Peressigsäure (PES) hat seit kurzem als Desinfektionsmittel in der Aquakultur Einzug gehalten. Gegenüber anderen konventionellen Desinfektionsmitteln besitzt es in niedrigsten Konzentrationen (ca. 1 mg l-1) eine hohe Effektivität. Des Weiteren hat die Anwendung von PES kaum einen negativen Einfluss auf die Umwelt. Die Applikation von PES in Aquakulturanlagen erfolgt direkt über das umgebende Haltungswasser. Dies geht mit einem direkten Kontakt der Mikroorganismen und der Fische mit dem Wirkstoff einher. Aus diesem Grund ist generell ein Einfluss auf die Fischgesundheit und die Wasserqualität zu erwarten. Dieser hypothetische Einfluss ist bislang jedoch unzureichend untersucht worden. In der Praxis werden zumeist zwei Applikationsstrategien verfolgt: 1. Wiederholende Kurzzeitpulsapplikationen mit relative hohen PES-Konzentrationen (1-2 mg l-1) und 2. Die kontinuierliche Applikation mit relative geringen PES-Konzentrationen (≤ 0,2 mg l-1) in der Wasserzufuhr. Die potentiellen Unterschiede dieser zwei Strategien speziell auf die Fischgesundheit und die Wasserqualität sind bislang unklar. In der vorliegenden Studie wurden Effekte einer PES-Applikation auf die Fischgesundheit und die mikrobielle Aktivität in identischen Durchflussystemen untersucht. Diese Systeme garantieren eine optimale Wasserqualität. Regenbogenforellen wurde als Testorganismen gewählt. Verschiedene Stressparameter, Parameter des oxidativen Stresses, Wachstum, Kiemenhistologie und Parameter der angeborenen Immunantwort wurden zur Bewertung der Fischgesundheit herangezogen. Sauerstoff, pH und die visuelle Biofilmformation wurden kontinuierlich kontrolliert um die mikrobielle Aktivität zu interpretieren. Dazu wurde zweimal wöchentlich mit 1 mg l-1 PES (Pulsbehandlungen) im Haltungswasser und kontinuierlich mit 0,2 mg l-1 PES am Zulauf exponiert und verglichen. Die Ergebnisse belegen, dass die Pulsapplikationen mit 1 mg l-1 PES, im Gegensatz zur kontinuierlichen Applikation mit 0,2 mg l-1 PES die Fische stressten. Die Fische adaptierten sich jedoch an die PES-Pulsapplikationen. Dies wurde durch nachfolgend weniger heftige Reaktionen der Fische post applicationem, reduzierte Kortisolausschüttungen und unveränderte Reaktionen auf andere Stressoren deutlich. Obwohl die PES-Applikation leichte Hyperplasien in den Kiemen induzierte, war kein Einfluss auf das Wachstum und die angeborene Immunantwort feststellbar. Dies kann als ein Beleg für den fehlenden Einfluss der PES-Exposition auf die Fischgesundheit bewertet werden. PES induzierte unabhängig von den Applikationsstrategien oxidativen Stress in den Fischen. Als Antwort auf die PES-Applikation steigerten die Fische ihre antioxidative Antwort gegen die freien Sauerstoffradikale speziell in den Kiemen und im Serum. Unabhängig von den extrem geringen PES-Konzentrationen in der kontinuierlichen Applikation wiesen die Fische einen geringen oxidativen Stress auf. Der oxidative Stress der Fische in der Pulsexposition war hingegen periodisch nachweisbar. Daraus ist zu schlussfolgern, dass die Fische zwischen den Pulsexpositionen, wenn keine PES vorhanden war, Phasen der Erholung hatten. Das Fehlen dieser Erholungsphase in der kontinuierlichen Expositionsgruppe führte zu einer signifikanten Reduktion der Antiprotease-Aktivität im Serum. Dies impliziert das Risiko einer chronischen Entzündung. Die antimikrobiellen Effekte sind stark von der PES-Konzentration abhängig. Die Pulsapplikation mit 1 mg l-1 PES hemmte die mikrobielle Aktivität stärker als die kontinuierliche Exposition durch einen stärkeren oxidativen Stress. Dadurch wurde der Biofilm fast vollständig erodiert, und die mikrobielle Sauerstoffsverbrauch und nitrifikation inhibiert. Die PES-Konzentrationen in der kontinuierlichen Exposition waren zu gering um signifikante Effekte auf den Mikroorganismen auszuüben. Des Weiteren kann das PES-Zerfallsprodukte, die Essigsäure und Acetate, eine potentielle Kohlenstoffquelle für die Mikrobiota darstellen. Der daraus resultierende stärkere Biofilm kann durch die Besiedelung mit fakultativen Fischpathogenen eine Gefahr für die Fischgesundheit darstellen. Auf Grund des starken antimikrobiellen Effekts und des geringen Risikos die Fischgesundheit zu beeinträchtigen, werden periodisch regelmäßige PES-Applikationen in Konzentrationen von 1-2 mg l-1 empfohlen. Effekte einer PES-Applikation auf Spiegelkarpfen und die Wasserqualität in stark belastetem Wasser einer geschlossenen Aquakulturkreislaufanlage (RAS) wurde ebenso untersucht. Die Induktion einer schlechten Wasserqualität erfolge durch den Stopp der Wasserzufuhr zu den Tanks. Simultan zu den Wasserstopps erfolgte eine Applikation mit 1 mg l -1 PES. Die Stressantwort, Kiemenhistologie und die angeborene Immunantwort wurde mit nicht mit PES exponierten Kontrollfischen verglichen. Der Stopp der Wasserzufuhr steigerte die gesamte heterotrophen Bakteriendichte (GHBD) auf das Sechsfache. Im Gegensatz dazu wurde in den Expositionsgruppen die GHBD um 90% gesenkt. Der stark mikrobiozide Effekt der PES-Exposition verbesserte die Gesundheit der Kiemen, verhinderte bakterielle Infektionen welche in den Kontrollgruppen kurzzeitig festgestellt wurden. Zusammenfassend erhält PES appliziert periodisch in Konzentrationen von 1-2 mg l-1, im Fall der optimalen Wasserqualität, die gute Wasserqualität mit geringfügiger Beeinträchtigung der Fischgesundheit. In der Aquakulturproduktion, in welcher die Wasserqualität meistens durch die hoher Besatzdichte und organischer Belastung verschlechtert wird, verhindern regelmäßige prophylaktische PES-Applikationen Infektionen und begünstigen die Fischgesundheit. / Peracetic acid (PAA) has been recently introduced to aquaculture as a sustainable disinfectant. It has great advantages over conventional disinfectants by having high effectiveness and low environmental impact at very low concentrations (around 1 mg L-1). The application of PAA in aquaculture facilities is realized by adding PAA products to the rearing water. This leads to unavoidable exposure of fish and microorganisms (surface-attached and waterborne) to PAA. Consequently, a potential impact of PAA on fish health and microbial activities is expected. This potential impact, however, has been poorly studied. In aquaculture practice, two strategies are broadly used to apply PAA: short term high dose (1-2 mg L-1 PAA) periodic/pulse applications or continuous low dose (≤ 0.2 mg L-1 PAA) application related to the makeup water flow. The potential difference between these two strategies remains unclear, especially concerning their impacts on fish health and water quality. In the present study, the impact of PAA on fish health and microbial activities was tested in identical flow-through systems controlled with optimal water quality. Rainbow trout was selected as the model fish. Various parameters of stress, oxidative stress, growth, gill histology and innate cellular/humoral immunity were measured to indicate fish health. Oxygen, pH and visible biofilm formation were continuously monitored to interpret changes of microbial activities. In addition, the application strategies, biweekly pulse applications of 1 mg L-1 PAA in the rearing water and the continuous application of 0.2 mg L-1 PAA in the inflow, were compared. The results indicate that pulse applications of 1 mg L-1 PAA stressed the naïve fish during the first exposure, while the continuous application not. Fish could progressively adapt to PAA-induced stress, as indicated by less intensive behavioral reaction, reduced cortisol release and unaffected response to another stressor. Although the exposure to PAA induced slight hyperplasia in fish gill, the growth and innate immunity were affected, indicating unaffected overall health. PAA induced oxidative stress in fish, regardless of the application strategies. In response, fish enhanced their antioxidative defense, especially in gill and serum, to scavenge excessive free radicals induced by exposure to PAA. Despite of extremely low PAA concentration measured during the continuous application, the constant input of PAA induced a constant mild oxidative stress to fish. In contrast, the oxidative stress induced by pulse 1 mg L-1 PAA applications was periodic present. Consequently, fish had periodic recovery phases when the pulse PAA applications were absent. The lack of recovery phases in fish exposed to the continuous PAA application resulted in a significant reduction of antiprotease activity in serum. This implies a potential risk of chronic inflammation. The antimicrobial effect of PAA depended on applied concentration. The pulse applications of 1 mg L-1 PAA strongly inhibit microbial activities by inducing a strong oxidative stress. As a result, the biofilm in fish tanks was nearly erased, and the microbial oxygen consumption and nitrification were inhibited. In contrast, the PAA concentration during the continuous application was so low that only a minor antimicrobial effect was observed. In addition, the degradation products, acetic acid and acetate, were beneficial for the biofilm formation by providing organic carbon. The enhanced biofilm may become a potential risk by providing protective shed for opportunistic pathogens. Due to the strong antimicrobial effect and low risk to affect fish health, it’s recommended to apply PAA periodic at high concentrations (1-2 mg L-1) with sufficient intervals. The impact of PAA on fish health and water quality was also tested in a mirror carp recirculating aquaculture system (RAS) challenged with bad water quality. The challenge of bad water quality was realized by transient water stops in fish tanks. Simultaneous to the transient water stops, PAA at 1 mg L-1 was applied. The stress, gill histology and innate cellular immunity were compared in fish with or without simultaneous PAA treatments. The transient water stops caused a 6-fold increase of heterotrophic bacterial density in water, while the simultaneous PAA treatments caused a 90% decrease of heterotrophic bacterial density. The strong antibacterial effect of PAA significantly improved the gill health of fish, and effectively prevented bacterial infections, which were short-term present in fish exposed to transient water stops alone. To sum up, PAA applied periodically at 1-2 mg L-1 in optimal water quality is effective to maintain the water quality at a low cost of scarifying fish health. In production-scale aquaculture facilities, where the water quality is often deteriorated by high stocking density and organic load, regular applications of PAA are especially beneficial to enhance fish health and prevent potential infections.

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.

In der Aquakultur sind Kreislaufanlagen ein umweltfreundliches und wassersparendes Produktionsverfahren. Hohe Besatzdichten und das Prinzip der Wasserführung im Kreislauf führen jedoch auch zu einem erhöhten Risiko von Infektionskrankheiten. In dem hier beschriebenen Projekt wurde untersucht, wie sich niederfrequenter Ultraschall (nf-US) in Kombination mit der in der Aquakultur bewährten UV-C Bestrahlung zur Kontrolle von Pathogenen einsetzen lässt. Es wurden vergleichende Untersuchungen zur Effizienz von nf-US, UV-C und deren Kombination gegen prokaryotische und eukaryotische Modellorganismen durchgeführt. Während sich UV-C als sehr effektiv gegen Bakterien erwies, konnte die Gesamtkeimzahl mit nf-US nicht reduziert werden. Eine Vorbehandlung des Wassers mit nf-US verringerte jedoch die mittlere Größe der im Wasser suspendierten Partikel und konnte so die Effektivität von UV-C zur Inaktivierung von Bakterien verbessern. Zur Abtötung eukaryotioscher Organismen wird eine deutlich höhere UV-Dosis als zur Kontrolle von Bakterien benötigt. Eine starke Erhöhung der UV-C Dosis ist jedoch durch die dann mögliche photo-induzierte Bildung von Nitrit aus Nitrat limitiert. Alternativ könnte nf-US zur Abtötung eukariotischer Parasiten verwendet werden. Unterschiedlichen Organismen unterscheiden sich stark in ihrer Empfindlichkeit gegenüber nf-US, wobei sich die dosisabhängige Abtötung sehr gut mit Funktionen einer exponentiellen Abnahme beschreiben lässt. Die toxikologische Untersuchung des mit UV-C und/oder nf-US behandelten Wassers mit dem Fischeitest und dem Leuchtbakterientest ergab keinen Hinweis auf die Bildung toxischer Nebenprodukte. Diese Studie zeigt, dass nf-US mit Dosen, die gegen eine Vielzahl an Parasiten wie Ciliaten, Nematoden und Crustaceen wirksam sind, sicher eingesetzt werden kann. Die Kombination von nf-US und UV-C könnte ein geeignetes Verfahren sein, um alle relevanten Pathogene in Kreislaufanlagen zu kontrollieren. / Recirculating aquaculture systems are well-known as environmentally friendly and high water-efficient production systems. The high stocking densities and low water exchange leads to an increased risk of infectious diseases. In this project the combination of low frequency ultrasound (LFUS) with ultraviolet-C (UV-C) light for the control of pathogens was studied. A comparative study about the efficiency of LFUS, UV-C and their combination against prokaryotic and eukaryotic model organisms was performed. Against bacteria, the application of UV-C was very effective, while the application of LFUS was not effective. However, a pretreatment of the water with LFUS decreased the average size of the suspended particles and improved the bactericidal effect of UV-C light. Compared to the low bactericidal dose of UV-C, a much higher UV-C dose was required for inactivation of eukaryotic model organisms. A significant increase of UV-C dose, however, can be limited by the possible photo-induced formation of nitrite from nitrate. Alternatively, LFUS can be used to kill eukaryotic parasites. However, the efficiency of LFUS differed greatly between species and can be well described by functions of an exponential decay. The evaluation of whole effluent toxicity by using the fish egg test and luminescent bacteria test revealed no evidence of toxic disinfection by-products formation during UV-C irradiation and/or LFUS sonication. This study shows that LFUS can be applied safely at energy densities that are effective against a wide range of eukaryotic parasites like ciliates, nematodes and crustaceans. The combination of LFUS and UV-C could provide an appropriate water treatment with respect to all relevant pathogens in recirculating aquaculture systems.