Von Dr. Maja Berden Zrimec, wissenschaftliche Mitarbeiterin und Autorin
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf Englisch veröffentlicht und automatisch mit KI-Software übersetzt.
Im Rahmen der kreislauforientierten Bioökonomie und der biobasierten Ressourcen scheinen Algen perfekt ins Bild zu passen. Einerseits ist ihre Biomasse voll von Makro- und Mikronährstoffen sowie interessanten pharmazeutischen Verbindungen. Zum anderen können sie problemlos in einer Vielzahl von Abwässern und Abfallströmen kultiviert werden, wobei sie das Wasser während ihres Wachstums aufbereiten und reinigen. Außerdem beseitigen sie den unangenehmen Abwassergeruch und binden Kohlendioxid, um Sauerstoff zu produzieren.
Algen haben ein enormes Potenzial als Bioressource für Lebensmittel, Tierfutter, Chemikalien und Materialien. Während Makroalgen derzeit hauptsächlich im Meer produziert werden, werden Mikroalgen an Land angebaut. Aber keine Angst. Das Tolle am Algenanbau ist, dass sie nicht wie einige andere Pflanzen, die für die Biokraftstoffproduktion verwendet werden, mit den landwirtschaftlichen Flächen konkurrieren. Sie können in der Wüste oder in degradierten Gebieten angebaut werden, die für eine andere Nutzung ungeeignet sind. Außerdem benötigen sie von vornherein nicht so viel Land. Vergleicht man ihre Produktion mit der von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen, so können Mikroalgen 4-15 Tonnen Protein pro Hektar und Jahr produzieren, während Sojabohnen normalerweise 0,6-1,2 Tonnen erreichen (van Krimpen et al. 2013).
Produktion von Biomasse
Die großtechnische Produktion von Algenbiomasse erfolgt meist in (Foto-)Bioreaktoren oder in Durchlaufteichen. Bioreaktoren können in Innenräumen installiert werden, um schnell Biomasse für bestimmte Inhaltsstoffe, z. B. Pigmente, zu produzieren. Sie können auch im Freien verwendet und vertikal aufgestellt werden, um den Ertrag pro Fläche zu erhöhen. Da es sich um ein geschlossenes System handelt, können die Algen dort unter relativ sterilen Bedingungen gezüchtet werden.
Teichanlagen sind offene Systeme und daher anfälliger für Umweltbelastungen. Sie liefern jedoch hochwertige Biomasse und erfordern gleichzeitig wesentlich geringere Investitions- und Wartungskosten. Sie können vollständig offen oder im Gewächshaus angelegt werden, wobei letzteres für eine kontinuierliche Produktion in klimatisch suboptimalen Gebieten (d. h. im Winter in Kontinentaleuropa) geeignet ist. Auf diese Weise wird Spirulina (Arthrospira platensis) für Lebensmittel produziert. Auch die Produktion von Biomasse aus Abfallströmen – von kommunalen Abwässern bis hin zu anaeroben Gärresten aus Biogasanlagen – ist mit Teichanlagen relativ einfach.
Verschiedene andere Anbausysteme werden erforscht und entwickelt, in der Hoffnung, eine noch höhere Produktion zu erreichen. Dünnschichtsysteme, Biofilme und Algenrasenwäscher sind einige der vielen innovativen und vielversprechenden Produktionssysteme, die weltweit entwickelt wurden.
Algen für Lebensmittel und Tierfutter
Algen sind reich an Proteinen, Lipiden, Aminosäuren, Vitaminen, Pigmenten und anderen nützlichen Verbindungen. Sie enthalten in der Regel essenzielle Aminosäuren, essenzielle Fettsäuren, einschließlich Omega-3, Omega-6 und Omega-7, sowie die Vitamine A, B, C, E und K (siehe FDC-Daten für Spirulina). Der Proteingehalt kann bei einigen Arten bis zu 60 % betragen, ähnlich wie bei Sojabohnen. Die Menschen, die in den Küstengebieten leben, wissen seit Tausenden von Jahren um die Vorzüge der Algen und haben sie in ihren Speiseplan aufgenommen. In vielen Ländern, vor allem in Asien, sind Algen nach wie vor eine wichtige Nahrungsquelle. Angesichts des wachsenden Bewusstseins für die Vorteile von Algen nimmt die Algenproduktion derzeit auch auf anderen Kontinenten, einschließlich Europa, zu.
Der Verzehr von Mikroalgen ist noch nicht so weit verbreitet, aber die Argumente für ihre Verwendung als Nahrungsquelle sind überzeugend. Derzeit sind Mikroalgen aus zwei Gattungen im Lebensmittelsektor vorherrschend: Chlorella und Arthrospira, besser bekannt als Spirulina. Mikroalgen werden selten frisch verzehrt (meist aus logistischen und konservatorischen Gründen) und sind hauptsächlich in trockener Form als Tabletten, Pulver oder Flocken erhältlich. Algen sind bereits Bestandteil des Fischfutters in der Aquakultur und werden ausgiebig als Futtermittelzusatz für Haus- und Nutztiere untersucht, der den Bedarf an Antibiotika senken könnte. Viele andere Mikroalgen werden als Nahrungsquelle erforscht, wobei die Anstrengungen vor allem auf die Entwicklung produktiver und kosteneffizienter Massenanbau- und Erntetechniken gerichtet sind.
Phyto-Pharmazeutika und Kosmetika
Es wird geschätzt, dass es weltweit zwischen 30.000 und möglicherweise 1 Million Algenarten gibt (Guiry 2012). Sie sind äußerst heterogen und stellen somit einen riesigen genetischen Pool an verschiedenen Verbindungen dar, von denen einige bereits seit langem bekannt sind (z. B. Agar und Carrageen). Aufgrund ihres Hormongehalts können sie zur Herstellung von Biostimulanzien für die Landwirtschaft verwendet werden. Aus Algen gewonnene Biopestizide gewinnen auch im Rahmen der europäischen Green-Deal-Ziele und der Farm-to-Fork-Strategie zunehmend an Bedeutung.
Algenextrakte enthalten Wirkstoffe wie Carotinoide, Chlorophyll, Fucoxanthin, Fucosterol, Squalen, mycosporinähnliche Aminosäuren und mehr, die alle als starke Antioxidantien bekannt sind. Sie können Pigmente wie Lutein enthalten, ein bekanntes Carotinoid, das sich positiv auf die Augen auswirkt (auch als „Augenvitamin“ bekannt) und auch die Haut vor Schäden durch UV-Strahlung schützt. Ein weiteres perspektivisches Antioxidans ist Ulvan, ein Polysaccharid, das aus dem Seesalat gewonnen wird. Verschiedene Algen enthalten noch viel mehr bioaktive Verbindungen, die für die Hautpflege, den Sonnenschutz und andere Pflegeprodukte wichtig sind.
Landwirtschaftliche Nutzung
Algen und ihre Extrakte werden seit langem in der Landwirtschaft als Bodenverbesserer und zur Steigerung der Pflanzenproduktivität eingesetzt. Die Vorteile des Einsatzes von Algen in der Landwirtschaft sind zahlreich, wie z.B. die Stimulierung der Keimung von Samen, die Verbesserung des Wachstums (Spross- und Wurzelverlängerung), eine verbesserte Wasser- und Nährstoffaufnahme, Frost- und Salzresistenz, Biokontrolle und Resistenz gegen pathogene Organismen, Düngung und Sanierung von kontaminierten Böden. Die Zugabe von Algen zum Boden verbessert auch dessen Wasserhaltevermögen und strukturelle Eigenschaften und gleicht den Mangel an Stickstoff, Phosphor, Kalium und anderen Mineralien aus. Die positiven Auswirkungen von Algen in der Landwirtschaft, insbesondere höhere Ernteerträge, werden in zahlreichen Forschungspublikationen beschrieben.
Algen können einen wichtigen Beitrag zu den 2030-Zielen für eine nachhaltige Lebensmittelproduktion leisten, da ihr Einsatz in der landwirtschaftlichen Produktion den Bedarf an chemischen Pestiziden und Mineraldüngern sowie an antimikrobiellen Mitteln erheblich reduziert. Sie sind auch ein idealer Kandidat für die Unterstützung des ökologischen Landbaus, wenn sie zusammen mit fortschrittlichen landwirtschaftlichen Ansätzen wie z.B. dem Kreislaufanbau und der konservierenden Landwirtschaft eingesetzt werden.
Biokraftstoffe und Energie
Algen können für die Produktion von Biogas, Bioethanol oder Biodiesel verwendet werden. Ihre Biomasse kann in Biogasanlagen zur Erzeugung von elektrischem Strom genutzt werden. Die Bestandteile der Zellwand und die Speicherzucker können zur Herstellung von Bioethanol und die Lipide zur Herstellung von Biodiesel verwendet werden. Der Grund für die begrenzte Nutzung von Algen für Biokraftstoffe ist einfach: Die Kosten sind immer noch zu hoch und können auf dem derzeitigen Markt nicht mit fossilen Kraftstoffen konkurrieren. Eine Möglichkeit, die Kosten zu senken, ist die Kultivierung von Algen in Abwasser, die bei weitem billiger ist als die Kultivierung in reinen chemischen Medien. Ein weiterer Trend ist die Koproduktion von Biokraftstoff mit höherwertigen Produkten (z. B. Phytopharmaka) oder Tierfutter. In Bioraffinerien können die Bestandteile der Algenbiomasse für viele verschiedene Zwecke genutzt werden, von Lipiden für Biokraftstoffe über Proteine für Tierfutter bis hin zu Extrakten interessanter bioaktiver Verbindungen wie Pigmente, Vitamine oder Agar.
Abwasserbehandlung und Verwertung von Biomasse
Algensysteme bieten attraktive Möglichkeiten für mehrere Branchen, da sie in den meisten Abwässern wachsen können, solange sie nicht toxisch sind. Sie recyceln Nährstoffe, die sonst als Schadstoffe in der natürlichen Umwelt landen würden. Algen nehmen Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und viele andere Mineralien und Metalle auf und verwandeln sie in wertvolle Biomasse. Die Biomasse kann dann als Sekundärrohstoff für die Herstellung vieler neuer Produkte verwendet werden: von Biomaterialien mit geringer Wertschöpfung, Biokraftstoffen und Biodüngern bis hin zu hochwertigen Stoffen wie Pigmenten, Proteinen, Lipiden, Biopestiziden, landwirtschaftlichen Biostimulanzien oder bioaktiven Verbindungen für Kosmetika und Arzneimittel.
Die Systeme lassen sich nahtlos in die bestehende Technologie einfügen, so dass keine Umstrukturierung einer bestehenden Installation erforderlich ist, sei es im Abwasserbehandlungssystem der Kläranlage oder in den Systemen der Industrietechnik. Ein zusätzlicher Algenrennteich kann die sekundäre und tertiäre Abwasserbehandlung ergänzen oder sogar ersetzen, wodurch die Produktion von unerwünschtem Schlamm (der in vielen Ländern nicht landwirtschaftlich genutzt werden darf) erheblich reduziert wird. Algen können auch zur Stabilisierung der flüssigen Phase von anaeroben Gärresten, z. B. in Biogasanlagen, eingesetzt werden, wodurch die Kosten für die Lager- und Transportlogistik und die Treibhausgasemissionen erheblich gesenkt werden.
Abschließend lässt sich sagen, dass Algen viel zu bieten haben, und wir freuen uns auf die technologischen Fortschritte und die Erforschung verschiedener Arten, die all die beschriebenen Möglichkeiten zum Leben erwecken werden.
Referenzen und Links
Alg-AD – Wertschöpfung aus Abfallnährstoffen durch Integration von Algen- und anaerober Vergärungstechnologie
AlgaeBioGas – Algenbehandlung von Biogasgärresten mit erheblichen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen für Biogasanlagenbetreiber
Algen, Algentechnologiezentrum, llc
EABA – Europäischer Verband für Algenbiomasse
Frontiers in Marine Science – Forschungsthema: Steigerung des Potenzials von Algen für die Biomasseproduktion, Valorisierung und Bioremediation
Life AlgaeCan – Mehr Nachhaltigkeit in der Obst und Gemüse verarbeitenden Industrie durch solarbetriebene Algenabwasserbehandlung
SABANA – Nachhaltige Algen-Bioraffinerie für Landwirtschaft und Aquakultur
Water2Return – Rückgewinnung und REcycling von Nährstoffen TURNing wasteWATER into added-value products for a circular economy in agriculture
