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Capítulo 12 Aquapônica: Tipos e Abordagens Alternativas

1. 12.1 Introdução

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Este capítulo discute uma série de principais tecnologias aliadas e alternativas que expandem ou têm o potencial de expandir a funcionalidade/produtividade de sistemas aquapônicos ou são tecnologias associadas/autônomas que podem ser ligadas à aquapônica. A criação e o desenvolvimento destes sistemas têm no seu núcleo a capacidade, entre outras coisas, de aumentar a produção, reduzir o desperdício e a energia e, na maioria dos casos, reduzir o consumo de água. Ao contrário da aquapônica, que pode ser vista como estando em um estágio de meio/adolescência de desenvolvimento, as novas abordagens discutidas abaixo estão em sua infância. Isto, no entanto, não significa que não sejam tecnologias valiosas em seu próprio direito e tenham potencial para fornecer alimentos futuros, de forma eficiente e sustentável. Os métodos discutidos abaixo incluem aeroponics, aeroaquaponics, algaeponics, tecnologia biofloc para aquaponics, maraponics e haloponics e aquaponics verticais.

2. 12.2 Aeroponia

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.2.1 Fundo

   A Administração Nacional de Aeronáutica e Espacial dos EUA (NASA) descreve a aeroponia como o processo de cultivo de plantas suspensas no ar sem solo ou meios de comunicação, proporcionando uma produção limpa, eficiente e rápida de alimentos. A NASA também observa que os _cultivos podem ser plantados e colhidos durante todo o ano sem interrupção, e sem contaminação por solo, pesticidas e resíduos, e que os sistemas aeropônicos também reduzem o uso de água em 98%, o uso de fertilizantes em 60% e eliminam o uso de pesticidas completamente. As plantas cultivadas em sistemas aeropônicos têm demonstrado absorver mais minerais e vitaminas, tornando as plantas mais saudáveis e potencialmente mais nutritivas (NASA Spinoff). Outras vantagens da aeroponia são vistas como sendo que:

   • O ambiente em crescimento pode ser mantido limpo e estéril.

   • Isso reduz as chances de doenças das plantas e a propagação da infecção.

   • As mudas não se esticam ou murcham durante a formação da raiz.

   • As mudas são facilmente removidas para transplante sem choque de transplante.

   • O crescimento das plântulas é acelerado, o que leva ao aumento dos ciclos de colheita e, portanto, a mais produção por ano.

   Para Weathers e Zobel (1992), a aeroponia é definida como a cultura de plantas e/ou tecidos inteiros com as suas raízes ou todo o tecido alimentado por um nevoeiro ar/água (em oposição à imersão na água, no solo, no ágar nutriente ou em outros substâritos_). Para eles, as plantas que são cultivadas apenas parcialmente com suas raízes no ar e parte em soluções de nutrientes ou são cultivadas por parte do tempo no ar e parte do tempo em solução nutritiva são cultivadas através de um processo de hidroponia aero-hidroponia e não areoponics.

   Assim, os sistemas aeropônicos funcionam pulverizando ou nebulizando a área da zona radicular com solução nutritiva. As raízes das plantas são assim suspensas no ar e são submetidas a uma pulverização contínua ou intermitente/periódica de gotículas de água ricas em nutrientes, sob a forma de gotículas ou névoas muito finas, com tamanhos de gotículas de 5 a 50 μm (microns). É habitual encontrar um kit “hobby/doméstico” com tamanhos de gotas de spray de 30—80 μm. Os atomizadores ultrassônicos ou de nevoeiro seco produzem um tamanho de gotículas\ <5 μm, mas exigem ar comprimido e bicos muito finos, ou pode ser possível usar transdutores ultrassônicos para produzir essas névoas.

   Na aeroponia, assim como na hidroponia, o suprimento de nutrientes pode ser otimizado e, em comparação entre hidroponia e aeroponia, Hikosaka et al. (2014) observam que não foi encontrada diferença entre crescimento e qualidade da colheita em alface utilizando aeroponics de névoa seca. No entanto, houve um aumento significativo nas taxas de respiração radicular e nas taxas de fotossíntese das folhas. Eles também observam que este sistema também usa menos água e que pode ser mais eficiente e mais fácil de gerenciar do que hidroponia convencional (Hikosaka et al. 2014). Em um artigo de revisão sobre tecnologias modernas de cultivo de plantas na agricultura sob ambientes controlados, Lakhiar et al. (2018) observam que a aeroponia “é considerada o melhor método de cultivo de plantas para segurança alimentar e desenvolvimento sustentável”.

   12.2.2 Origem da Aeroponia

   Richard J. Stoner II é considerado o pai da aeroponia. A revisão da aquapônica da NASA (Clawson et al. 2000) observa que a origem da aquapônica está em grande parte no estudo da morfologia radicular, mas tem origem na natureza, por exemplo, com plantas, orquídeas que crescem em áreas tropicais onde as névoas ocorrem naturalmente. Clawson et al. (2000) observam o desenvolvimento da aeroponia de B. T. Barker, que “conseguiu cultivar macieiras com uma pulverização”, e F. W. Went, que em 1957 cultivou tomates e plantas de café em névoas e denominou o processo de “aeroponics'. Com relação ao estudo da morfologia radicular, Carter, em 1942, usou aeroponics como forma de investigar raízes de abacaxi, e Klotz, em 1944, investigou as raízes do abacate e citrinos, e, em seguida, inúmeros outros, incluindo Hubick e Robertson; Barak, Soffer e Burger; Yurgalevitch e Janes; e Dutoit, Weathers, e Briggs realizaram vários experimentos em aeroponia (consulte Clawson et al. 2000 para mais detalhes).

   12.2.3 Problemas crescentes de Aeroponics

   Clawson et al. (2000) relatam os testes de Tibbits et al. (1994) de que a névoa contínua pode 'contribuir para o crescimento fúngico e bacteriano na vizinhança ou sobre as plantas', e, além disso, alguns pesquisadores descobriram que devido a gotículas finas e com sistemas contínuos de nebulização, pode haver dificuldades na fornecendo nutrientes a todas as plantas onde há uma alta densidade de plantas”. A este respeito, foi demonstrado que a nebulização em intervalos proporciona um sistema mais saudável e raízes mais saudáveis em comparação com técnicas contínuas de nebulização e hidropônicas. O uso de intervalos também torna as plantas mais resistentes a quaisquer interrupções na nebulização, condicionando as plantas a prosperar mais em níveis de umidade mais baixos, com uma provável redução nos níveis de patógenos. Para uma névoa eficaz, o tamanho da gota e a velocidade também são parâmetros aeropônicos importantes. A eficiência da coleta de névoa da raiz depende do tamanho do filamento, do tamanho da queda e da velocidade” (Clawson et al. 2000).

   12.2.4 Combinação de Aquapônica e Aeroponia

   Enquanto um certo número de empresários e entusiastas estão a promover a combinação da aquapônica com a aeroponia, há uma série de questões que precisam ser resolvidas se se considerar esta tecnologia combinada para a agricultura futura. Uma questão que tem de ser resolvida é um nome para este sistema, e sugere-se aqui que chamemos este sistema de combinação de “aquaerógrafos”.

   Embora existam inúmeros vídeos e tópicos de discussão na web, sobre a combinação de aeroponia e aquapônica, o campo é vazio da literatura científica. As discussões baseadas na web levantam as questões de entupimento de pulverizadores de névoa e a necessidade de filtração fina de soluções aquapônicas. Outro problema com a aquaeroponia é o potencial para os agentes patogênicos crescerem no ambiente úmido e arejado e a pesquisa será necessária para verificar isso. Uma solução para resolver o problema dos misters é usar vibração ultra-sônica para criar as névoas, mas isso não resolve nenhum problema que possa haver com o crescimento de patógenos.

3. 12.3 Algaepônica

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.3.1 Fundo

   As microalgas são fotoautotróficos unicelulares (variando de 0,2 μm a 100 μm) e são classificadas em vários grupos taxonômicos. Microalgas podem ser encontradas na maioria dos ambientes, mas são encontradas principalmente em ambientes aquáticos. O fitoplâncton é responsável por mais de 45% da produção primária mundial, além de gerar mais de 50% do OSub2/sub atmosférico. Em geral, não há grande diferença na fotossíntese de microalgas e plantas superiores (Deppeler et al. 2018). No entanto, devido ao seu tamanho menor e à redução de um número de organelas fisiológicas competitivas internamente, as microalgas podem crescer muito mais rápido do que as plantas mais altas (Moheimani et al. 2015). As microalgas também podem crescer sob condições de nutrientes limitadas e ter a capacidade de se adaptar a uma gama mais ampla de condições ambientais (Gordon and Polle 2007). Mais importante ainda, a cultura de microalgas não compete com a produção de alimentos em terras aráveis e água doce (Moheimani et al. 2015). Além disso, as microalgas podem utilizar eficientemente nutrientes inorgânicos de efluentes residuais (Ayre et al. 2017). Em geral, a biomassa microalgal contém até 50% de carbono, tornando-os um candidato perfeito para biorremediação atmosférica de COSub2/Sub (Moheimani et al. 2012).

   O aumento da agricultura e da produção animal em todo o mundo resultou em aumentos significativos do nitrogênio e fósforo biologicamente disponíveis que entram na biosfera terrestre (Galloway et al. 2004). Os sistemas de cultivo e animal e de esgoto contribuem com quantidades significativas para essas cargas de nutrientes (Schoumans et al. 2014). A infiltração desses nutrientes em riachos de água pode causar problemas ambientais maciços, como flores nocivas de algas e mortalidade em massa de peixes. Por exemplo, nos EUA, a poluição nutritiva proveniente da agricultura é reconhecida como uma das principais fontes de eutrofização (Sharpley et al. 2008). Controlar o fluxo de nutrientes das operações agrícolas para o ambiente circundante resulta em desafios técnicos e econômicos que devem ser superados para reduzir tais efeitos. Houve vários processos bem sucedidos desenvolvidos para tratar efluentes residuais com altas cargas orgânicas. No entanto, quase todos esses métodos não são muito eficazes na remoção de elementos inorgânicos da água. Além disso, alguns desses métodos são bastante caros de operar. Um método simples para o tratamento de resíduos orgânicos é a digestão anaeróbica (AD). O processo AD é bem compreendido e, quando operado de forma eficiente, pode converter mais de 90% das matérias orgânicas de águas residuais em bio-metano e CoSub2/Sub (Parkin e Owen 1986). O metano pode ser usado para gerar eletricidade e o calor gerado pode ser usado para vários fins adicionais. No entanto, o processo AD resulta na criação de um efluente de digestão anaeróbio (EDA) que é muito rico em fosfato inorgânico e nitrogênio, bem como alta CQO (demanda de oxigênio de carbono). Em certos locais, este efluente pode ser tratado com microalgas e macroalgas (Ayre et al. 2017).

   12.3.2 Sistemas de crescimento de algas

   Uma vez que o comité das Nações Unidas recomendou que as culturas agrícolas convencionais fossem complementadas com alimentos ricos em proteínas de origem não convencional, as microalgas tornaram-se candidatas naturais (Richmond e Becker 1986). O primeiro cultivo de microalgas foi alcançado em 1890 pela cultura\ Chlorella vulgaris (Borowitzka 1999). Devido ao fato de que as microalgas normalmente se dividem em uma determinada hora do dia, o termo ciclostato foi desenvolvido para introduzir um ciclo claro/escuro (circadiano) para a cultura (Chisholm e Brand 1981). A cultura em grande escala de microalgas e o uso parcial de sua biomassa especialmente como base para certos produtos, como lipídios, foi provavelmente iniciado seriamente em 1953 com o objetivo de produzir alimentos a partir de uma cultura em larga escala de *chlorela\ * (Borowitzka 1999). Normalmente, as algas podem ser cultivadas em líquido usando lagoas abertas (Borowitzka e Moheimani 2013), fotobiorreatores fechados (Moheimani et al. 2011) ou uma combinação desses sistemas. As algas também podem ser cultivadas como biofilmes (Wijihastuti et al. 2017).

   Fotobioreatores fechados (após Moheimani et al. 2011): Culturas de algas fechadas (fotobiorreatores) não são expostas à atmosfera, mas são cobertas com um material transparente ou contidas dentro de tubos transparentes. Os fotobiorreatores têm a vantagem distinta de prevenir a evaporação. Os fotobiorreatores fechados e semi-fechados são usados principalmente para a produção de produtos de algas de alto valor. Devido ao custo global das despesas operacionais (OPEX) e das despesas de capital (CAPEX), os fotobiorreatores fechados são menos económicos do que os sistemas abertos. Por outro lado, há menos contaminação e menos perdas de COSub2/Sub, e ao criar condições de cultivo reprodutíveis e flexibilidade no design técnico, isso os torna um bom substituto para lagoas abertas. Algumas das fraquezas dos sistemas fechados podem ser superadas por (a) redução do caminho da luz, (b) resolução da complexidade do cisalhamento (turbulência), redução da concentração de oxigênio e (c) um sistema de controle da temperatura. Os fotobiorreactores fechados dividem-se principalmente em (a) carboys, (b) tubular, (c) transporte aéreo e (d) fotobiorreactores em placa.

   Lagoas abertas (depois de Borowitzka e Moheimani 2013): Lagoas abertas são mais comumente usadas para o cultivo de microalgas ao ar livre em larga escala. A grande produção comercial de algas é baseada em canais abertos (pistas) que são menos caros, mais fáceis de construir e operar quando comparados com fotobiorreatores fechados. Além disso, o crescimento de microalgas encontra menos dificuldades em sistemas de cultivo abertos do que fechados. No entanto, apenas algumas espécies de microalgas (por exemplo, Dunaliella salina, Spirulina sp., Chlorella sp.) foram cultivadas com sucesso em lagoas abertas. Os custos de produção de microalgas comerciais são elevados, aproximados entre 4 e 20\ $US/GSUP-1/Sup. A cultura de microalgas comerciais de lagoas abertas ao ar livre desenvolveu-se ao longo dos últimos 70 anos, e ambas as lagoas ainda (não agitadas) e agitadas foram desenvolvidas e utilizadas em uma base comercial. As grandes lagoas abertas não agitadas são simplesmente construídas a partir de lagoas de água naturais com camas abertas que geralmente têm menos de 0,5 m de profundidade. Em algumas lagoas menores, a superfície pode ser revestida com folhas de revestimento de plástico. Os lagos abertos não agitados representam o mais econômico e menos técnico de todos os métodos de cultura comercial e têm sido comercialmente utilizados para a produção de β-caroteno Dunaliella salina na Austrália. Tais lagoas são principalmente limitadas a microalgas em crescimento que são capazes de sobreviver em condições precárias ou têm uma vantagem competitiva que lhes permite superar contaminantes como protozoários, microalgas indesejadas, vírus e bactérias. As lagoas agitadas, por outro lado, têm a vantagem de um regime de mistura. A maioria das lagoas agitadas são (a) lagoas circulares com agitadores rotativos ou (b) lagoas de pista simples ou unidas.

   As lagoas de cultivo circulares têm sido utilizadas principalmente para o cultivo em larga escala de microalgas, especialmente no Sudeste Asiático. As lagoas circulares de até 45 m de diâmetro e geralmente 0,3-0,7 m de profundidade são descobertas, mas há alguns exemplos que são cobertos por cúpulas de vidro. As baixas tensões de cisalhamento que são necessárias para a produção de microalgas são produzidas nestes sistemas, particularmente no centro da lagoa, e esta é uma vantagem distinta destes tipos de sistemas. Algumas desvantagens incluem estruturas de concreto caras, uso ineficiente do solo com grandes pegadas, dificuldades em controlar o movimento do dispositivo de agitação e o custo adicional no fornecimento de CoSub2/Sub.

   As pistas conduzidas por rodas de pás são o sistema de cultivo de microalgas comerciais mais comum. As pistas geralmente são construídas em um único canal ou como canais vinculados. As pistas são geralmente rasas (0,15 a 0,25 m de profundidade), são construídas em um loop e normalmente cobrem uma área de aproximadamente 0,5 a 1,5 ha. Raceways são principalmente utilizados e recomendados para a maior cultura comercial de três espécies de microalgas, incluindo Chlorella, Spirulina e Dunaliella. Um alto risco de contaminação e baixa produtividade, resultante principalmente de maus regimes de mistura e penetração de luz, são as principais desvantagens desses sistemas abertos. Nas pistas, foram demonstradas possíveis concentrações de biomassa de até 1000 mg de peso seco. LSUP-1/Sup e produtividades de 20 g de peso seco.msup2/sup.dsup-1/sup.

   O preço da produção de microalgas torna a realização económica altamente dependente da comercialização de produtos caros e exclusivos, para os quais a procura é naturalmente restrita. As pistas também são o sistema de cultivo mais utilizado para o tratamento de águas residuais (Parks and Craggs 2010).

   Cultivo Sólido (após Wijihastuti et al. 2017): Um método alternativo de cultivo de microalgas é imobilizar as células em uma matriz polimérica ou anexá-las à superfície de um suporte sólido (biofilme). Em geral, o rendimento de biomassa dessas culturas é, pelo menos, 99% mais concentrado do que as culturas de base líquida. A desidratação é uma das partes mais caras e intensas de energia de qualquer produção de algas em massa. A principal vantagem do crescimento do biofilme é o potencial de reduzir o processo de desidratação e o respectivo consumo de energia e, portanto, os custos. O cultivo de biofilmes também pode aumentar a captura de luz celular, reduzir o estresse ambiental (por exemplo, pH, salinidade, toxicidade metálica, irradiância muito elevada), reduzir o custo de produção e reduzir o consumo de nutrientes. Métodos de cultivo à base de sólidos podem ser usados para o tratamento de águas residuais (remoção de nutrientes e metais). Existem três métodos principais para o cultivo de biofilme: (a) 100% submerso diretamente em meio, (b) parcialmente submerso em meio e (c) usando um substrato poroso para fornecer os nutrientes e a umidade do meio para as células.

   12.3.3 Requisitos de nutrientes para crescimento de algas

   Uma série de fatores físicos, químicos e biológicos inibitórios podem inibir a alta produção de microalgas. Estes são descritos no quadro 12.1.

   Um conhecimento básico das limitações críticas de crescimento é provavelmente o fator mais essencial antes de aplicar qualquer microalga a qualquer processo. A luz é de longe o fator limitante mais importante que afeta o crescimento de qualquer alga. A temperatura também é um fator crítico para a produção de algas em massa (Moheimani e Parlevliet 2013). No entanto, essas variáveis são difíceis de controlar (Moheimani e Parlevliet 2013). Ao lado da luz e da temperatura, os nutrientes são o fator limitante mais importante que afeta o crescimento de qualquer alga (Moheimani e Borowitzka 2007) e cada espécie de microalgas tende a ter suas próprias necessidades de nutrientes ideais. Os nutrientes mais importantes são o nitrogênio, o fósforo e o carbono (Oswald 1988). A maioria

   tabela tbody tr Fatores Thabióticos/th td Luz (qualidade, quantidade) /td /tr tr class="ímpar” td/td td A temperatura /td /tr tr class="mesmo” td/td td Concentração de nutrientes /td /tr tr class="ímpar” td/td td OSUB2/Sub /td /tr tr class="mesmo” td/td td Cosub2/sub e pH /td /tr tr class="ímpar” td/td td Salinidade /td /tr tr class="mesmo” td/td td Produtos químicos tóxicos /td /tr tr class="ímpar” thFatores bióticos/th td Patógenos (bactérias, fungos, vírus) /td /tr tr class="mesmo” td/td td Concorrência de outras algas /td /tr tr class="ímpar” oFactores operacionais/th td Cisalhamento produzido por mistura /td /tr tr class="mesmo” td/td td Taxa de diluição /td /tr tr class="ímpar” td/td td profundidade /td /tr tr class="mesmo” td/td td Frequência da colheita /td /tr tr class="ímpar” td/td td Adição de bicarbonato /td /tr /tbody /tabela

   Quadro 12.1 Limites ao crescimento e produtividade das microalgas (Moheimani e Borowitzka 2007)

   As algas respondem à limitação de N aumentando seu teor lipídico (Moheimani 2016). Por exemplo, Shifrin e Chisholm (1981) relataram que em 20 a 30 espécies de microalgas que examinaram, as algas aumentaram seu conteúdo lipídico sob privação de N. O fósforo é também um importante nutriente necessário para o crescimento de microalgas, uma vez que desempenha um papel essencial no metabolismo e regulação celular, estando envolvido na produção de enzimas, fosfolípidos e compostos abastecedores de energia (Smith 1983). Estudos de Brown e Button (1979) sobre alga verde Selenastrum capricornutum mostraram uma aparente limitação de crescimento quando a concentração de fosfato do meio foi inferior a 10 nM. CoSub2/Sub é também um nutriente crítico para alcançar alta produtividade de algas (Moheimani 2016). Por exemplo, se CoSub2/Sub adicional não for adicionado à cultura de algas, a produtividade média pode ser reduzida em até 80% (Moheimani 2016). No entanto, a adição de CoSub2/Sub a lagoas de algas é bastante dispendiosa (Moheimani 2016). A maneira mais econômica de introduzir CoSub2/Sub a um meio de cultura é a transferência direta do gás para a mídia borbulhando através de pedras porosas sinterizadas ou usando tubos sob folhas de plástico submersas como injetores Cosub2/Sub (Moheimani 2016). Infelizmente, em todos estes métodos ainda há uma grande perda de COSub2/sub para a atmosfera devido ao curto tempo de retenção das bolhas de gás na suspensão de algas.

   Embora a adição de N, P e C seja crítica, outros nutrientes também afetam o crescimento e o metabolismo das microalgas. A falta de outros nutrientes, como o manganês (Mn) e vários outros catiões (MgSup2+/Sup, KSUP+/Sup e CasuP2+/Sup), também é conhecida por reduzir o crescimento de algas (Droop 1973). Os oligoelementos também são críticos para o crescimento das microalgas e algumas microalgas também necessitam de vitaminas para o seu crescimento (Croft et al. 2005). Uma maneira eficaz e barata de fornecer nutrientes é combinando cultura de algas e tratamento de águas residuais, que é discutido imediatamente abaixo.

   12.3.4 Tratamento de algas e águas residuais

   Com o aumento da deterioração ambiental e a maior necessidade de gerar fontes alternativas de alimentação e energia, há o impulso para explorar a viabilidade de tratamentos biológicos de águas residuais, juntamente com a recuperação de recursos. Os tratamentos de águas residuais microalgas têm sido particularmente atraentes, devido às atividades fotossintéticas de algas, onde a luz é transferida para biomassa rentável. Sob certas condições, a biomassa microalga cultivada em águas residuais pode ser equivalente ou superior na produção de biomassa a espécies vegetais superiores. Assim, o processo pode transformar um produto residual em produtos úteis (por exemplo, alimentos para animais, alimentos para aquicultura, bio-fertilizantes e bioenergia). Assim, o efluente residual não é mais um produto residual negativo, mas torna-se um substrato valioso para a produção de substâncias importantes e a biorremediação bem-sucedida de águas residuais microalgas tem sido relatada há mais de meio século (Oswald e Gotass 1957; Delrue et al. 2016). De fato, a fitorremediação de algas fornece uma solução ambientalmente favorável para o tratamento de águas residuais, uma vez que pode utilizar nutrientes orgânicos e inorgânicos de forma eficiente (Nwoba et al. 2017). As culturas microalgas possuem um enorme potencial para as etapas posteriores do tratamento de águas residuais, especialmente para a redução de 'N', 'P' e 'CQO' (Nwoba et al. 2016). Além disso, a capacidade adicional das microalgas para crescer através de diferentes condições nutricionais, tais como condições fotoautotróficas, mixotróficas e heterotróficas, também aumenta suas capacidades na remoção de vários tipos diferentes de poluentes e produtos químicos de matrizes aquosas. A capacidade das microalgas em sequestrar carbono (CoSub2/Sub) permite a biorremediação Cosub2/Sub. A relação alga-bactéria sincronizada estabelecida também é idealmente sinergética para a biorremediação de águas residuais (Munoz e Guieysse 2006). Através da fotossíntese, as microalgas fornecem oxigênio requerido por bactérias aeróbias para a mineralização da matéria orgânica, bem como a oxidação de NHsub4/SubSUP+/SUP (Munoz e Guieysse 2006). Em troca, as bactérias fornecem dióxido de carbono para o crescimento de microalgas, reduzindo significativamente a quantidade de oxigênio necessária para o processo geral de tratamento de águas residuais (Delrue et al. 2016). Em geral, os efluentes residuais com baixas relações de carbono e azoto são fundamentalmente adequados ao crescimento de organismos fotossintéticos. Mais importante ainda, os tratamentos de águas residuais domésticas e agrícolas microalgas são uma opção atraente, uma vez que a tecnologia é relativamente fácil e eles exigem energia muito baixa em comparação com o padrão de tratamento de efluentes. A otimização do tratamento de águas residuais microalgas em lagoas de pista de grande escala é atraente, uma vez que combina o tratamento eficaz de um produto residual nocivo e a produção de biomassa de algas potencialmente valiosa rica em proteínas. A Figura 12.1 resume um sistema de circuito fechado para o tratamento de qualquer resíduo orgânico por combinação de digestão anaeróbica e cultivo de algas.

   12.3.5 Algas e aquapônica

   As microalgas na aquicultura e nos sistemas aquánicos são muitas vezes vistas como um incômodo, pois podem restringir os fluxos de água entupindo os tubos, consomem oxigênio,

   

   Fig. 12.1 Sistema de processo integrado para usar a cultura de algas para o tratamento de resíduos orgânicos e potenciais usuários finais. (O processo é projetado com base em informações de Ayre et al. 2017 e Moheimani et al. 2018)

   pode atrair insetos, reduzir a qualidade da água e quando a decomposição pode esgotar o oxigênio. No entanto, um experimento de Addy et al. (2017) mostra que as algas podem melhorar a qualidade da água em um sistema aquapônico, ajudar a controlar quedas de pH relacionadas ao processo de nitrificação, gerar oxigênio dissolvido no sistema, 'produzir ácidos graxos poliinsaturados como alimento de peixe de valor agregado e adicionar diversidade e melhorar resiliência ao sistema”. Um dos “grãos sagrados” da aquapônica é produzir pelo menos parte do alimento que é alimentado aos peixes como parte do sistema e é aqui que a pesquisa é necessária na produção de algas que poderiam ser cultivadas com parte da água aquapônica, provavelmente em um loop separado, que pode então ser alimentado como parte do dieta para os peixes.

4. 12.4 Maraponics e Haloponics

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Embora a aquapônica de água doce seja a técnica aquapônica mais descrita e praticada, os recursos de água doce para a produção de alimentos (agricultura e aquicultura) estão se tornando cada vez mais limitados e a salinidade do solo está aumentando progressivamente em muitas partes do mundo (Turcios e Papenbrock 2014). Isto levou a um maior interesse e/ou a uma mudança para fontes de água alternativas (por exemplo, água salobra a salina altamente salina, bem como água do mar) e a utilização de peixes euryhaline ou de água salgada, plantas halofíticas, algas marinhas e glicófitas pouco tolerantes ao sal (Joesting et al. 2016). É interessante notar que, embora a quantidade de solução salina na água subterrânea seja estimada apenas em 0,93% do total de recursos hídricos do mundo em 12.870.000 kmsup3/sup, esta é mais do que as reservas subterrâneas de água doce (10.530.000 kmsup3/sup) que compõem 30,1% de todas as reservas de água doce (Appelbaum e Kotzen 2016).

   O uso de água salina na aquapônica é um desenvolvimento relativamente novo e, tal como acontece com a maioria dos novos desenvolvimentos, os termos utilizados para descrever a gama/hierarquia dos tipos têm de ser estabelecidos numa base firme. Em sua curta história, o termo maraponics (i.e. aquapônica marinha) foi cunhado para aquapônica da água do mar (SA), ou seja, sistemas que utilizam água do mar e água salobra (Gunning et al. 2016). Estes sistemas estão localizados principalmente em terra, em locais costeiros e, no caso de SA, perto de uma fonte de água do mar. Mas há peixes e plantas que crescem e podem ser usados em unidades aquapônicas onde os níveis de salinidade da água variam. Assim, embora faça sentido etimológico usar o termo “maraponics” para a aquapônica da água do mar, faz menos sentido chamar aquapônica de água salobra usando este termo. Sugerimos, assim, que um novo termo precisa ser adicionado ao léxico aquapônico e isso é “haloponics”, derivado da palavra latina halo que significa sal e combinando isso com ponics sufixos. Assim, a maraponia é um sistema integrado de aquicultura multitrófica em terra (IMTA) que combina a produção aquícola de peixes marinhos, crustáceos marinhos, moluscos marinhos, etc., com a produção hidropônica de plantas aquáticas marinhas (por exemplo, algas marinhas, algas marinhas e halófitos de água do mar) usando oceânica água do mar de força (aproximadamente 35.000 ppm [35 g/L]). No entanto, os sistemas aquapônicos que utilizam água salina abaixo dos níveis oceânicos em uma gama de salinidades devem ser denominados haloponics (água salina ligeiramente —1000 a 3000 ppm [1—3 g/L], moderadamente salina 3000—10.000 ppm [3—10 g/L] e alta salinidade 10.000—35.000 ppm [10—35 g/L]). Estes sistemas também são sistemas IMTA em terra que combinam a produção aquícola com a produção hidropônica de plantas aquáticas, mas tanto os peixes como as plantas estão adaptados ou crescem bem naquilo que pode ser chamado de água salobra.

   Embora o conceito de maraponics seja muito novo, um interesse em maricultura integrada em terra começou a aparecer na década de 1970, começando a partir de uma escala laboratorial e depois expandindo para ensaios em escala piloto ao ar livre. Em alguns dos primeiros estudos experimentais, Langton et al. (1977) demonstraram com sucesso o crescimento da alga vermelha, Hypnea musciformis, cultivada em tanques com efluente de cultura de marisco. Alternativamente, culturas que normalmente seriam classificadas como glicófitas, como o tomate comum (Lycopersicon esculentum), o tomate cereja (Lycopersicon esculentum var. Cerasiforme) e manjericão (Ocimum basilicum), podem atingir níveis de produção notavelmente bem sucedidos em até 4 g/L (4000 ppm) de salinidade e são muitas vezes referidos como tendo baixos níveis moderados de tolerância ao sal (não deve ser confundido com halófitos verdadeiros, que são resistentes a salinidades elevadas). Outras culturas que são tolerantes a salinidades de baixa moderada incluem nabo, rabanete, alface, batata-doce, feijão largo, milho, repolho, espinafre, espargos, beterraba, abóbora, brócolis e pepino (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016). Por exemplo, Dufault et al. (2001) e Dufault e Korkmaz (2000) experimentaram resíduos de camarão (matéria fecal de camarão e ração decomposta) como fertilizante para a produção de brócolis (Brassica oleracea italica) e pimentão (Capsicum annuum), respectivamente. Embora seus estudos não utilizem técnicas maraponicas, envolveram plantas que são comumente cultivadas usando técnicas aquapônicas (água doce). Portanto, devido aos seus níveis de tolerância à salinidade, essas culturas têm um enorme potencial como espécies candidatas à produção em sistemas halopônicos usando salinidades baixas a médias.

   Recentemente, vários estudos mostraram que os halófitos podem ser irrigados com sucesso com águas residuais aquícolas de sistemas marinhos utilizando técnicas hidropônicas ou como parte de um sistema de aquicultura recirculante (RAS). Waller et al. (2015) demonstraram a viabilidade da reciclagem de nutrientes de uma água salgada (16 psu salinidade [16.000 ppm]) RAS para robalo europeu (D. labrax) através da produção hidropônica de três plantas halofíticas: Tripolium pannonicum (aster marinho), Plantago coronopus (banana de buck) e _ Salicornia dolichostachya_ (long spiked glasswort).

   A maior parte do trabalho maraponico realizado até agora envolve a integração de dois níveis tróficos — plantas/algas e peixes. No entanto, um exemplo de um sistema que incorpora mais de dois níveis tróficos pode ser visto em um experimento realizado por Neori et al. (2000), que projetou um pequeno sistema para a cultura terrestre intensiva de abalone japonês (Haliotis discus hannai), algas marinhas (Ulva lactuca e Gracilaria conferta) e alimentados por pellets Dourado (Sparus aurata) Este sistema consistia em água do mar não filtrada (2400 L/dia) bombeada para dois tanques de abalone e drenada através de um tanque de peixes e, finalmente, através de uma unidade de filtração/produção de algas marinhas antes de ser descarregada de volta ao mar. Os moluscos de alimentação por filtro também podem ser utilizados nesse sistema. Kotzen e Appelbaum (2010) e Appelbaum e Kotzen (2016) compararam o crescimento de vegetais comuns usando água potável e água salina moderadamente (4187—6813 ppm) e encontraram que manjericão (Ocimum basilicum), aipo (Apium graveolens), alho-porros (Allium ampeloprasum porrum), tuce (Lactuca sativa — vários tipos), acelga suíça (Beta vulgaris. “cicla”), cebolinha (Allium cepa) e agrião (Nasturtium officinale) tiveram um desempenho extremamente bom.

   Maraponics (SAs) e haloponics oferecem uma série de vantagens em relação aos métodos tradicionais de produção de culturas e peixes. Como eles usam água salina (marinha para salobra), há uma dependência reduzida da água doce, que em algumas partes do mundo se tornou um recurso muito limitado. É normalmente praticado em um ambiente controlado (por exemplo, uma estufa; tanques de caudal controlado), proporcionando melhores oportunidades para uma produção intensiva. Muitos sistemas maraponicos e halopônicos são RAS fechados com biofiltros orgânicos e/ou mecânicos e, posteriormente, a reutilização da água é alta, a poluição das águas residuais é amplamente reduzida ou eliminada e os contaminantes são removidos ou tratados. Mesmo os sistemas que não são RAS podem reduzir significativamente o excesso de nutrientes nas águas residuais antes da descarga. Além disso, a ocorrência de contaminantes em sistemas não RAA marapônicos e halopônicos pode ser reduzida ou eliminada através da utilização de água contendo baixos níveis de contaminantes naturais e da utilização de aquafeeds alternativos que não contenham dioxinas ou PCDs (por exemplo, novos alimentos feitos de macroalgas). Esta melhoria na qualidade da água reduz o potencial de ocorrência de doenças e a necessidade de uso de antibióticos é, portanto, muito reduzida. Devido à sua configuração versátil e baixa necessidade de água, maraponics e haloponics podem ser implementados com sucesso em uma ampla variedade de ambientes, desde áreas costeiras férteis até desertos áridos (Kotzen e Appelbaum 2010), bem como em assentamentos urbanos ou periurbanos. Outro benefício potencial é que muitas das espécies que são adequadas para esses sistemas têm um alto valor comercial. Por exemplo, o robalo europeu euryhaline (Dicentrarchus labrax) e o dourado (Sparus aurata) podem obter um preço de mercado de 9 euros e 6 euros por kg, respectivamente. Além disso, os halófitos comestíveis tendem a ter um preço de mercado elevado, sendo o agretti do mar (Salsola soda), por exemplo, um preço de mercado de 4 a 4,5 €/kg e o samphire de pântano (Salicornia europaea) vendido a 18 €/kg em supermercados.

   As provas são, portanto, convincentes. Maraponics e haloponics fornecem um campo dinâmico e em rápido crescimento que tem o potencial de fornecer uma série de serviços às comunidades, muitos dos quais são explorados em outros lugares desta publicação.

5. 12.5 Aquapônica Vertical

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.5.1 Introdução

   Embora a aquapônica possa ser vista como parte de uma solução global para aumentar a produção de alimentos de maneiras mais sustentáveis e produtivas e onde o cultivo de mais alimentos em áreas urbanas é agora reconhecido como parte da solução para a segurança alimentar e uma crise alimentar global (Konig et al. 2016), os sistemas aquapônicos podem tornar-se mais produtivo e sustentável, adotando tecnologias alternativas de crescimento e aprendendo com tecnologias emergentes, como a agricultura vertical e os muros vivos (Khandaker e Kotzen 2018). Além disso, por serem eficientes em termos de espaço, eles podem ser melhor integrados em áreas urbanas.

   No mundo desenvolvido, a maioria dos sistemas aquapônicos são colocados em estufas para controlar a temperatura; no norte da Europa e na América do Norte, por exemplo, as temperaturas de inverno são muito frias no inverno e em áreas mediterrânicas como Espanha, Itália, Portugal, Grécia e Israel, as temperaturas de verão são muito quentes. Existem, naturalmente, muitas vantagens adicionais no cultivo de alimentos em estufas controladas, tais como a capacidade de regular a umidade relativa e controlar o movimento do ar, para quarentena peixes, bem como plantas de doenças, bem como pragas e potencialmente ser capaz de adicionar Cosub2/Sub, para ajudar o crescimento das plantas. No entanto, o cultivo de produtos em estufa pode facilmente aumentar os custos através de (a) os custos de capital da estufa (uma estimativa ampla de US\ $350/msup2/sup Arnold 2017) e (b) infraestruturas aliadas, tais como controles de microclima, que incluem sistemas de aquecimento e refrigeração e iluminação. Além dos custos iniciais da infra-estrutura, há também os custos específicos de produção com efeito de estufa, que incluem o fornecimento de energia/energia para aquecimento e arrefecimento, bem como a iluminação.

   A maioria dos sistemas aquapônicos, como o sistema da Universidade da Ilha Virgin (UVI) (Fig. 12.1), projetado pelo Dr. James Rakocy e seus colegas, usam tanques ou camas horizontais, emulando padrões tradicionais de cultivo arável terrestre para produzir vegetais (Khandaker e Kotzen 2018). Em outras palavras, o sistema depende de linhas/matrizes horizontais de plantas geralmente elevadas ao nível da cintura, de modo que as tarefas de gestão relacionadas à planta possam ser prontamente realizadas. Desenvolvimentos paralelos nas tecnologias de muros vivos e agricultura vertical surgiram quase ao mesmo tempo em que a aquaponia evoluiu e estão de forma semelhante na fase adolescente de desenvolvimento. Da mesma forma que na aquaponia, à medida que mais pessoas se envolvem, há um aumento concomitante nos sistemas e no desenvolvimento tecnológico para aumentar a produtividade e reduzir os custos. O acoplamento de sistemas verticais de cultivo (sistemas de agricultura vertical e paredes vivas) em vez de camas horizontais aos tanques de peixe e de filtração é potencialmente uma das principais formas de aumentar a produtividade, uma vez que deve ser possível aumentar o número de vegetais cultivados em comparação com os números produzidos em aquapônica de leito horizontal. Os sistemas aquapônicos UVI (Fig. 12.2) produzem aproximadamente 32 plantas por metro quadrado (Al-Hafedh et al. 2008), dependendo da espécie e cultivar que é cultivada, mas como Khandaker e Kotzen (2018) observam, aproximadamente 96 plantas podem ser cultivadas por metro quadrado 'usando elementos back-to-back da Terapia Urbana [1] Sistema LW que é mais do que três vezes a densidade

   

   Fig. 12.2 Diagrama esquemático de um sistema UVI típico que ilustra a proporção de tanques de peixes/filtros/tanques de cultivo de plantas que é 2:1:5. Isso mostra que a maior área é subsumida pelas plantas e é nessa área que a economia de espaço pode ser considerada. (Khandaker e Kotzen 2018)

   em comparação com o sistema de crescimento horizontal UVI”. Uma estimativa conservadora deve, pelo menos, duplicar a quantidade máxima cultivada em leitos horizontais para 64 plantas/msup2/sup. Em um experimento com alface (Lactuca sativa L. cv. 'Little Gem') usando leitos horizontais e colunas plantadas, plantadas em densidades semelhantes, Touliatos et al. (2016) sugerem que o “Sistema de Agricultura Vertical (VFS) apresenta uma alternativa atraente aos sistemas horizontais de crescimento hidropônico (e) que podem ser alcançados novos aumentos na produtividade incorporando iluminação artificial no VFS”.

   **Sistemas de Agricultura Verticais (VFS) **

   Antes de discutirmos os requisitos específicos para sistemas verticais, precisamos discutir os tipos de sistemas disponíveis. No VFS existem três tipos genéricos principais (Fig. 12.3):

   1. Camas horizontais empilhadas: Em vez de ter apenas uma cama de crescimento horizontal, as camas são empilhadas como prateleiras em camadas. Este arranjo significa que, em uma estufa, apenas a cama superior estará voltada para a luz natural direta e luz suplementar precisa ser fornecida em todos os níveis. Isso geralmente é fornecido diretamente sob a cama de crescimento acima. Em princípio, isso pode significar que os leitos de cultivo podem ser empilhados tão altos quanto a estufa permitir, mas é claro que cultivar coisas em altura significa maior dificuldade na gestão do sistema, incluindo plantação, manutenção e colheita, exigindo elevadores de tesoura e energia adicional para bombear água rica em nutrientes a todos os níveis. De acordo com a Bright Agrotech (Storey 2015), até quatro níveis é lucrativo e qualquer coisa acima disso não é lucrativa. Storey (2015) observa ainda que a mão-de-obra aumenta 25% no segundo, terceiro e quarto níveis quando é necessário um elevador de tesoura (Fig. 12.3, Ilustração A).

   

   Fig. 12.3 Sistemas agrícolas verticais e seus arranjos de iluminação

   2. Sistemas de torre verticais (VTS): Os sistemas de torre verticais compreendem sistemas que cultivam plantas em matrizes verticais dentro de um contêiner ou série de módulos empilhados. Dependendo do sistema, as plantas são cultivadas voltadas para uma direção ou se, por exemplo, elas são plantadas em uma forma semelhante a um tubo, então elas podem ser dispostas voltadas para qualquer direção. Um exemplo de um sistema de matriz vertical, onde as plantas são cultivadas voltadas para uma única direção é o ZipGrowsuptm/SUP que são pendurados ou suportados em linhas (Fig. 12.3, Illustration B1). As fileiras entre são aproximadamente 0,5 metros (20 polegadas). O crescimento de uma forma mais tridimensional ocorre com sistemas empilhados ou em sistemas tubulares que permitem que mais plantas sejam cultivadas, mas a iluminação é mais complexa (Fig. 12.3, Illustration B2).

   3. Camadas escalonadas: Estes sistemas contêm calhas de plantas rígidas ou móveis. O SkyGreens VFS em Singapura usa um sistema de calha rotativo que move as calhas para cima e para a luz. A luz natural adicional é mais significativa para a parte superior e menos para a parte inferior (Fig. 12.3, Ilustração C1). Outros sistemas de camadas são escalonados para que cada camada tenha uma interface desobstruída com a luz de cima, seja luz natural do telhado de estufa ou luz artificial. Mas esses sistemas precisam ser bastante baixos para que as pessoas cheguem às plantas (Fig. 12.3, Illustration C2).

   Paredes Vivas

   As paredes vivas ainda não foram usadas em aquapônica, exceto em vários sistemas experimentais, como na Universidade de Greenwich, Londres (Khandaker e Kotzen 2018). Enquanto a maioria dos VFS usa canais de cultivo da técnica de filme nutriente (NFT) ou blocos de lã mineral encapsulados, os LWs às vezes também usam substratos do tipo solo em potes ou calhas, que fornecem o meio de enraizamento. Embora isso seja bom para o cultivo de plantas ornamentais, bem como vegetais e ervas aromáticas, quando associado a tanques de peixes, qualquer adição de solo ao sistema pode complicar o caráter microbiano do sistema e ser prejudicial para os peixes. No entanto, isso é desconhecido e requer pesquisa. Experimentos realizados na Universidade de Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018) indicam que, a partir de vários substratos inertes testados (incluindo hidroleica, perlita, palha, musgo Sphagnum, lã mineral e fibra de coco), a fibra de coco e, em seguida, a lã mineral foram superiores em termos de penetração radicular e crescimento radicular em alface (Lactuca sativa).

   Vertical v. Horizontal: Fatores a serem considerados

   Há quatro aspectos fundamentais que devem ser tidos em conta ao comparar os benefícios (produtividade e sustentabilidade) do crescimento vertical, em comparação com o crescimento horizontal. Estes são (1) espaço, (2) iluminação, (3) energia e (4) custos do ciclo de vida.

   1. Espaço

   Os benefícios de ser capaz de crescer produzem verticalmente, de costas para trás, precisam ser equilibrados com a quantidade de espaço que é necessário para proporcionar uma dispersão uniforme da iluminação, bem como o espaço de fileira necessário para a gestão e manutenção. A largura de uma linha em sistemas hidropônicos varia. Como observado, o sistema padrão ZipGrowsuptm/SUP é de aproximadamente 0,5 metros, enquanto a largura usual para o cultivo de tomates e pepinos varia hidroponicamente de 0,9 a 1,2 metros (Badgery-Parker e James 2010). O cultivo de plantas menores, como alface e ervas, como manjericão, pode permitir fileiras mais estreitas, mas é claro que a largura da linha deve garantir que a produção não seja comprometida por itens móveis, como carrinhos e elevadores de tesoura. Um problema fundamental com o crescimento vertical é o conflito que ocorre entre ter linhas fixas e iluminação fixa, que precisa estar localizada nas fileiras entre as fachadas de plantio. Essas luzes impedirão o movimento das pessoas e, portanto, ou as luzes precisam ser (i) parte da estrutura em crescimento ou (ii) retráteis ou móveis, para que os trabalhadores possam facilmente realizar tarefas, ou (iii) as estruturas de plantação são móveis e as luzes permanecem estáticas.

   2. Lighting

   A produção de vegetais e outras plantas com efeito de estufa depende de arranjos espaciais específicos que permitem a plantação, a gestão através do crescimento e, em seguida, a colheita. O arranjo espacial dependerá dos tipos de plantas e dos tipos de mecanização instalados. Além disso, o crescimento eficiente depende do suplemento de luz adicional de diferentes tipos, que têm seus próprios prós e contras. Em geral, o que essas luzes fazem é fornecer comprimentos de onda específicos para o crescimento das plantas e para a produção de frutas ou flores. Embora seja relativamente simples e mais comum iluminar uniformemente plantas cultivadas horizontalmente, é mais um desafio iluminar uniformemente uma superfície vertical.

   No que diz respeito aos tipos de iluminação, muitos produtores se mudaram para ou estão tentados a instalar LEDs (diodos emissores de luz), devido à sua longa vida útil, até 50.000 horas ou mais (Gupta 2017), seus baixos requisitos de energia e sua recente redução de custos. Virsile et al. in Gupta (2017) observam que a maioria das aplicações de iluminação LED em estufas escolhe as combinações de comprimentos de onda vermelho e azul com alta eficiência de fótons, mas que a luz verde e branca contendo quantidades substanciais de comprimentos de onda verdes tem um impacto fisiológico positivo nas plantas_. No entanto, a combinação de luzes azuis e vermelhas cria uma imagem cinza-púrpura, o que dificulta a avaliação visual da fitossanidade. O tipo de comprimentos de onda escolhidos é complexo e pode ter benefícios em diferentes estágios da vida da planta e mesmo de acordo com as cultivares de, por exemplo, alface. As alfaces de folhas vermelhas, por exemplo, respondem à iluminação LED azul, aumentando sua pigmentação (Virsile et al. em Gupta 2017). Além disso, a iluminação LED azul pode melhorar a qualidade nutricional dos vegetais verdes, reduzindo o teor de nitratos, aumentando antioxidantes e compostos fenólicos e outros benéficos. Os espectros de luz também afetam o sabor, a forma e a textura (Virsile et al. em Gupta 2017). Os custos dos LEDs caíram significativamente e, à medida que a eficácia dos LEDs aumentou, o tempo de retorno do investimento diminuiu (Bugbee em Gupta 2017).

   Existe, naturalmente, outra iluminação e isto inclui iluminação fluorescente, iluminação de halogeneto metálico (MH) e iluminação de sódio de alta pressão (HPS). O tipo de iluminação que é usado na agricultura vertical e com paredes vivas varia consideravelmente dependendo da escala e localização. As lâmpadas fluorescentes compactas (CFLs) são relativamente finas e podem caber facilmente em espaços pequenos, mas requerem um lastro indutivo para regular a corrente através dos tubos. As CFLs usam apenas 20 a 30% de uma lâmpada incandescente e duram seis a oito vezes mais, mas são quase 50% menos eficientes do que os LEDs. Eles são de longe o mais barato dos três principais tipos de luzes crescem. A tecnologia HPS crescer luz tem mais de 75 anos e está bem estabelecida para crescer sob o vidro, mas eles produzem muito calor e, portanto, não são adequados para a agricultura vertical e paredes vivas, onde a luz precisa ser entregue bastante perto das plantas. O calor produzido pelas luzes LED crescer, por outro lado, é mínimo. No entanto, o custo é maior do que outros dois tipos, e proteção ocular é necessária para exposição a longo prazo aos LEDs, uma vez que a exposição a longo prazo aos espectros de luz pode ser prejudicial para os olhos. O arranjo das unidades VFS ditará o arranjo de iluminação, mas no geral estes são iluminados por LEDs. O método de iluminação de paredes vivas dependerá da altura da parede. Quanto mais alta a parede, mais difícil é aplicar um espalhamento uniforme em toda a superfície, embora deva notar-se que o número de luzes utilizadas não deve ser diferente do usado em camas de crescimento horizontais e se a parede é alta, então as luzes podem precisar ser escalonadas. Como a maioria das paredes vivas está localizada para fins estéticos, a iluminação precisa ser mantida o mais longe possível, fora do caminho e a iluminação deve não apenas fornecer luz adequada para o crescimento e a saúde das plantas, mas também para que as plantas tenham uma boa aparência (Fig. 12.4).

   

   Fig. 12.4 Uma parede viva de 4 metros de altura e 5 metros de comprimento pode ser adequadamente iluminada com seis lâmpadas de descarga de alta eficiência. Note-se que estes foram escolhidos não só para fornecer luz adequada para o crescimento, mas também para que as plantas na parede viva ficassem bem. (Muralha Viva da Universidade de Greenwich. Fonte: Benz Kotzen)

   Os avanços na tecnologia LED, onde frequências de iluminação e intensidade podem ser projetadas para atender espécies e cultivares individuais, bem como seus vários ciclos de vida, significa que os LEDs se tornarão a tecnologia de escolha em um futuro próximo. Além disso, isso será reforçado por reduções de custos.

   3. Energy

   É provável que seja necessária mais energia para a iluminação para o VFS, bem como para os LWs, uma vez que mesmo a iluminação natural não pode ser alcançada em superfícies verticais. Além disso, mais potência de bombeamento para irrigação será necessária e isso será relativo à altura do VFS ou LWs.

   4. _Análise Comparativa do Ciclo de Vida (LCA) _

   Embora existam numerosos estudos realizados sobre a análise do ciclo de vida da aquapônica e vários aspectos dos sistemas aquapônicos, não existem estudos comparativos que comparem a aquapônica vertical versus horizontal. Isto ainda tem de ser feito. Chegamos a um ponto em que a aquapônica vertical é susceptível de justificar mais testes e pesquisas e, com o tempo, a aquapônica vertical, que associa sistemas de agricultura vertical ou sistemas de paredes vivas com tanques de peixes e unidades de filtração, é provável que se torne mais corrente, desde que estes possam ser rentáveis e sustentável.

6. 12.6 Tecnologia Biofloc (BFT) Aplicada a Aquapônica

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   12.6.1 Introdução

   A tecnologia biofloc (BFT) é considerada a nova “revolução azul” na aquicultura (Stokstad 2010), uma vez que os nutrientes podem ser continuamente reciclados e reutilizados no meio de cultura, beneficiados pela produção de microrganismos in situ e pela troca mínima ou nula de água (Avnimelech 2015). Estas abordagens poderão enfrentar alguns desafios sérios no sector, tais como a concorrência por terra e água e os efluentes descarregados para o ambiente, que contêm excesso de matéria orgânica, compostos azotados e outros metabolitos tóxicos.

   O BFT foi desenvolvido pela primeira vez no início da década de 1970 pela equipe Aquacop do Ifremer-Cop (Instituto Francês de Pesquisa para Exploração do Mar, Centro Oceânico do Pacífico) com diferentes espécies de camarão, incluindo Litopenaeus vannamei, L. stylirostris e Penaeus monodon (Emerenciano et al. 2011). No mesmo período, Ralston Purina (uma empresa privada dos EUA) em conexão com a Aquacop aplicou a tecnologia tanto em Crystal River (EUA) quanto no Taiti, o que levou a uma maior compreensão dos benefícios do biofloc para a cultura do camarão. Vários outros estudos possibilitaram uma abordagem abrangente do BFT e pesquisaram as inter-relações entre água, animais e bactérias, comparando o BFT com um 'rumen' externo, mas agora aplicado ao camarão. Na década de 1980 e no início da década de 1990, tanto Israel quanto os EUA (Waddell Mariculture Center) iniciaram P&D em BFT com Tilapia e o camarão branco do Pacífico L. vannamei, respectivamente, em que preocupações ambientais, limitação de água e custos de terra foram os principais agentes causadores que promoveram a pesquisa ( Emerenciano et al. 2013).

   

   Fig. 12.5 Tecnologia biofloc (BFT) aplicada à cultura de camarão marinho no Brasil (a) e à cultura Tilapia no México (b) (Fonte: EMA-FURG, Brasil e Maurício G. C. Emerenciano)

   As primeiras operações comerciais BFT e provavelmente as mais famosas começaram na década de 1980 na fazenda 'Sopomer' no Taiti, Polinésia Francesa, e no início dos anos 2000 na fazenda Belize Aquaculture ou 'BAL', localizada em Belize, América Central. Os rendimentos obtidos utilizando tanques de betão de 1000 msup2/sup e lagoas de crescimento forradas de 1,6 ha foram de aproximadamente 20 a 25 toneladas/ha/ano, com duas culturas em Sopomer e 11 a 26 toneladas/ha/ ciclo no BAL, respectivamente. Mais recentemente, a BFT foi expandida com sucesso na agricultura de camarão em grande escala na Ásia, na América do Sul e Central, bem como em estufas de pequena escala nos EUA, Europa e outras áreas. Pelo menos em uma fase (por exemplo, fase de berçário) BFT tem sido usado com grande sucesso no México, Brasil, Equador e Perú. Para a cultura Tilapia em escala comercial, fazendas no México, Colômbia e Israel estão usando BFT com produções em torno de 7 a 30 kg/msup3/sup (Avnimelech 2015) (Fig. 12.5b). Além disso, esta tecnologia tem sido utilizada (por exemplo, no Brasil e na Colômbia) para produzir juvenis de tilápia (\ ~30 g) para mais estoque em gaiolas ou lagoas de barro (Durigon et al. 2017). O BFT tem sido aplicado principalmente à cultura do camarão e, em certa medida, à tilápia. Outras espécies foram testadas e mostram promissoras, como observado para bagres de prata (Rhamdia quelen) (Poli et al., 2015), carpa (Zhao et al., 2014), piracanjuba (Brycon orbignyanus) (Sgnaulin et al., 2018), cachama (Colossoma macropomum) (Poleo et al. 2011) e outras espécies de crustáceos, como Macrobrachium rosenbergii (Crab et al., 2010), Farfantepenaeus brasiliensis (Emerenciano et al., 2012), F. paulensis (Ballester et al., 2010), Penaeus semisulcatus (Megahed, 2010), L. stylirostris (Emerenciano et al., 2011) e P. monodon (Arnold et al., 2006). O interesse pela BFT é evidente pelo número crescente de universidades e centros de investigação que realizam investigação em particular nos domínios fundamentais da gestão do crescimento, nutrição, reprodução, ecologia microbiana, biotecnologia e economia.

   12.6.2 Como funciona a BFT?

   Os microrganismos desempenham um papel fundamental nos sistemas BFT (Martinez-Cordoba et al. 2015). A manutenção da qualidade da água, principalmente pelo controle da comunidade bacteriana sobre microrganismos autotróficos, é alcançada utilizando uma alta relação carbono/nitrogênio (C:N), uma vez que os subprodutos nitrogenados podem ser facilmente absorvidos por bactérias heterotróficas. No início dos ciclos de cultura é necessária uma elevada relação de carbono para azoto para garantir o crescimento óptimo das bactérias heterotróficas, utilizando esta energia para a sua manutenção e crescimento (Avnimelech 2015). Além disso, outros grupos de microrganismos são cruciais nos sistemas BFT. A comunidade bacteriana quimioautotrófica (isto é, bactérias nitrificantes) estabiliza após aproximadamente 20 a 40 dias e pode ser responsável por dois terços da assimilação de amônia no sistema (Emerenciano et al. 2017). Assim, a adição de carbono externo deve ser reduzida e a alcalinidade consumida pelos microrganismos deve ser substituída por diferentes fontes de carbonato/bicarbonato (Furtado et al. 2011). A estabilidade da troca de água zero ou mínima depende da interação dinâmica entre as comunidades de bactérias, microalgas, fungos, protozoários, nemátodos, rotíferos, etc. que ocorrerão naturalmente (MartinezCordoba et al. 2017). Os agregados (bioflocos) são uma rica fonte natural proteína-lipídica de alimentos que se tornam disponíveis 24 h por dia devido a uma interação complexa entre matéria orgânica, substrato físico e grande variedade de microrganismos (Kuhn e Boardman 2008; Ray et al. 2010). A produtividade natural em uma forma de produção de microorganismos desempenha três papéis importantes nos tanques, pistas ou lagoas alinhadas: (1) na manutenção da qualidade da água, pela absorção de compostos nitrogenados gerando proteína microbiana in situ; (2) na nutrição, aumentando a viabilidade da cultura através da redução da alimentação rácios de conversão e diminuição dos custos de alimentação; e (3) em concorrência com agentes patogénicos (Emerenciano et al. 2013).

   Em relação à qualidade da água para os organismos de cultura, além do oxigênio, o excesso de matéria orgânica particulada e compostos nitrogenados tóxicos são a principal preocupação nos sistemas bioflocos. Nesse contexto, ocorrem três vias para a remoção do nitrogênio amônico: a uma taxa menor (1) remoção fotoautotrófica por algas e a uma taxa maior (2) conversão bacteriana heterotrófica do nitrogênio amônico diretamente para biomassa microbiana e (3) conversão bacteriana autotrófica de amônia para nitrato ( MartinezCordoba et al. 2015). O nitrato disponível nos sistemas e outros nutrientes menores e importantes acumulados ao longo do ciclo poderia ser usado como substrato para o crescimento de plantas em sistemas aquapônicos (Pinho et al. 2017).

   12.6.3 BFT em Aquaponics

   A aplicação do BFT em sistemas aquapônicos é relativamente nova, embora Rakocy (2012) menciona um projeto comercial de escala piloto com tilápia. A Tabela 12.2 resume os principais estudos recentes que utilizaram BFT em sistemas aquapônicos.

   Globalmente, os resultados demonstram que a tecnologia de bioflocos pode ser utilizada e integrada numa produção de peixe ou camarão. A BFT, quando comparada a outros sistemas aquícolas convencionais (como a RAS), melhorou a produção de plantas e peixes e promoveu uma melhor qualidade visual das plantas (Pinho et al. 2017), mas não em todos os casos (Rahman 2010; Pinho 2018). Pinho et al. (2017) observaram que os rendimentos de alface com o sistema BFT foram maiores quando comparados ao sistema de recirculação de águas claras (Fig. 12.6). Isto é possivelmente devido à maior disponibilidade de nutrientes fornecida pelo

   Tabela 12.2 Estudos recentes em todo o mundo aplicando o BFT em sistemas aquánicos para diferentes espécies aquáticas e vegetais

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” queEspécie aquática/th th Espécies vegetais /th th Principais resultados /th th Referências /th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TDtilápia/TD td Alface /td td A tecnologia biofloc não melhorou a produção de alface em comparação com a solução hidropônica convencional /td td Rahman (2010) /td /tr tr class="mesmo” TDtilápia/TD td Alface /td td O rendimento e a qualidade visual da alface foram melhorados usando BFT em comparação com o sistema de recirculação de água limpa /td td Pinho et al. (2017) /td /tr tr class="ímpar” TDtilapia (berçário) /td td Alface /td td O desempenho da planta (alface) utilizando tilápia em uma fase de viveiro (1—30 g) foi influenciado negativamente pelas águas residuais de biofloco em comparação com as águas residuais de RAS após dois ciclos de plantas (13 dias cada). Aspectos visuais das plantas foram melhores em RAS em comparação com BFT /td td Pinho (2018) /td /tr tr class="mesmo” TDtilápia/TD td Alface /td td A presença de elementos filtrantes (filtro mecânico e filtro biológico) afetou positivamente a produção de alface em sistemas aquapônicos em comparação ao tratamento sem filtros utilizando BFT /td td Barbosa (2017) /td /tr tr class="ímpar” TDtilápia/TD td Alface /td td Baixa salinidade (3 ppt) pode ser realizada em aquaponia usando BFT. Parâmetros visuais e de desempenho indicaram que a variedade roxa teve melhor desempenho do que as variedades lisas e nítidas /td td Lenz et al. (2017) /td /tr tr class="mesmo” TDSilver/td td Alface /td td O uso de bioflocos no sistema aquapônico pode melhorar a produtividade da alface em uma cultura integrada com bagres de prata /td td Rocha et al. (2017) /td /tr tr class="ímpar” TDilitOpenaeus vannamei/i/td td IsArcocornia ambigua/i /td td O desempenho do isrimp L. vannamei/i marinho não foi afetado pela produção aquaponica integrada de iS. ambigua/i e também melhora o uso de nutrientes (por exemplo, nitrogênio) no sistema de cultura /td td Pinheiro et al. (2017) /td /tr /tbody /tabela

   

   Fig. 12.6 Estufa aquapônica experimental comparando tecnologia de bioflocos e águas residuais RAS na Universidade Estadual de Santa Catarina (UDESC), Brasil. (Fonte: Pinho et al. 2017)

   maior atividade microbiana. No entanto, essa tendência não foi observada no estudo de Rahman (2010), que comparou efluentes de cultura de peixe em um sistema BFT com uma solução hidropônica convencional em uma produção de alface. Além disso, Pinho

   

   Fig. 12.7 Produção aquánica de halófito de alta salinidade Sarcocornia ambigua integrada com camarão branco do Pacífico Litopenaeus vannamei aplicando com sucesso a tecnologia biofloc na Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Brasil. (Fonte: LCM-UFSC, Brasil)

   

   Fig. 12.8 Produção de alface Aquaponics integrada com Tilapia usando tecnologia de biofloco (esquerda) e acumulação de sólidos suspensos em raízes de alface (direita). Barbosa (2017)

   (2018), em um estudo recente, observou que o desempenho produtivo da alface em sistema aquapônico utilizando Tilapia em uma fase de viveiro (1—30 g) foi influenciado negativamente pela água residual biofloc em comparação com as águas residuais RAS ao longo de 46 dias. A variação nos resultados identifica a necessidade de estudos adicionais nesta área.

   O BFT pode ser utilizado com água de baixa salinidade, por exemplo, com algumas variedades de alface (Lenz et al. 2017), e podem ser utilizadas águas de maior salinidade, por exemplo, com espécies de plantas halófitas como Sarcocornia ambigua co-cultura com camarão branco do Pacífico Litopenaeus vannamei (Pinheiro et al. 2017) (Fig. 12.7). O peixe-gato prateado Rhamdia quelen também mostrou bom potencial para a integração da aquapônica com o BFT (Rocha et al. 2017).

   Com BFT, a concentração de sólidos pode afetar severamente as raízes e impactar a absorção de nutrientes e a disponibilidade de oxigênio. Consequentemente, os rendimentos podem ser afectados, mas também a qualidade visual das plantas (por exemplo, alfaces), que constitui um critério importante para os consumidores. Com isso em mente, o manejo de sólidos é um assunto importante para estudos posteriores, onde o impacto de sólidos (fração de partículas e também fração dissolvida) em sistemas aquapônicos ao aplicar BFT é considerado (Fig. 12.8). Além disso, é necessário realizar estudos económicos para comparar os custos dos diferentes sistemas de aquicultura e de cultura vegetal e identificar a adequação em relação a diferentes locais e condições.

7. 12.7 Digepônica

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   O processamento anaeróbio de biomassa cultivada propositalmente, bem como de material vegetal residual da atividade agrícola, para a produção de biogás é um método bem estabelecido. A digestação bacterialmente indigestível é devolvida aos campos como fertilizante e para construção de húmus. Embora este processo seja generalizado na agricultura, a aplicação desta tecnologia na horticultura é relativamente nova. Stoknes et al. (2016) afirmam que, dentro do projeto 'Food to waste to food' (F2W2F), um método eficiente para a utilização da digestação como substrato e fertilizante foi desenvolvido pela primeira vez. A equipe de pesquisa cunhou o termo 'digeponics' para este sistema circular. Digepônica, em contraste com a aquapônica, substitui a parte aquícola por um digestor anaeróbio, ou, ao compará-la com um sistema aquapônico de três alças que inclui um anaeróbico, a parte aquícola é removida do sistema, deixando dois loops principais, o loop de digestão e o loop hortícola.

   A entrada orgânica necessária que é fornecida sob a forma de alimento para peixes para um sistema aquapônico é substituída por resíduos alimentares provenientes da produção de alimentos humanos para digeponia. A composição variável dos nutrientes no fluxo de entrada oposta ao fluxo de nutrientes bem conhecido, constante e provavelmente otimizado nutricionalmente, resultante da alimentação dos peixes, provavelmente exigirá um regime de análise e gestão de nutrientes mais rigoroso do que o exigido na aquaponia.

   O biogás produzido, que contém principalmente metano e dióxido de carbono, pode ser utilizado dentro da instalação para produção de eletricidade e calor. O gás de escape rico em dióxido de carbono resultante pode ser usado como fertilizante diretamente no efeito estufa reduzindo as emissões em comparação com as plantas de biogás clássicas usadas na agricultura.

   Uma vez que o “digestado fresco e não tratado em chorume líquido anaeróbio (contém) substâncias tóxicas vegetais, uma condutividade elétrica (CE) muito elevada e uma procura química de oxigénio (CQO)” (Stoksnes et al. 2016), tem de ser tratado para torná-lo adequado para fertilização vegetal. Foram examinados vários métodos de moderação no âmbito do projecto F2W2F. A CE relativamente elevada da digestação e a flexibilidade operacional de um digestor alimentado com resíduos alimentares de baixo custo aliviam algumas das questões de acoplamento apertadas muitas vezes atribuídas a sistemas aquapônicos acoplados (ver Capítulo 7). Assim, a digeponia pode servir como uma alternativa interessante para a aquapônica em situações em que a parte aquícola representa um desafio. No que diz respeito a um sistema aquapônico de três alças que já compreende um loop com um digestor anaeróbio, a inclusão de um fluxo de resíduos alimentares para entrada orgânica pode representar uma direção futura interessante. O rendimento de metano das lamas de aquicultura é bastante limitado. Uma inclusão direcionada da biomassa agrícola residual com o objetivo de otimizar o rendimento do metano poderia melhorar o desempenho geral.

8. 12.8 Vermiponia e Aquapônica

   Original publication 2019 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Seria negligente neste capítulo não mencionar minhocas e sua introdução na aquapônica, e assim este capítulo conclui com um breve currículo desses invertebrados prejudiciais e suas habilidades para converter resíduos orgânicos em fertilizantes. Diz-se que os vermes e a forma como eles digerem matéria eram de interesse para Aristóteles e Charles Darwin, bem como para os filósofos Pascal e Thoreau (Adhikary 2012) e eles foram protegidos por lei sob Cleópatra. As minhocas são valorizadas na agricultura e na horticultura, pois são “vitais para a saúde do solo porque transportam nutrientes e minerais de baixo para a superfície através de seus resíduos, e seus túneis arejam o solo” (National Geographic).

   A vermicultura moderna é atribuída a Mary Appelhof, que no início dos anos 1970 e 1980 produziu uma série de publicações sobre compostagem com vermes. A vermicompostagem contemporânea ocorre em grandes e pequenas escalas com o objetivo de se livrar dos resíduos orgânicos e produzir fertilizantes nas formas de composto e “chá de minhoca”. O chá de vermes pode ser produzido por imersão de moldes de vermes ou lixiviando os nutrientes do composto através de molhagem ou lixiviação natural da precipitação.

   Vermiponics usa os moldes de vermes principalmente vermelhos, também conhecidos como vermes tigre (Eisenia fetida) ou (E. foetida) para fornecer nutrientes em um sistema hidropônico. Quando os vermes são introduzidos em um sistema aquapônico, sugerimos que o sistema seja denominado “vermi-aquapônica” para diferenciar os sistemas. É, portanto, a introdução de vermes nos leitos crescentes das partes vegetais de um sistema aquapônico. Deve-se notar que a vermi-aquapônica está em sua infância e praticada principalmente por amadores e em laboratórios de pesquisa. Os vermes são introduzidos principalmente nos meios de cultivo de plantas, geralmente camas de cascalho, onde eles podem ajudar a quebrar qualquer resíduo sólido dos peixes e quaisquer detritos das plantas e, adicionalmente, fornecer nutrientes adicionais para as plantas, e eles também podem ser alimentados para peixes carnívoros. Na maioria dos casos, as camas são de um tipo de inundação e drenagem, de modo que os vermes não estão constantemente debaixo de água.

   Agradecimentos Os autores agradecem ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq (Projeto Número 455349/2012-6) e à Fundação de Pesquisa Científica e Tecnológica de Santa Catarina State FAPESC (Projeto Número 2013TR3406 e 2015TR453).