Nexus Wasser und Ernährungssicherheit

Das Innovationsfeld Wasssertechnologien, Wertstoffgewinnung und Scale-up des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik forscht an hydroponischen Systemen für eine »bodenlose« Landwirtschaft, die Ressourcen schont, die Umwelt weniger belastet und Pflanzenanbau sogar in unwirtlichen Regionen ermöglicht.

Damit wollen wir Lösungen liefern für die globale Herausforderung, wie wir vor dem Hintergrund des Klimawandels und der damit einhergehenden Wasserknappheit und daraus resultierenden Konflikten dennoch eine Sicherung der Ernährung erreichen können.

Was ist Hydroponik?

Weltweit gehört die Landwirtschaft zu den Sektoren mit dem höchsten Wasserverbrauch – neue Konzepte für wassersparende Methoden der Pflanzenkultivierung sind daher gefragt.

Aus diesem Grund beschäftigt sich das Fraunhofer IGB mit der Hydroponik, einem als wassereffizient geltenden landwirtschaftlichen Produktionssystem. Hydroponische Systeme kommen gänzlich ohne Boden aus: Die Pflanzen wachsen in geschlossenen bewässerten Systemen, sodass kein Wasser im Boden versickert und weniger Wasser durch Verdungstung verloren geht. Die für das Wachstum notwendige Aufnahme von Nährstoffen erfolgt allein über eine Nährstofflösung. 

Vorteile des hydroponischen Pflanzenbaus

• Wassereffizienter Pflanzenanbau
• Im Gewächshaus auch in Mitteleuropa ganzjährige Kultivierung möglich
• Verwendung von wiederaufbereitetem Abwasser zur Wasserversorgung möglich
• Einsatz von Nährstoffen, die aus organischen Abfällen oder Abwasser gewonnen wurden
• Energiebedarf kann aus dezentral erzeugter regenerativer Energie gedeckt werden
  

Interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Kompetenzen

• Wassermanagement: Verfahrenstechnik und Digitalisierung
  
• Wasserqualität: Analytik/Sensorik, Hygiene/Mikrobiologie
• Nährstoffmanagement
• Pflanzenbau und Pflanzenkultivierung

Unsere Forschung geht dabei den Fragen nach, wie ein möglichst großer landwirtschaftlicher Ertrag mit möglichst wenig Wasser erzielt werden kann, unter welchen Bedingungen sich Wasser wiederverwenden lässt (z. B. aus aufbereitetem kommunalem Abwasser) und wie sich für die Bereitstellung der Nährstoffe auch Nährstoffquellen wie Abwasser oder Lebensmittelabfälle einsetzen lassen.  

Unser Ziel ist, Wasser und Nährstoffe im Kreislauf zu führen und damit sowohl zur Ernährungssicherung als auch zu einem effizienten Umgang mit Ressourcen beizutragen.

Nährstoffe aus Abwasser

Anaerob gereinigtes Abwasser beispielsweise enthält nach dem Abbau der organischen Verbindungen noch reichlich anorganische Phosphat- und Ammoniumsalze – Nährstoffe, die in der Landwirtschaft dringend benötigt werden. Im Forschungsprojekt HypoWave hat das IGB mit Partnern untersucht, ob und wie sich anaerob gereinigtes kommunales Abwasser aufgrund seines Nährstoffgehalts auch für die hydroponische Pflanzenproduktion wiederverwenden lässt. Die Ergebnisse eines Pilotversuchs mit Salatpflanzen zeigen, dass nur eine geringe zusätzliche Nährstoffzufuhr für ein gutes Wachstum erforderlich ist – mit dem Abwasser also auch die darin enthaltenen Nährstoffe sinnvoll wieder genutzt werden.

Nährstoffe aus organischen Abfällen

Mineralische Nährsalze für den hydroponischen Pflanzenbau sind kostspielig und in ländlichen Regionen Afrikas nicht immer erschwinglich. Im Projekt NexusHub untersuchen wir daher, wie wir lokal verfügbare organische Ressourcen wie pflanzliche und tierische Reststoffe, zu einer hydroponischen Nährstofflösung aufbereiten können. Mittels anaerober Vergärung und anschließender sequenzieller biologischer Behandlung in einem Sequencing Batch Reactor (SBR) konnten wir die Reststoffe in pflanzenverfügbare Nährstoffe umwandeln.

Nationales und internationales Netzwerk

In Deutschland erforschen wir im Projekt HypoWave und seinem Nachfolgeprojekt HypoWave+ zusammen mit einem interdisziplinären Konsortium unter der Koordination der Technischen Universität  Braunschweig (Institut für Siedlungswasserwirtschaft, Prof. Dr. Thomas Dockhorn) die Möglichkeiten, kommunales Abwasser für die Landwirtschaft aufzubereiten.

Bereits seit den Anfängen unserer Aktivitäten in GreenUp Sahara stehen wir in regelmäßigem Austausch mit international agierenden Organisationen wie Oxfam oder dem World Food Programme (WFP).

Auch mit der Universität Stellenbosch in Südafrika vertiefen wir unsere Zusammenarbeit im Bereich der Hydroponik mit wiederverwerteten Abfällen im Rahmen der Fraunhofer Innovation Platform for the Water-Energy-Food Nexus at Stellenbosch University (FIP-WEF@SU).

Lokale Lösungen für globale Herausforderungen  

Die entwickelten Technologien sind besonders für wasserarme und von Dürren betroffene Weltregionen relevant, allen voran Afrika/Ostafrika und den Mittleren Osten.

Angesichts ausbleibender Regenfälle in den letzten Sommern wird das Thema Wassereffizienz und damit die hydroponische Landwirtschaft auch für Deutschland und Europa immer wichtiger.