Nährstoffrecycling mit Algen: Der AlgenFlipper auf der MS Wissenschaft

Am 30. Juli ist in Münster die MS Wissenschaft gestartet, die seit vielen Jahren als Ausstellungsschiff im Rahmen der Wissenschaftsjahre unterwegs ist. Im Wissenschaftsjahr Bioökonomie ist ein Exponat von IBG-2 und Bioeconomy Science Center an Bord, das spielerisch veranschaulicht, wie man mit Hilfe von Algen Abwasser reinigen und wertvolle Nährstoffe zurückgewinnen kann.

19 Städte besucht das Ausstellungsschiff MS Wissenschaft 2020 in Deutschland.
Quelle: Ilja Hendel/WiD

Mikroalgen sind uralte Organismen. Sie sind bereits seit über einer Milliarde Jahren auf diesem Planeten und an alle nur denkbaren Lebensräume angepasst. Da sie Einzeller sind, vermehren sie sich erheblich schneller als höhere Landpflanzen. Unter optimalen Bedingungen, das heißt Licht, Wärme, CO₂ und genügend Nährstoffe, teilen sie sich täglich.

Der ursprüngliche Lebensraum von Mikroalgen sind die Ozeane, wo Nährstoffe sehr dünn verteilt sind. Das hat sie zu Nahrungskünstlern gemacht. Sie können mit ihrer gesamten Zelloberfläche Nährstoffe aufnehmen. Außerdem können sie wesentlich mehr Nährstoffe aufnehmen und speichern, als sie kurzfristig benötigen. Das schnelle Wachstum sowie die effiziente Aufnahme und das „Bunkern“ von Nährstoffen macht Mikroalgen geradezu zu „Nährstoff-Staubsaugern“.

Diese Eigenschaft versuchen auch Wissenschaftler am IBG-2 seit einigen Jahren zu nutzen: Algen sollen Nährstoffe wie Phosphat und Nitrat aus Abwässern aufnehmen und die Algenbiomasse anstelle mineralischer Dünger auf Feldern ausgebracht werden. Auf diese Weise sollen die Nährstoffe in einen Kreislauf zurückgeführt werden, anstatt im Klärschlamm oder in Gewässern zu landen, wo sie nicht mehr nutzbar oder sogar schädlich für die Umwelt sind.

Blick in das Algen Science Center am Jülicher Institut für Bio- und Geowissenschaften. Quelle: Forschungszentrum Jülich

Am Forschungszentrum Jülich am IBG-2 laufen seit längerem intensive Forschungsarbeiten zum Nährstoffrecycling mit Hilfe von Algen. So wurde in den letzten Jahren beispielsweise untersucht, wie viel Phosphat Algen unter verschiedenen Umweltbedingungen aufnehmen können und ob Algenbiomasse beim Anbau von Weizen ein vollwertiger Ersatz für Mineraldünger ist. Ein Eintrag von Mikroalgen als organischem Dünger in den Boden kann beispielsweise dazu beitragen, die Bodenqualität zu verbessern, da sie den vorher als CO₂ fixierten Kohlenstoff mitbringen. Durch den langsamen Abbau der Zellen werden die Nährstoffe zudem langsamer freigesetzt und nicht so leicht ausgewaschen; die genauen Effekte müssen noch erforscht werden.

Pilotanlage für das so genannte AlgalTurfScrubbing am Forschungszentrum Jülich. Quelle: Forschungszentrum Jülich

An der Kläranlage des Forschungszentrums Jülich wurde 2018 erstmals in Deutschland eine Pilotanlage für das so genannte AlgalTurfScrubbing installiert. Dabei wird Abwasser in ein Rinnensystem, einen so genannten Floway, geleitet, in dem ein Algenrasen wächst. Im Zuge ihres Wachstums nehmen die Algen Nährstoffe aus dem Wasser auf und reinigen es dadurch. Alle 4-14 Tage – je nach Wetter, Nährstoffgehalt des Wassers und Wachstumsgeschwindigkeit – werden die nährstoffgeladenen Algen geerntet. Die Technik ist einfach, kostengünstig und an vielen Orten anwendbar.

Der AlgenFlipper auf der MS Wissenschaft veranschaulicht dieses AlgalTurfScrubbing. Blaue und grüne Kugeln, die Wasser und Nährstoffe darstellen, werden auf eine Fläche geleitet, die einen Algenrasen darstellt. Die Nährstoff-Kugeln werden magnetisch auf der Fläche festgehalten, die Wasser-Kugeln fließen weiter und können mit einer Archimedischen Schraube wieder zum Anfang befördert werden. Die Nährstoff-Kugeln können mit einem Schaber (Scrubber) „geerntet“ werden. Sie können dem Kreislauf anschließend wieder zugeführt werden.