Challenges of Microalgae Integration in Recirculating Aquaculture Systems: Bridging Potential and Practice

Stellen Sie sich eine Fischfarm vor, die nicht nur Fische züchtet, sondern auch das Futter für sie anbaut und das Wasser, in dem sie schwimmen, reinigt – und das alles innerhalb eines einzigen, geschlossenen Kreislaufs. Dies ist das Versprechen von rezirkulierenden Aquakultursystemen, oder RAS. In diesen landbasierten Anlagen wird das Wasser ständig gefiltert und wiederverwendet, anstatt es in Flüsse oder Ozeane zu leiten. Das System stützt sich auf Bakterien, die den toxischen Fischabfall in harmlose Nährstoffe umwandeln, aber das Wasser trägt dennoch gelösten Stickstoff und Phosphor, die sich auf schädliche Mengen anreichern können. Seit Jahrzehnten suchen Wissenschaftler nach einem Weg, diese verbleibenden Nährstoffe zur Zucht von etwas Nützlichem zu verwenden, anstatt sie lediglich als Abfall zu behandeln. Hier kommen Mikroalgen ins Spiel, mikroskopisch kleine Pflanzen, die im Wasser schweben. Diese winzigen Organismen sind natürliche Kraftpakete; sie atmen Kohlendioxid ein, setzen Sauerstoff frei und ernähren sich von den gelösten Nährstoffen, die die Fische nicht nutzen können. Wenn man sie innerhalb der Fischfarm selbst züchten könnte, könnten sie das Wasser reinigen, frisches Futter für die Fische bereitstellen und sogar Kohlenstoff binden, wodurch ein wahrhaft kreisförmiges Ökosystem entstünde.

Ein aktueller Review von Forschern der Universität Kiel und der Hochschule Bremerhaven wirft einen harten, klaren Blick darauf, ob diese Idee tatsächlich auf kommerzieller Ebene funktionieren kann. Das Team untersuchte hunderte Studien, um zu sehen, ob die Integration von lebenden Mikroalgen in Fischfarmen eine praktikable Realität oder nur eine vielversprechende Theorie ist. Sie fanden heraus, dass das Konzept zwar wissenschaftlich fundiert ist und mehrere Vorteile bietet, der Weg vom Labor zu einer funktionierenden Fischfarm jedoch durch erhebliche praktische Hürden blockiert wird. Die Forscher bestätigen, dass Mikroalgen tatsächlich als biologischer Filter fungieren können, indem sie überschüssige Nährstoffe absorbieren und die Wasserqualität verbessern. Sie dienen zudem als nahrhafte Ergänzung, die die Gesundheit und das Wachstum von Fischen und Garnelen fördern kann. Die Studie kommt jedoch zu dem Schluss, dass die Technologie trotz dieser Vorteile noch nicht bereit für eine breite Anwendung ist. Die Haupthindernisse sind nicht ein Mangel an Wissen, sondern die Schwierigkeit, die Algen in einer unordentlichen, wechselhaften Umgebung am Leben zu erhalten und produktiv zu halten, sowie die hohen Kosten für die Ernte dieser winzigen Organismen, sobald sie gewachsen sind.

Die potenziellen Vorteile dieser Integration sind beträchtlich. In einer typischen Fischfarm lösen sich unverbrauchtes Futter und Fischabfälle im Wasser auf und erzeugen eine Nährstoffsuppe, die die Fische schädigen kann, wenn sie nicht kontrolliert wird. Mikroalgen können diese Nährstoffe aufsaugen und sie in neue Biomasse umwandeln. Dieser Prozess reinigt nicht nur das Wasser, sondern produziert auch Sauerstoff, der für die Fische lebensnotwendig ist. Darüber hinaus sind die Algen selbst vollgepackt mit Proteinen und gesunden Fetten, was bedeutet, dass sie potenziell teures Fischmehl in der Nahrung der gezüchteten Tiere ersetzen könnten. Die Forscher merkten an, dass bestimmte Arten von Algen, wie etwa Chlorella und Tetradesmus, in kontrollierten Umgebungen gezeigt haben, dass sie große Mengen an Stickstoff und Phosphor aus dem Wasser entfernen können. In einigen Experimenten verbesserte die Zugabe von Algen zum System die Überlebensraten von Jungfischen und Garnelen und machte sie widerstandsfähiger gegen Krankheiten. Die Algen helfen auch dabei, die Wasserchemie zu stabilisieren, was verhindert, dass der pH-Wert zu stark schwankt, was die Tiere stressen könnte.

Der Übergang von einem kleinen, kontrollierten Experiment zu einer großen, kommerziellen Fischfarm ist jedoch der Punkt, an dem die Schwierigkeiten beginnen. Die primäre Herausforderung besteht darin, dass eine Fischfarm ein chaotischer Ort ist. Die Wasserqualität ändert sich ständig, je nachdem, wie viel die Fische fressen, wie viele sich im Tank befinden und wie gut die Filter arbeiten. Mikroalgen sind sensibel; sie benötigen spezifische Mengen an Licht, Temperatur und Nährstoffen, um zu gedeihen. In einem großen Tank können die Algen so dicht wachsen, dass sie das Licht für die darunter liegenden Algen blockieren, was die gesamte Kultur verlangsamt oder absterben lässt. Dieses Phänomen, bekannt als Selbstbeschattung, ist ein wesentlicher Engpass. Zudem müssen die Algen mit Bakterien und anderen mikroskopischen Organismen konkurrieren, die ebenfalls im Fischabfall vorhanden sind. Manchmal übernehmen diese unerwünschten Konkurrenten das Kommando, was zum Zusammenbruch der Algenkultur führt. Die Forscher fanden heraus, dass es unglaublich schwierig ist, eine stabile, reine Algenkultur in einer nicht-sterilen Fischfarmumgebung aufrechtzuerhalten, was oft zu inkonsistenten Ergebnissen führt.

Selbst wenn die Algen gut wachsen, stellt das Herausbekommen aus dem Wasser ein massives technisches und wirtschaftliches Problem dar. Mikroalgenzellen sind mikroskopisch klein und schweben in sehr geringen Konzentrationen im Wasser, was ihre Trennung vom Wasser schwierig macht. Der Prozess der Ernte erfordert erhebliche Energie und teure Ausrüstung, wie Zentrifugen oder spezielle Filter. Die Studie hebt hervor, dass die Kosten für die Ernte und Trocknung der Algen oft den Wert der Algen als Futtermittel übersteigen. In vielen Fällen ist der Energieaufwand für den Betrieb der Lichter, Pumpen und Erntemaschinen so hoch, dass der gesamte Prozess teurer ist als der bloße Kauf herkömmlichen Fischfutters. Die Forscher weisen darauf hin, dass die Verwendung von Abwasser zur Algenzucht zwar Geld bei Düngemitteln spart, dies aber nicht ausreicht, um die hohen Kosten für Maschinen und Strom zu decken, die für den Betrieb des Systems benötigt werden.

Ein weiteres kritisches Problem ist die Klarheit des Wassers. Fische müssen ihr Futter sehen können, um es zu fressen, und sie verlassen sich auf ihren Sehsinn, um zu navigieren und Stress zu vermeiden. Wenn das Wasser mit einer dichten grünen Algenwolke gefüllt ist, wird es trüb, was die Fische verwirren, ihre Nahrungsaufnahme reduzieren und ihr Stressniveau erhöhen kann. Die Forscher fanden heraus, dass ein empfindliches Gleichgewicht gefunden werden muss: genug Algen, um das Wasser zu reinigen, aber nicht so viele, dass der Tank zu einer grünen Suppe wird. Dieses Gleichgewicht in Echtzeit zu steuern, ist schwierig, da die Algen mit unterschiedlichen Raten wachsen und absterben und die Fische zu unvorhersehbaren Zeiten Abfall produzieren. Die aktuelle Technologie hat Schwierigkeiten, diese Bedingungen automatisch zu überwachen und anzupassen, was die Betreiber der Fischfarmen raten lässt, wie viel Algen zu viel sind.

Das wirtschaftliche Bild bleibt die größte Barriere. Der Review analysierte verschiedene Kosten und stellte fest, dass große Algenteiche zwar etwas profitabel sein können, wenn sie primär zur Abwasserreinigung eingesetzt werden, der Einsatz in einer Fischfarm speziell zur Produktion von Futter jedoch selten kosteneffizient ist. Die Kapitalinvestitionen für die Reaktoren, die Lichter und die Ernteausrüstung sind hoch, und die Betriebskosten für Strom und Arbeit sind sogar noch höher. Die Studie legt nahe, dass kommerzielle Fischfarmen wahrscheinlich bei herkömmlichen Methoden bleiben werden, sofern der Preis für traditionelles Fischfutter nicht drastisch steigt oder die Kosten für die Algenernte dramatisch sinken. Die einzigen Szenarien, in denen die Zahlen Sinn ergeben, sind in sehr spezifischen, hochwertigen Situationen oder dort, wo die Algen für andere Zwecke gezüchtet werden, wie etwa zur Produktion von Biokraftstoffen oder Pharmazeutika, statt nur als Fischfutter.

Letztlich kommt das Paper zu dem Schluss, dass die Idee einer Fischfarm, die ihr eigenes Futter anbaut und ihr eigenes Wasser reinigt, wissenschaftlich zwar möglich, aber für die meisten Farmer noch keine praktische Realität ist. Die Technologie funktioniert in kleinen, sorgfältig kontrollierten Experimenten, hat sich jedoch noch nicht bewährt, zuverlässig und kostengünstig in großem Maßstab zu funktionieren. Die Forscher betonen, dass der zukünftige Erfolg von der Entwicklung besserer Wege zur Ernte der Algen, der Schaffung von Algenstämmen, die robuster und leichter in unordentlichen Umgebungen zu züchten sind, und dem Finden günstigerer Methoden zur Beleuchtung und Durchmischung des Wassers abhängt. Bis diese technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen gelöst sind, wird die Integration von Mikroalgen in rezirkulierende Aquakultursysteme wahrscheinlich eher ein Nischenexperiment als eine Standardpraxis der Industrie bleiben. Das Potenzial ist vorhanden, aber der Weg, um dies zu einem Routinebestandteil der Fischzucht zu machen, ist noch lang und steil.