kleinen Team von Teilzeitmitarbeitern geführt wird, und beliefert keine Restaurants mehr mit Produkten (Laidlaw & Magee 2016). 2. Das Centre for Education and Research (CERES) in Melbourne, Australien, eröffnete 2010 seine Aquaponik-Einrichtung. Das System wurde als suboptimales kommerzielles System konzipiert, das die Produktionskapazität hat, um einen einzigen Lohn für den Landwirt, der ihn erhält, zu unterstützen. Ihr Lohn variiert je nach dem, wie viel er/sie produziert, wobei das Gemüse über den CERES Fair Food-Biokartonlieferdienst verkauft wird. Die Operation erbringt nicht genug Ertrag um die Errichtung einer Fischverarbeitungsanlage zu erlauben (Laidlaw & Magee 2016). Schlussfolgerungen: Die Stakeholder von Sweet Water Farms und CERES stellten fest, dass der Hauptfaktor für ihr Überleben ein kontinuierliches Engagement war, in Form einer verbindlichen Unterstützung des Personals mit technischen und betriebswirtschaftlichen Fähigkeiten in Verbindung mit einer dauerhaften Führung und der Bereitschaft der Stakeholder, sich weiterhin zu engagieren und ohne starke finanzielle Anreize zur Zusammenarbeit bereit zu sein. Der zweite Faktor war der lokale politische Kontext. Während die Stadt Milwaukee Sweet Water sowohl durch politische Initiativen als auch durch direkte Finanzhilfe unterstützte, die es ihr ermöglichte, ihr Anlagevermögen und ihre Humanressourcen zu erweitern, das Marktbewusstsein zu stärken und einen beträchtlichen kommerziellen Stammkundenstamm zu gewinnen, hatte das CERES-Projekt über einen anfänglichen Zuschuss hinaus kaum eine Unterstützung, und es hatte Mühe, Einnahmen zu erzielen, die eine Expansion ermöglicht hätten. Die Kosten für die Einhaltung der Vorschriften und die Lizenzvergabe erschwerten auch die Einbindung in lokale Märkte, was die Motivation zur Vermarktung und zum Verkauf der Produkte dämpfte und es für den Betrieb unhaltbar machte, sich über ein kleines, einkommensschaffendes Teilzeitunternehmen hinaus zu entwickeln. Der dritte Faktor war die Verfügbarkeit von Märkten für Aquaponik-Produkte. Während die urbane Aquaponik für einen Kundenstamm attraktiv ist, der zunehmend auf Fragen der Ernährungssicherheit und des ethischen Konsums reagiert, wie z.B. in Milwaukee, war dies in Melbourne nicht der Fall. Der letzte Faktor war die Diversifizierung. Sowohl CERES als auch SWO/SWF profitierten von der Umsetzung sozialer und technischer Experimente in eine Reihe von Trainings- und Bildungsangeboten. Da die SWO/SWF ein grösseres Unternehmen war, verfügte sie offensichtlich über grössere Kapazitäten zur Entwicklung dieser Dienste, und diese erwiesen sich als entscheidend für die Aufrechterhaltung des sozialen Unternehmens, als kommerzielle Pläne nicht verwirklicht wurden. Die Lebensfähigkeit von AquaponikSozialunternehmen hängt daher nicht nur vom Engagement der Interessengruppen, einer gründlichen Marktanalyse, klaren Führungsstrukturen und einem robusten Geschäftsplan ab, sondern auch von externen Faktoren, wie dem lokalen politischen Kontext und den Vorschriften (Laidlaw & Magee 2016). 15.3 Aquaponik als pädagogisches Instrument Aquaponik fördert die wissenschaftliche Kompetenz und bietet ein nützliches Instrument für den Unterricht in den Naturwissenschaften auf allen Ebenen, von der Grundschule bis zur Hochschulbildung. Ein Aquaponik-Klassenzimmermodelsystem bietet mehrere Möglichkeiten, den Unterricht in Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwesen und Mathematik (STEM) zu bereichern. 354 Die tägliche Wartung eines Aquaponik-Systems ermöglicht auch das erfahrungsorientierte Lernen, d.h. den Prozess des Lernens durch körperliche Erfahrung, genauer gesagt den "Bedeutungsbildungsprozess" der direkten Erfahrung eines Individuums. Die Aquaponik kann so Lernende motivieren, MINT-Inhalte zu studieren. Sie kann auch für den Unterricht in Fächern wie Wirtschaft und Betriebswirtschaft sowie für die Behandlung von Themen wie nachhaltige Entwicklung, Umweltwissenschaften, Landwirtschaft, Ernährungssysteme und Gesundheit verwendet werden. Es gibt viele Arten von Aquaponik-Systemen im Internet, die entweder als Bausatz gekauft oder als komplettes System geliefert und installiert werden können. Der Aufbau einer Aquaponik ist jedoch an sich schon eine wertvolle Bildungserfahrung. Ein einfaches System kann kostengünstig aus wiedergewonnenen Materialien gebaut werden. Sogar ein Mikrosystem (1.5 m²) kann in Bezug auf Wasserqualität und Wasserverbrauch eine vollständige Einheit imitieren und ist somit ein wirksames Lehrmittel (Maucieri et al. 2018). Die Implementierung von Aquaponik in Klassenräumen ist jedoch nicht ohne Herausforderungen. Technische Schwierigkeiten, Mangel an Erfahrung und Wissen sowie die Wartung während der Ferienzeiten können für Lehrer, die Aquaponik verwenden, erhebliche Hindernisse darstellen, und auch das Desinteresse des Lehrers kann ein entscheidender Faktor sein (Hart et al. 2013; Hart et al. 2014). Andere Studien haben jedoch gezeigt, dass viele Pädagogen bereit sind, Aquaponik in den Unterricht zu integrieren, insbesondere wenn sie eine Gelegenheit zum erfahrungsorientierten Lernen bietet (Clayborn et al. 2017). Die Lehrerinnen und Lehrer waren sich einig, dass das Einbringen einer Aquaponik-Einheit in den Klassenraum für die Schülerinnen und Schüler inspirierend ist und zu einer grösseren Interaktion zwischen Schülerinnen und Schülern und Lehrer geführt hat, was zu einem Dialog über die Wissenschaften beiträgt (Wardlow et al. 2002). Eine Untersuchung über den Einsatz der Aquaponik in der Bildung in den USA ergab, dass sie in Grund- und Sekundarschulen eher projektorientiert ist und für den Unterricht in einzelnen Fachbereichen wie Chemie oder Biologie eingesetzt wird, während die Aquaponik-Systeme der Colleges und Universitäten im Allgemeinen für den Unterricht in interdisziplinären Fächern wie Lebensmittelsysteme und Umweltwissenschaften verwendet werden. In Berufs- und Fachschulen werden Aquaponik-Systeme nur selten für den Unterricht in anderen Fächern als der Aquaponik eingestzt (Genello et al. 2015). 15.4 Aquaponik und Wohlbefinden Die Aquaponik bietet eine innovative Form des therapeutischen Gartenbaus, ein naturbezogener Ansatz, der das Wohlbefinden von Menschen mit psychischen Gesundheitsproblemen durch eine Reihe von grünen Aktivitäten wie Gartenarbeit und Kontakt mit Tieren fördern kann. In den letzten zehn Jahren sind eine Reihe von sozialen Unternehmen entstanden, die therapeutische Gartenbauprogramme zur Verbesserung des Wohlergehens der lokalen Gemeinschaften anbieten. Der Ansatz des sozialen Unternehmertums baut auf "sozialen Firmen" auf, indem er Menschen mit psychischen Gesundheitsproblemen die Entwicklung neuer Fähigkeiten und die Wiederaufnahme der Arbeit am Arbeitsplatz erleichtert. Eine soziale Firma ist eine besondere Art von Sozialunternehmen, dessen Aufgabe darin besteht, in einem unterstützenden und integrativen Umfeld Beschäftigungs-, Arbeitserfahrungs-, Ausbildungs- und Freiwilligenmöglichkeiten für Menschen zu schaffen, die mit erheblichen Beschäftigungshindernissen konfrontiert sind, insbesondere für Menschen mit einer Behinderung (einschliesslich psychischer Erkrankungen und Lernbehinderungen), mit Missbrauchsproblemen, mit Gefängnisaufenthalten oder mit Obdachlosenproblemen (Howarth et al. 2016). 355 Viele Menschen mit psychischen und physischen Gesundheitsproblemen sind von sozialer Ausgrenzung bedroht, weil sie keinen gleichberechtigten Zugang zu gesellschaftlichen Chancen haben, einschliesslich bezahlter Arbeit, Wohnung, Bildung und Freizeit. Soziale Netzwerke, wie sie z.B. von Gartenbauinitiativen der Gemeinschaft bereitgestellt werden, können als Puffer für Stressfaktoren dienen, eine Struktur für den Erwerb von Fähigkeiten bieten und das Selbstwertgefühl des Einzelnen bestätigen und verbessern (Diamant und Waterhouse 2010; Fieldhouse 2003). Bis heute gibt es nur wenige Beispiele für die Anwendung der Aquaponik im therapeutischen Gartenbau. In den Vereinigten Staaten baut ein kleiner landwirtschaftlicher Betrieb namens Green Bridge Growers in Indiana das ganze Jahr über Produkte an, wobei hauptsächlich Aquaponik verwendet wird. Das Unternehmen beschäftigt nun eine Reihe von Personen mit Autismus-SpektrumStörung (ASD) und stellt fest, dass die in der Aquaponik erforderliche Planung, Präzision und Überwachung perfekt mit ihren Fähigkeiten übereinstimmt. In ähnlicher Weise verwendet das ACRESProjekt (Adults Creating Residential and Employment Solutions) in Pennsylvania Aquaponik, um Gartenbautherapie, Beschäftigung und Integration in die Gemeinschaft für Erwachsene mit Autismus und geistigen Behinderungen zu ermöglichen. Sie sind an allen Facetten des Aquaponik-Systems beteiligt, von der Pflege und Wartung bis hin zur Ernte und zum Verkauf, und die geplanten Verfahren und täglichen Routinen, die die Aquaponik erfordert, geben ihnen die Stabilität und Struktur, die sie als beruhigend empfinden. Durch die Förderung sozialer, beruflicher und selbstbestimmender Fähigkeiten setzt ACRES daher Aquaponik ein, um autistischen Menschen zu helfen, ihr Potenzial zu optimieren, lebenspraktische Fähigkeiten zu entwickeln, die soziale Kapazität zu erhöhen und den Übergang zu Arbeit und Unabhängigkeit zu erleichtern. Das Nervenzentrum FabLab in Nordirland hat eine soziale, digitale Aquaponik eingerichtet, um Menschen mit Lernschwierigkeiten unternehmerische und digitale Fähigkeiten zu vermitteln. Unter Verwendung modernster digitaler Geräte aus dem FabLab des Nervenzentrums, wie 3D-Drucker, CNCFräsen und Laserschneidern, erhalten die Studenten eine praktische Ausbildung und Erfahrung in einer Reihe von digitalen Design- und Herstellungstechniken, die es ihnen ermöglichen, eine Aquaponik zu entwerfen, zu bauen und zu betreiben. Als Teil des Projekts wird ein neu gegründetes soziales Unternehmen von den Jugendlichen entwickelt, das es ihnen ermöglicht, die Produkte vom Bauernhof an lokale Unternehmen zu verkaufen und dadurch ihre Fähigkeiten in sozialem Unternehmertum, Wirtschaft und Marketing zu entwickeln. Solutions for Change, ein soziales Unternehmen, das sich der Lösung von familiärer Obdachlosigkeit verschrieben hat, betreibt Solutions Farms in Kalifornien. Die Aquaponik-Farm bietet obdachlosen Familien eine Ausbildung im Anbau von Tilapia und saisonalem Blattgrün und Kräutern, die dann an lokale Restaurants, Märkte und Schulen verkauft werden. Sie fungiert als Laboratorium, um wichtige Arbeitswerte zu vermitteln und die Menschen auf den Wiedereintritt in die Arbeitswelt vorzubereiten und dadurch Hoffnung zu wecken, aber auch zu produzieren. Asociacíon Huerto Lazo ist ein soziales Unternehmen in der Provinz Malaga, Spanien, das jungen Menschen aus schwierigen Verhältnissen Praktika anbietet. Die Praktikanten erhalten eine praktische Ausbildung in Aquaponik in einer sicheren Umgebung. Der Wels, der Tilapia und die Schleie werden an das Restaurant El Sollo in Fuengirola verkauft. 356 Abbildung 2: Aquaponik-Anlagen im Asociacíon Huerto Lazo - gegen den Uhrzeigersinn von links oben: Welsbecken im Aquaponik-Gewächshaus; Tilapia-Becken mit Gynostemma pentaphyllum, das für medizinische Zwecke verkauft wird; die Wasserfilterbecken in Huerto Lazo; Ulrich Eich bei der Demonstration seines Aquaponik-Systems (Fotos: Sarah Milliken). 15.5 Das Potential der Aquaponik für das Wohlbefinden älterer Menschen Die Aquaponik kann eine optimale Umgebung bieten, um verschiedene therapeutische Ziele bei einer Vielzahl von Klienten mit kognitiven und/oder körperlichen Behinderungen sowie bei speziellen Bevölkerungsgruppen wie älteren Menschen, Kindern oder Menschen mit Entwicklungsstörungen zu erreichen. Die therapeutischen Ziele von Fachleuten des Gesundheitswesens wie Ergo- und Physiotherapeuten sind die Förderung und/oder Behandlung des Wohlbefindens. Das primäre Ziel der Ergotherapie ist es, den Menschen die Teilnahme an den Aktivitäten des Alltagslebens zu ermöglichen. Ergotherapeutinnen und Ergotherapeuten erreichen dies, indem sie mit Menschen und Gemeinschaften zusammenarbeiten, um ihre Fähigkeit zu verbessern, sich in den Berufen zu engagieren, die sie wollen, brauchen oder von denen sie erwartet werden, oder indem sie den Beruf oder das Umfeld so verändern, dass ihr berufliches Engagement besser unterstützt wird (WFOT 2012). In der Beschäftigungstherapie beziehen sich die Berufe auf die alltäglichen Aktivitäten, die Menschen als Einzelpersonen, in Familien und mit Gemeinschaften ausüben, um Zeit zu verbringen 357 und dem Leben Sinn und Zweck zu geben. Zu den Berufen gehören Dinge, die Menschen brauchen, wollen und von denen erwartet wird, dass sie sie tun (WFOT 2012). Physiotherapeuten bieten Dienstleistungen an, die die maximale Bewegungs- und Funktionsfähigkeit der Menschen entwickeln, erhalten und wiederherstellen. Sie können Menschen in jeder Lebensphase helfen, wenn Bewegung und Funktion durch Alterung, Verletzungen, Krankheiten, Störungen, Zustände oder Umweltfaktoren bedroht sind. Physiotherapeuten helfen den Menschen, ihre Lebensqualität zu maximieren, indem sie auf das physische, psychische, emotionale und soziale Wohlbefinden achten (WCPT 2016). Aus therapeutischer Sicht ist eine Aquaponik ein Instrument, das die Entwicklung des kognitiven Verhaltens, der sensorisch-motorischen Integration und der motorischen Fähigkeiten fördern kann. Aktivitäten, die als therapeutisches Mittel eingesetzt werden können, umfassen die Teilnahme an der Auswahl der Pflanzen und Fische sowie deren tägliche Pflege und Beobachtung. Die erwartete therapeutische Wirkung der Aquaponik in Bezug auf das Wohlbefinden kann in verschiedenen Bereichen der Funktionsweise einer Person gefunden werden. 15.5.1 Kognitive Verhaltenskompetenzen Während des Prozesses der Pflege von Fischen und Pflanzen in einer Aquaponik können kognitive Funktionen wie Entscheidungsfindung, Kurzzeitgedächtnis, Langzeitgedächtnis, Aufmerksamkeitsspanne, Reaktionszeit, Wechsel zwischen den Aufgaben, Planung und Problemlösung erleichtert werden. Entscheidungsfindung ist der Prozess der Identifizierung und Auswahl von Alternativen auf der Grundlage der Werte, Präferenzen und Überzeugungen des Entscheidungsträgers. Wie die kognitive Funktion zeigt auch die Entscheidungsfindung über die gesamte Lebensspanne hinweg tiefgreifende altersbedingte Veränderungen (Tymula et al. 2013) Das Kurzzeitgedächtnis ist ein System zur vorübergehenden Speicherung und Verwaltung der Informationen, die für die Ausführung komplexer kognitiver Aufgaben wie Lernen, logisches Denken und Verstehen erforderlich sind. Das Kurzzeitgedächtnis ist die Fähigkeit, eine kleine Menge an Informationen für eine kurze Zeit in einem aktiven, leicht verfügbaren Zustand im Gedächtnis zu halten. Es kann zum Beispiel dazu verwendet werden, sich an eine gerade vorgetragene Telefonnummer zu erinnern. Die Dauer des Kurzzeitgedächtnisses wird in der Grössenordnung von Sekunden vermutet (normalerweise etwa 18 bis 30 Sekunden) (APA 2006). Bei der Alterung geht es nicht um die Speicherkapazität; das Gehirn ist keine überlastete Festplatte. Vielmehr scheinen die Veränderungen in der Art und Weise zu kommen, wie Menschen Informationen kodieren und abrufen. Interferenzen, wie z.B. Ablenkung, und eine langsamere Verarbeitung können das Wiederauffinden behindern, z.B. die Fähigkeit, sich Namen und Daten zu merken. Doch selbst mit diesen subtilen Veränderungen scheint die Mehrheit der älteren Erwachsenen immer noch in der Lage zu sein, neue Informationen effizient zu erfassen und im Langzeitgedächtnis zu speichern. Und das implizite Lernen - Lernen ohne bewusste Anstrengung - scheint bis ins hohe Alter mehr oder weniger unbeeinflusst zu bleiben. Es wird angenommen, dass ein gesunder Lebensstil die Gehirngesundheit unterstützt. Regelmässiges aerobes Training fördert nachweislich die Kognition, wahrscheinlich weil es die Durchblutung fördert und mehr Sauerstoff ins Gehirn bringt. Die Aufmerksamkeitsspanne ist die Menge an konzentrierter Zeit, die eine Person auf eine Aufgabe verwenden kann, ohne abgelenkt zu werden. Die meisten Pädagogen und Psychologen sind sich einig, dass die Fähigkeit, die Aufmerksamkeit auf eine Aufgabe 358 zu konzentrieren und aufrechtzuerhalten, entscheidend für die Erreichung der eigenen Ziele ist. Die Aufmerksamkeitsspanne kann einen grossen Einfluss auf die Arbeitsleistung und die Fähigkeit zur Bewältigung der Aufgaben des Alltagslebens haben - ein Mangel an Aufmerksamkeit kann dazu führen, dass wichtige Informationen verpasst werden, Fehler gemacht werden oder Schlimmeres passiert (APA 2006). Die Reaktionszeit ist die Zeit, die zwischen der Präsentation eines sensorischen Reizes und der anschliessenden Verhaltensreaktion verstrichen ist. In der psychometrischen Psychologie gilt er als Index der Verarbeitungsgeschwindigkeit: Er gibt an, wie schnell der Einzelne die für die jeweilige Aufgabe erforderlichen mentalen Operationen ausführen kann. Die Verarbeitungsgeschwindigkeit wiederum wird als ein Index der Verarbeitungseffizienz betrachtet. Die einfache Reaktionszeit verkürzt sich von der Kindheit bis in die späten 20er Jahre, steigt dann langsam bis in die 50er und 60er Jahre an und verlängert sich dann schneller, wenn die Person in die 70er Jahre und darüber hinauskommt. Mit anderen Worten: Entgegen ihrer glühenden Überzeugung werden Jugendliche wahrscheinlich langsamer reagieren als Erwachsene. Auch die Reaktionszeit wird mit dem Alter und mit der AlzheimerKrankheit variabler. Der Grund für die Verlangsamung der Reaktionszeit mit dem Alter sind nicht nur einfache mechanische Faktoren wie die Geschwindigkeit der Nervenleitung, sondern kann mit der Tendenz älterer Menschen zusammenhängen, vorsichtiger zu sein und ihre Reaktionen genauer zu überwachen. Es wurde festgestellt, dass alte Menschen, die dazu neigen, in Pflegeheimen zu stürzen, eine deutlich längere Reaktionszeit haben als solche, die nicht dazu neigen, zu stürzen. 15.5.2 Sensorisch-motorische Integration Die sensorischen Reize werden während des Prozesses der Bewirtschaftung und Pflege von Fischen und Pflanzen in einer Aquaponik erhöht, insbesondere in den olfaktorischen und somatosensorischen Modalitäten. Alltägliche Gegenstände (Pflanzen, Fische) werden zur Sinnesanregung benutzt. Das Ziel der sensorischen Stimulation ist es, die sensomotorische Integration zu fördern, positive Gefühle hervorzurufen, die Stimmung zu beeinflussen und das Selbstwertgefühl und das Wohlbefinden zu steigern. Der wiederholte Kontakt mit intensiven Reizen fördert die sensorische Integration und ermöglicht die Entwicklung kognitiver Verhaltensfähigkeiten. Duftende Kräuter liefern intensive olfaktorische Reize, die im limbischen System oder im so genannten emotionalen Gehirn involviert sind (Abbildung 3). Berufliche Leistungsschwierigkeiten aufgrund von Herausforderungen bei der Sinnesmodulation oder einer schlechten Integration von Empfindungen können aus Schwierigkeiten bei der Art und Weise resultieren, wie das Nervensystem die sensorischen Informationen des Körpers und der physischen Umgebung empfängt, organisiert und für die Selbstregulierung, die motorische Planung und die Entwicklung von Fähigkeiten nutzt. Diese Probleme wirken sich auf das Selbstkonzept, die emotionale Regulierung, die Aufmerksamkeit, die Problemlösung, die Verhaltenskontrolle, die Leistungsfähigkeit und die Fähigkeit, zwischenmenschliche Beziehungen zu entwickeln und zu pflegen, aus. Bei Erwachsenen können sie die Fähigkeit zur Elternschaft, zur Arbeit oder zur Ausübung von Hauswirtschaft, sozialen und Freizeitaktivitäten negativ beeinflussen. Berufliche Leistungseinschränkungen aufgrund schlechter Integration und Verarbeitung von Empfindungen können isoliert auftreten, zu anderen Erkrankungen wie Angst- und Panikstörungen, Depressionen, posttraumatischen Belastungsstörungen oder Schizophrenie beitragen oder mit diesen koexistieren. Auch Menschen mit Lernbehinderungen, Aufmerksamkeitsdefizitstörungen, Entwicklungsstörungen oder Störungen des Autismus-Spektrums können diese Schwierigkeiten haben. Eine schlechte 359 sensorische Integration ist in verschiedenen Aspekten des menschlichen Lebens während der gesamten Lebensspanne zu beobachten (Tabelle 15.1). Die seit den 1960er Jahren in Europa eingesetzte sensorische Integration wurde ursprünglich entwickelt, um Menschen mit Lernbehinderungen zu helfen. Es war eine Möglichkeit für sie, eine sichere, anregende Umgebung zu erkunden, die ihnen altersgerechte und angenehme Aktivitäten bot. Es hat sich auch herausgestellt, dass mit dieser Technik bis zu 30 Jahre des kognitiven Alterns reduziert werden können (WFOT 2012). Abbildung 3: Sensorische Stimulation von Tastsinn und Geruch bei der Bewirtschaftung von Pflanzen. 15.5.3 Motorische Fähigkeiten Mobilität ist die Grundfähigkeit, die es jemandem ermöglicht, sich an seine Umgebung anzupassen und seine physiologischen und psychologischen Bedürfnisse zu erfüllen. Die Mobilitätsfähigkeit kann aufgrund von Verletzungen, Krankheiten oder Alterung abnehmen. Die verminderte Mobilität führt zum Verlust eines unabhängigen Lebens und zu einer Verringerung der Lebensqualität. Eine Folge schlechter Mobilitätsfähigkeiten ist oft ein plötzlicher und unbeabsichtigter Sturz mit verschiedenen Folgen. Fallbedingte Verletzungen sind häufiger bei älteren Menschen und eine Hauptursache für Schmerzen, Behinderungen, Verlust der Unabhängigkeit und vorzeitigen Tod (WHO 2007). Die finanziellen Kosten sind erheblich und steigen weltweit. Die persönlichen, familiären und gesellschaftlichen Auswirkungen von sturzbezogenen Verletzungen für ältere Menschen, ihre Familien und die Gesellschaft sowie die Möglichkeit wirksamer Interventionen machen dies zu einem wichtigen globalen Gesundheitsthema. Eine wirksame Ausrichtung der Ressourcen auf die Prävention von Stürzen und damit verbundenen Verletzungen erfordert Kenntnisse über das Ausmass und die Art des Problems sowie Beweise für wirksame Interventionen. Dies erfordert eine Sensibilisierung für das 360 Ausmass der Stürze älterer Erwachsener, eine Intensivierung der Forschungsbemühungen und die Förderung von Massnahmen zur Prävention weltweit. Tabelle 15.1: Die Folgen schlechter sensorischer Organisation im Erwachsenenalter (WFOT 2012) Körperempfinden (Berührung und Bewegungen) • • Motorische Leistungsfähigkeit Empfindlich auf Textur und Passform, was dazu • führt, dass einige Arten von Kleidung (z.B. Krawatten, Rollkragen, Strumpfhosen) vermieden werden • Abneigung gegen Menschenmengen oder Gedränge an öffentlichen Orten (z.B. Anstehen in • der Schlange oder Einkaufen) • Wird durch leichte oder unerwartete Berührungen • irritiert. Kann Schwierigkeiten mit intimen Berührungen haben • Eingeschränktes Engagement bei der Zubereitung von Speisen und Mahlzeiten und/oder • Abwechslung in der Ernährung • Schwierigkeiten beim Fahren, Einparken, Schalten oder bei der Einfahrt auf die Autobahn mit einem Auto Schwierigkeiten bei der Verwaltung gemeinsamen Haus- und Büroausstattung der Ungeschickt oder unbeholfen bei motorischen Aktivitäten (z.B. Bewegung, Freizeit, Selbstpflege) Schwierigkeiten bei der Organisation und Planung von Material und Umwelt, die sich möglicherweise auf die Arbeitsleistung und die Gesundheit und Sicherheit zu Hause auswirken Schwierigkeiten beim Befolgen von Anweisungen bei der Navigation im Freien Können nicht erkennen, wenn zB die Kleidung schief ist Vestibuläre (Innenohr-Balance) Probleme Soziale Leistung • Schwierigkeiten mit dem Gleichgewicht, • Abneigung gegen das Gehen auf unebenem Untergrund • Abneigung gegen oder Desorientierung Aufzügen oder auf Rolltreppen in • Übelkeit beim Fahren im Auto. Notwendigkeit, auf dem Vordersitz zu fahren oder der Fahrer zu sein • Angst vor dem Verlassen des Hauses oder vor dem Fliegen Auditorische Probleme Schwierigkeiten bei der Unterscheidung von visuellen und auditiven Hinweisen, die sich auf die sozialen Interaktionen und die Rollenleistung auswirken • Schwierigkeiten mit der Körperwahrnehmung, die sich auf die Körpergrenzen und das Körperbild auswirken • Schwierigkeit, Töne zu unterscheiden und verbalen Anweisungen zu folgen • Schwierigkeiten beim Umgang mit Selbstpflege und Hygiene Emotions-Regulation • Durch Geräusche irritiert werden, die andere • normalerweise nicht stören (z.B. Kratzen von Stiften oder Kugelschreibern, Summen von Lichtern, Essen anderer, Rascheln von Bonbonpapier) Schwierigkeiten bei der Unterscheidung von visuellen und auditiven Hinweisen, wodurch die Fähigkeit, die emotionalen Äusserungen anderer zu verstehen, vermindert wird, was zu Frustration, Angst und Wutbeherrschung führt • Empfindlich gegen laute Geräusche • Schwierigkeiten bei der Entwicklung adaptiver sensorischer körperlicher Unterstützung (d.h. Bewegung, Umweltanpassungen) für die emotionale Regulation 361 Die steigende Zahl älterer Erwachsener, ihr Bedürfnis nach einem aktiven und gesunden Lebensstil und die steigenden Kosten für die Rehabilitation nach Stürzen sind die Hauptantriebskraft für politische Entscheidungsträger, Gesundheitsbehörden und Ärzte bei der Zuweisung von finanziellen und personellen Ressourcen, um wirksame Programme zur Sturzprävention und zur Verbesserung oder Erhaltung des Gleichgewichts zu finden. Gleichgewichtsdefizite können durch Beeinträchtigungen des Körpergefühls, des Innenohrgleichgewichts, der Muskeln und Knochen sowie des Sehvermögens entstehen und sich erheblich negativ auf die Mobilität und funktionelle Unabhängigkeit auswirken. Regelmässige körperliche Bewegung hat ihre positive Wirkung bei der Steigerung der Funktionsfähigkeit, der allgemeinen Beweglichkeit, des Gleichgewichts und des Ganges (Gheysen et al. 2018) bewiesen. Dies sind alles Schlüsselkomponenten in Sturzpräventionsprogrammen (WHO 2007). Das Betreten von ebenem Boden auf eine erhöhte Fläche, wie z.B. Treppensteigen oder aerobes Stufentraining während der Übung, ist eine komplexe Gleichgewichtsaktivität. Sie erfordert die Verlagerung des Gewichts von einem Bein auf das andere und die Stabilisierung des belasteten Beins, dynamische Stabilität bei Gewichtsverlagerungen, Höhen- und Tiefenwahrnehmung, Augen-BeinKoordination für die Höhe und Tiefe der Treppennutzung, ausreichend konzentrische Muskelkraft, um das Körpergewicht während des Aufstiegs zu heben, und ausreichend exzentrische Muskelkraft, um den Körper während des Abstiegs zu senken. Die Stufe umfasst somit acht der identifizierten neun Gleichgewichtskomponenten. Die doppelte Aufgabe ist zu einer zunehmenden Forderung des Alltags geworden. Duale Aufgaben werden definiert als die gleichzeitige Ausführung von zwei Aufgaben, die unabhängig voneinander ausgeführt werden können und unterschiedliche und getrennte Ziele haben. Wenn Menschen versuchen, mehr als eine Sache gleichzeitig zu tun, leidet in der Regel die Leistung. Dies wird als Kosten für zwei Aufgaben bezeichnet. Es wird angenommen, dass diese Kosten auf der Ebene der Informationsverarbeitung im zentralen Nervensystem entstehen. Der Rückgang der Qualität und Geschwindigkeit bei der gleichzeitigen Ausführung zweier Aufgaben erklärt sich durch Aufgaben, die um begrenzte Ressourcen konkurrieren. Insbesondere die Aufmerksamkeitsfunktion ist wichtig, da eine grössere Aufmerksamkeit implizit mit dem erhöhten Niveau der kognitiven Verarbeitung verbunden ist, die zur Erfüllung der gewünschten Aufgabe erforderlich ist. Die Person muss einer Aufgabe mehr Aufmerksamkeit widmen, um sich an ihre erhöhte Komplexität anzupassen. Der Rückgang der Leistungsqualität bei der Doppelaufgabe wird durch zwei Theorien (Agmon et al. 2014) erklärt. Die Kapazitätstheorie geht davon aus, dass die Konsequenz der gleichzeitigen Nutzung begrenzter Aufmerksamkeitsressourcen reduziert wird und die Person die Aufmerksamkeit von der einen auf die andere Aufgabe verlagert. Die Engpass-Theorie hingegen geht davon aus, dass die Parallelverarbeitung schwieriger ist, wenn die gleichen kognitiven Operationen erforderlich sind und eine Person eine Aufgabe gegenüber einer anderen priorisiert und diese sequentiell behandelt. Im täglichen Leben sind Menschen mit der gleichzeitigen Ausübung mehrerer verschiedener Aktivitäten beschäftigt, wobei sie die Haltungskontrolle und das Gehen beibehalten. Zu den üblichen funktionalen Aufgaben in Verbindung mit dem Stehen und Gehen gehören das Kochen, das Telefonieren beim Gehen und das Sprechen beim Überqueren der Strasse. Obwohl Gleichgewicht und Gehen grundlegende Fähigkeiten für ein unabhängiges und aktives Leben sind, gibt es immer noch keinen Konsens darüber, inwieweit die Haltungskontrolle und das Gehen automatisiert sind oder wie viel Aufmerksamkeit für ihre Aufrechterhaltung erforderlich ist. Daher wurden mehrere therapeutische Ansätze entwickelt, bei denen Doppelarbeitssituationen sicher geübt werden. Bei den Aufgabenpaaren kann es sich um zwei motorische Aufgaben (Tragen von Gegenständen beim Gehen) und eine motorische und eine kognitive Aufgabe (Stehen oder Gehen während des Sprechens oder der Entscheidungsfindung) handeln. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass die Kosten für 362 Doppelaufgaben nach der Ausbildung sinken, obwohl sie sich auf ausgebildete Aufgabenpaare (Agmon et al. 2014) beschränken. Abbildung 4: Ein Beispiel für den Weg der Hindernisverhandlung als Teil eines ausgewogenen spezifischen Trainings für ältere Menschen in Gemeinschaftswohnungen (Fotos von Darja Rugelj) Eine Aquaponik kann so gestaltet werden, dass sie eine reichweitenstarke Umgebung für das Training von Mobilitätsfähigkeiten wie Gleichgewichtstraining, Hindernisverhandlung und Vermeidung beim Gang sowie für das Training von Doppelaufgaben bietet. Die herausragendsten Fähigkeiten, die bekanntermassen die Häufigkeit von Stürzen bei älteren Menschen verringern, sind das Treppensteigen, Treppensteigen, das Verhindern von Hindernissen und das Drehen um vertikale Achsen (Guirguis-Blake et al. 2018). Allerdings sollten die Risikofaktoren der Umwelt erkannt werden, und die Umgebung einer Aquaponik-Anlage sollte den bekannten Standards der Umweltsicherheit entsprechen. Mikro-aquaponische Systeme scheinen aufgrund ihrer geringen Kosten und ihres geringen Platzbedarfs ein ideales Werkzeug für therapeutische und pädagogische Zwecke zu sein (Maucieri et al. 2018). Darüber hinaus erfordert der Betrieb eines Aquaponik-Systems eine Vielzahl verschiedener Fachleute, und daher ist es ein ideales Umfeld für den Aufbau interpersoneller Kommunikationsfähigkeiten und Teamarbeit in Schulen oder mit körperlich oder geistig behinderten Gruppen (Morano et al. 2017). 15.6 Referenzen Agmon, M., Belza, B., Nguyen, H.Q., Logsdon, R.G. & Kelly, V.E. 2014. 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