Aquaponik-Systeme stellen an sich einen sehr nachhaltigen, innovativen Ansatz für die zukünftige Lebensmittelproduktion dar. Allerdings hat sich bis heute noch kein flächendeckender, ökonomischer Erfolg eingestellt und wesentliche systemische Engpässe wurden wissenschaftlich nicht untersucht. Daher waren die Hauptziele dieser Dissertation, (I) sichere Nitratkonzentrationen in geschlossenen Kreislaufanlagen (RAS) zu ermitteln, unter denen optimales Wachstum und Tierwohl produzierter Tilapien gewährleistet ist, (II) die Evaluierung des besten Designkonzeptes für die optimale, kombinierte Produktion von Fisch und Pflanzen und (III) die allgemeine Effizienz bei der Wiederverwertung des Abwassers und der Nährstoffe aus dem Schlamm der mechanischen Filtrationseinheiten in aquaponischen Systemen zu erhöhen. Das Wachstum und die Gesundheit von Niltilapien (Oreochromis niloticus) wird durch hohe Nitratkonzentrationen (> 500 mgL-1 NO3--N) negativ beeinflusst. Nitratkonzentrationen, die für die Produktion von Pflanzen in aquaponischen Systemen (~ 200 mgL-1 NO3--N) optimal sind, haben keinen negativen Einfluss auf das Tierwohl. Entkoppelte Kreislaufsysteme sind bei einer professionellen aquaponischen Produktion von Fisch und Pflanzen zu bevorzugen. Bei der Produktion von Fisch ergab sich keinerlei Unterschied, jedoch wurde eine deutlich gesteigerte Tomatenproduktion von 36 % in entkoppelten Kreislaufsystemen erreicht. Die aerobe Mineralisation zeigte das beste Rückgewinnungpotential von Phosphat und nur geringe Nitratverluste und kann in der Gesamtheit eine deutliche Effizienzsteigerung aquaponischer Systeme zur Folge haben. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen die Engpässe in der Aquaponik klar auf und liefern gleichzeitig Lösungsansätze, wie diese Hindernisse in Bezug auf das Nährstoff- und Ressourcenmanagement überwunden werden können. Dadurch kann die Nachhaltigkeit dieser Anlagen gesteigert und die Wahrscheinlichkeit des wirtschaftlichen Erfolges erhöht werden. / Aquaponics is the combination of fish production in aquaculture and hydroponic (soilless) production of crop plants. Despite of representing already a sustainable, innovative approach for future food production systems, aquaponics are still missing economic success and up to date major bottlenecks were not scientifically addressed. Therefore the main aims of this thesis were (I) to identify safe nitrate concentrations under which best growth and health status of tilapia can be guaranteed in aquaponics, (II) to evaluate the best design concept for an optimal combined production of fish and plants and (III) to increase the overall system efficiency by recycling waste water and nutrients deposited in the sludge of the mechanical filtration unit. The growth and health status of Nile tilapia (Oreochromis niloticus) is negatively affected by high nitrate concentrations (> 500 mgL-1 NO3--N) commonly reported for RAS. Nevertheless, optimal nitrate concentrations for plant production in aquaponic systems (~ 200 mgL-1 NO3--N) are not affecting fish welfare and allow for an efficient production of Nile tilapia. Decoupled aquaponics proved to be favorable for professional aquaponic production, whereas coupled systems were suboptimal for a combined production of fish and plants. There were no differences in fish production, whereas tomato production within the decoupled system was considerably increased by 36 %. Aerobic mineralization of phosphate revealed best phosphate recovery with only minor losses of nitrate. Recycling of water sludge mixture from clarifiers resulted in a substantial phosphor recovery, an increase in potassium and additional water savings. Conclusively, the results of this holistic thesis clearly revealed the bottlenecks in aquaponic technology and provided guidance in overcoming mayor obstacles in terms of optimized nutrient and resource management to increase the overall sustainability of these systems and improve production efficiency and profitability.

Durch die Nutzung des fischfutterbedingten Nährstoffeintrags für die kombinierte Produktion von Fischen und Pflanzen können Aquaponiksysteme eine nachhaltige Erweiterung von Kreislaufanlagen der Aquakultur (RAS) darstellen. Herkömmliche Aquakulturfutter zielen jedoch auf Fischproduktion mit geringer Umweltbelastung ab und sind somit nicht für die Aquaponik optimiert. Daher weist RAS-Wasser häufig Mängel im Profil gelöster anorganischer Pflanzennährstoffe auf. So war es Ziel dieser Arbeit, die Auswirkungen unterschiedlicher Proteinquellen auf die Nährstoffdynamik in RAS durch Fütterungsversuche mit Afrikanischem Raubwels und Nil-Tilapia zu untersuchen, bei denen Wachstum, gelöste anorganische Nährstoffkonzentrationen im RAS-Wasser und die Ausscheidung von Nährstoffen über den Kot verfolgt wurden. Der Fokus lag auf nachhaltigen alternativen Proteinquellen zu marinem Fischmehl und terrestrischen Pflanzenproteinen: Larvenmehl der Schwarzen Soldatenfliege (BSFM), Welsschlachtabfallmehl (CM), Geflügelschlachtabfallmehl (PM) und Geflügelblutmehl (PBM). Experimentalfutter, die phosphorreiches PM und CM enthielten, förderten erhöhte Ausscheidung von löslichem reaktivem Phosphor, erzeugten die besten gelösten N:P-Verhältnisse im RAS-Wasser verglichen mit einer Hydroponik-Nährlösung und ermöglichten in Kombination mit PBM besseres Wachstum beim Wels als ein vergleichbares kommerzielles Futter. In Futtern basierend auf einer einzigen Proteinquelle führte PM bei Wels und insbesondere bei Tilapia zu ähnlichem Wachstum verglichen mit marinem Fischmehl, wohingegen BSFM und PBM bei beiden Arten Wachstumsleistung beeinträchtigte. Meta-Analysen aller Versuche legen nahe, dass höherer Phosphor-, Kalium- und Magnesiumgehalt im Futter erhöhte Ausscheidung dieser Elemente in gelöster Form bedingt, was sie zu Zielnährstoffen in Aquaponikfuttern macht, während die Optimierung des Protein zu Energie-Verhältnisses im Futter die gelösten N:P- und N:K-Verhältnisse im RAS-Wasser verbessern kann. / By using the nutrient input from fish feeds for the combined production of fish and plants, aquaponic systems can be a sustainable extension of recirculating aquaculture systems (RAS). However, conventional aquaculture feeds are optimized for fish production and reduced environmental impact rather than aquaponics. Hence, RAS water is often characterized by deficiencies regarding its dissolved inorganic plant nutrient profile. Therefore, this thesis aimed to explore the effect of purposeful dietary protein choice on nutrient dynamics in RAS through four systematic feeding trials involving African catfish and Nile tilapia in which growth performance, dissolved inorganic nutrient concentrations in RAS water and solid fecal nutrient excretion were tracked. Focus was on sustainable alternative protein sources to marine fish meal and terrestrial plant proteins: black soldier fly larvae meal (BSFM), catfish by-product meal (CM), poultry by-product meal (PM) and poultry blood meal (PBM). Experimental diets including phosphorus-rich PM and CM supported increased excretion of soluble reactive phosphorus, produced the most favorable dissolved N:P ratios in RAS water when compared to a renowned hydroponic nutrient solution, and, combined with PBM, enabled better growth performance in African catfish than a comparable commercial diet. In single protein source diets, PM produced similar growth performance in African catfish and particularly Nile tilapia versus marine fish meal, whereas BSFM and PBM impaired growth performance in both species. Meta-analyses covering all trials suggest that higher dietary phosphorus, potassium and magnesium content leads to their increased excretion in dissolved form, making them target nutrients for aquaponic feed formulation, while the optimization of the dietary protein to energy ratio can further improve dissolved N:P and N:K ratios in RAS water.