HypoWave+ – Implementierung eines hydroponischen Systems als nachhaltige Innovation zur ressourceneffizienten landwirtschaftlichen Wasserwiederverwendung

Herausforderung und Hintergrund

Klimawandel, Urbanisierung und Verschmutzung der herkömmlichen Wasserressourcen führen in den nächsten Jahrzehnten regional zu verschärften Konkurrenzen um die Nutzung der knapper werdenden Ressource Wasser. Gleichzeitig gibt es eine wachsende Nachfrage nach regional und ressourcenschonend produziertem Gemüse. Für die Bewässerung in der Landwirtschaft kann umweltschonendes Wasserrecycling zur Erhöhung des Wasserangebots dienen. Im Projekt HypoWave wurde das Konzept entwickelt und konzipiert, im Folgeprojekt HypoWave+ unter der Leitung der TU Braunschweig erfolgte nun die wissenschaftliche Begleitung der großtechnischen Umsetzung.

Forschungsansatz

Ziel des transdisziplinären Forschungsverbundes ist es, eine neue Form von regionaler Gemüseproduktion zu etablieren. Basierend auf den Ergebnissen des Forschungsprojekts HypoWave entschieden sich Landwirte in der Region Gifhorn zur Gründung eines Unternehmens, das hydroponisch erzeugtes Gemüse produziert. HypoWave+ begleitet dieses Vorhaben wissenschaftlich und geht offenen Fragestellungen in den Bereichen Wasseraufbereitung, Gemüseproduktion, intelligente Steuerungstechnik, Qualitätsmanagement und institutionelle Arrangements nach. Damit sollte die Marktfähigkeit von hydroponisch erzeugtem Gemüse mittels umweltschonendem Wasserrecycling weiterentwickelt werden, mit dem Ziel, es an anderen Standorten ebenfalls anzuwenden.

Im Rahmen von HypoWave+ beschäftigte sich das Fraunhofer IGB mit der Digitalisierung der eingesetzten Prozesse. Hierzu koordinierte das Team die Arbeiten zur integrierten Datenerfassung und Steuerung der Wasseraufbereitung und des Gewächshauses sowie zum Aufbau und Betrieb der für die Datenerfassung und -verarbeitung benötigten Infrastruktur. Darüber hinaus war das IGB für den Nachweis von (pflanzen)pathogenen Mikroorganismen und Viren im aufbereiteten Wasser verantwortlich und brachte, gemeinsam mit anderen Partnern und Akteuren vor Ort, seine fachliche Expertise zu Fragen der Akzeptanz und Qualität der neuen Prozesskette sowie zum Risikomanagement ein.

Digitalisierung

Die Vernetzung der wasserwirtschaftlichen und pflanzenbaulichen Systemelemente – aufgrund der proprietären Steuerungslogiken der Einzelkomponenten eine Herausforderung –  konnte erfolgreich durch das Fraunhofer IGB realisiert werden. Darüber hinaus wurde auch untersucht, inwiefern hier Künstliche Intelligenz (künstliche neuronale Netze) zu einer Optimierung des Betriebs eingesetzt werden kann. Die Arbeiten zur Integration solcher KI-Elemente sind wichtig, um die Möglichkeiten dieser sich schnell entwickelnden Technologie für die Anforderungen der Wasserwiederverwendung nutzbar zu machen. Damit kann einerseits die Effizienz der eingesetzten Mittel erhöht, andererseits können die Risiken der Kreislaufschließung reduziert werden. Damit wird eine Grundlage zur Verbreitung der Wasserwiederverwendung in Deutschland und für die Exportfähigkeit von in Deutschland entwickelten Lösungen gelegt.

Integriertes Qualitätsmanagement

Im Rahmen des Integrierten Qualitätsmanagements hat sich das Fraunhofer IGB insbesondere mit dem Risikomanagement auseinandergesetzt. So wurde für die Realisierung der Wasserwiederverwendung in Weißenberge in enger Abstimmung mit den involvierten Partnern ein Risikomanagementplan (RMP) ausgearbeitet, welcher die Grundlage für die erfolgreiche Beantragung bei der unteren Wasserbehörde Gifhorn darstellte. Hierdurch wurde die beispielhafte Realisierung der Wasserwiederverwendung in Weißenberge erst möglich. Zudem wurde hier gemeinsam mit dem ISOE ein integriertes Qualitätsmanagementkonzept erarbeitet, welches publiziert wurde und damit auch für andere Anwendungen zur Verfügung steht [1, 2] .

Es zeigte sich, dass die Risiken für Mensch und Umwelt durch die Wasserwiederverwendung in Weißenberge mit der vorhandenen Verfahrenskette insgesamt als gering einzustufen sind. Dies bestätigten auch die Wasser- und Produktanalysen. Chemische und mikrobielle Risiken konnten durch die Wasserbehandlung und multiplen Barrieren erfolgreich adressiert werden.

Bezüglich phytopathogener Mikroorganismen wurden am Fraunhofer IGB beispielhafte Untersuchungen durchgeführt, die es in Zukunft erlauben, entsprechende Risiken für die Wasserwiederverwendung in hydroponischen Systemen besser einzuordnen und zu minimieren. Während humanpathogene Mikroorganismen im Kontext der Wasserwiederverwendung im Fokus stehen, sind Informationen zum Eintrag pflanzenpathogener Mikroorganismen, die vor allem finanzielle Einbußen für den Landwirt verursachen können, nur sehr eingeschränkt verfügbar. Mit unseren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass unter den Bedingungen von Hypowave+ nur ein sehr geringes Risiko besteht für einen Schaden durch pflanzenpathogene Mikroorganismen aus aufbereitetem Wasser. Da die innerhalb des Projekts angewendeten Untersuchungen sehr kostenintensiv sind, wurden weitere Methoden entwickelt, um den Nachweis bestimmter pflanzenpathogener Mikroorganismen zu vereinfachen und besser zugänglich zu machen. Dies soll zukünftig eine bessere Datengrundlage liefern, da die Messbarkeit vereinfacht worden ist [3].

Publikationen

1. Winker, Martina/Marc Beckett/Thomas Dockhorn/Nico Domurath/Tim Gebhardt/Jorn Germer/Heide Kerber/ Christian Lampe/Marius Mohr/Stefan Pieper/Michaela Rohrbach/Engelbert Schramm (2025): Integrated Quality Management for Hydroponic Water Reuse – A Dual-Objective Approach. Water Reuse. https://doi.org/10.2166/wrd.2025.033
2. Beckett, Marc/Marius Mohr/Martina Winker/Michaela Rohrbach/Antje Schwarzer/Tim Gebhardt/Thomas Dockhorn (2025): A critical assessment of the applicability of EU regulation 2020/741 for the development of a risk management plan for hydroponic water reuse. Water Reuse. https://doi.org/10.2166/wrd.2025.032
3. Kriem, Lukas Simon, King, Neil, Niemann, Sinja, Vainshtein, Yevhen, Sonntag, Mirko (2025): Molecular Identification of Human and Plant Pathogens in Municipal Domestic Wastewater for Hydroponic System Applications, International Journal of Microbiology, 2025, 6958575, 14 pages. https://doi.org/10.1155/ijm/6958575

Molekularbiologisches Detektionssystem zum Nachweis humanpathogener Viren in Abwasser

In konventionellen Abwassersystemen wird das gereinigte Abwasser nach der Kläranlage in ein Oberflächengewässer eingeleitet. Diese werden anschließend durch mehrere natürlichen Prozesse weiter stark verdünnt und abgebaut: durch Zufluss von Frischwasser, Einwirkung von natürlichem UV-Licht, Sedimentation sowie durch biologischen Abbau und Filtration beim Versickern bis zum Grundwasser.

In hydroponischen Anlagen mit verkürztem oder geschlossenem Wasserkreislauf entfallen diese natürlichen Verdünnungs- und Abbauprozesse. Das aufbereitete Abwasser wird direkt wieder zur Bewässerung genutzt. Dadurch könnten verbleibende Viren nicht verdünnt werden und sich theoretisch über mehrere Kreisläufe anreichern. Besonders relevant sind humanpathogene Viren wie Noroviren, Adenoviren oder Hepatitis-A- und Hepatitis-E-Viren, da diese bereits bei sehr niedrigen Konzentrationen infektiös sein können und über das Bewässerungswasser unmittelbar auf essbare Pflanzenteile gelangen.

Voranreicherung mittels Ultrafiltration ermöglicht Detektion auch geringer Virusmengen

Vor diesem Hintergrund ist eine gezielte und sensitive Überwachung auf solche Viren im Kreislaufwasser besonders wichtig. Am Fraunhofer IGB wurde daher ein molekularbiologisches Detektionssystem entwickelt. Zunächst wird das Abwasser mittels Ultrafiltration konzentriert: Durch Membranen mit Porengrößen im Nanometer-Bereich werden Viren physisch aus großen Wasservolumina abgetrennt und in einem kleinen Volumen stark angereichert. Diese Voranreicherung ist entscheidend, um auch sehr geringe Virusmengen nachweisbar zu machen. Das konzentrierte Material wird anschließend mittels quantitativer Echtzeit-PCR (qPCR) analysiert. Spezifische Primer und Sonden ermöglichen den gezielten, parallelen und quantitativen Nachweis relevanter humanpathogener Viren. Das Verfahren ist robust gegenüber typischen Hemmstoffen im Abwasser und liefert innerhalb weniger Stunden ein zuverlässiges Ergebnis.

Durch die Kombination aus Ultrafiltration und qPCR kann die mikrobiologische Sicherheit des wiederverwendeten Bewässerungswassers regelmäßig und verlässlich überwacht werden – eine zentrale Voraussetzung für den sicheren und nachhaltigen Betrieb hydroponischer Produktionssysteme mit Abwasserwiederverwendung. Gleichzeitig leistet diese Form der Wasserwiederverwendung einen wertvollen Beitrag zur Schonung der Ressource Wasser, zur Rückführung von Nährstoffen und zur deutlichen Reduzierung des Frischwasserbedarfs in der Lebensmittelproduktion.