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Capítulo 13 Dietas de Peixe em Aquapônica

1. 13.1 Introdução

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

   A alimentação aquática é reconhecida como benéfica para a nutrição e a saúde humana e desempenhará um papel essencial nas futuras dietas saudáveis sustentáveis (Beveridge et al. 2013). Para isso, o setor da aquicultura mundial deve contribuir para aumentar a quantidade e a qualidade do abastecimento de peixe até 2030 (Thilsted et al. 2016). Este crescimento deve ser promovido não só pelo aumento da produção e/ou do número de espécies, mas também pela diversificação dos sistemas. No entanto, os peixes da aquicultura só recentemente foram incluídos no debate sobre segurança alimentar e nutrição (FSN) e nas futuras estratégias e políticas, demonstrando o importante papel desta produção na prevenção da desnutrição no futuro (Bénét et al. 2015), uma vez que os peixes constituem uma boa fonte de proteína e gorduras insaturadas, bem como minerais e vitaminas. É importante notar que muitas nações africanas estão promovendo a aquicultura como resposta para alguns de seus desafios atuais e futuros na produção de alimentos. Mesmo na Europa, a oferta de peixe não é actualmente auto-suficiente (com uma oferta e procura interna desequilibrada), sendo cada vez mais dependente das importações. Portanto, garantir o desenvolvimento bem-sucedido e sustentável da aquicultura global é uma agenda imperativa para a economia global e europeia (Kobayashi et al. 2015). A sustentabilidade é geralmente necessária para mostrar três aspectos fundamentais: aceitabilidade ambiental, equidade social e viabilidade econômica. Os sistemas aquapônicos oferecem uma oportunidade para serem sustentáveis, combinando sistemas de produção animal e vegetal de forma econômica, ecológica e socialmente benéfica. Para Staples e Funge-Smith (2009), o desenvolvimento sustentável é o equilíbrio entre bem-estar ecológico e bem-estar humano e, no caso da aquicultura, uma abordagem ecossistêmica só recentemente foi entendida como área prioritária de pesquisa.

   A aquicultura tem sido o setor de produção de alimentos que mais cresce nos últimos 40 anos (Tveterås et al. 2012), sendo uma das atividades agrícolas mais promissoras para atender às necessidades alimentares do mundo próximo (Kobayashi et al. 2015). As estatísticas de produção total da aquicultura (FAO 2015) revelam um incremento anual da produção mundial de 6%, que deverá fornecer até 63% do consumo mundial de peixe até 2030 (FAO 2014), para uma população estimada em nove mil milhões de pessoas em 2050. No caso da Europa, o aumento previsto é observado não só no sector marinho, mas também nos produtos produzidos por via terrestre. Alguns dos desafios esperados para o crescimento da aquicultura durante os próximos anos são a redução do uso de antibióticos e outros tratamentos patológicos, o desenvolvimento de sistemas e equipamentos aquícolas eficientes, juntamente com a diversificação de espécies e o aumento da sustentabilidade no

   área de produção e utilização de alimentos para animais. A mudança da farinha de peixe (FM) nos alimentos para animais para outras fontes proteicas é também um desafio importante, bem como os rácios “peixe-em-peixe-fora”. Há uma longa história, que remonta à década de 1960, de promover o crescimento do sector da aquicultura para uma sustentabilidade adequada, incluindo o incentivo à adaptação e criação de fórmulas novas e mais sustentáveis para alimentos para animais, reduzir o derramamento de alimentos e reduzir o rácio de conversão de alimentos (RCF). Embora a aquicultura seja reconhecida como o setor de produção animal mais eficiente, quando comparada com a produção de animais terrestres, ainda há margem para melhorias em termos de eficiência dos recursos, diversificação de espécies ou métodos de produção e, além disso, uma clara necessidade de uma abordagem ecossistêmica plena vantagem do potencial biológico dos organismos e proporcionando uma consideração adequada dos fatores ambientais e sociais (Kaushik 2017). Este crescimento da produção aquícola terá de ser apoiado por um aumento da produção total de alimentos para animais prevista. Aproximadamente três milhões de toneladas adicionais de ração terão de ser produzidas todos os anos para apoiar o crescimento esperado da aquicultura até 2030. Além disso, é necessária a substituição da farinha de peixe e do óleo de peixe (FO) por substitutos vegetais e terrestres, o que exige uma investigação essencial em alimentos para animais em fórmulas.

   As indústrias animal e aquafeed fazem parte de um setor de produção global, que também é o foco para futuras estratégias de desenvolvimento. A pesquisa anual da Alltech (Alltech 2017) revela que a produção total de ração animal passou por 1 bilhão de toneladas métricas, com um aumento de 3,7% na produção de 2015, apesar de uma diminuição de 7% no número de fábricas de ração. A China e os EUA dominaram a produção em 2016, representando 35% da produção total de alimentos para animais do mundo. A pesquisa indica que os 10 principais países produtores têm mais da metade das fábricas de alimentos para animais do mundo (56%) e representam 60% da produção total de alimentos para animais. Esta concentração na produção significa que muitos dos principais ingredientes tradicionalmente utilizados em formulações para alimentos para aquicultura comerciais são commodities comercializados internacionalmente, o que submete a produção aquaalimentar a qualquer volatilidade do mercado global. A farinha de peixe, por exemplo, deverá duplicar o preço até 2030, enquanto o óleo de peixe deverá aumentar mais de 70% (Msangi et al. 2013). Isto ilustra a importância de reduzir a quantidade desses ingredientes nos alimentos para peixes, aumentando o interesse e o foco em fontes novas ou alternativas (García-Romero et al. 2014a, b; Robaina et al. 1998, 1999; Terova et al. 2013; Torrecillas et al. 2017).

   Embora tenham sido desenvolvidas novas plataformas offshore para a produção de aquicultura, há também um foco significativo nos sistemas de aquicultura de recirculação marítima e de água doce (RAS), uma vez que estes sistemas utilizam menos água por kg de alimento para peixes utilizado, o que aumenta a produção de peixes e, ao mesmo tempo, reduz os impactos ambientais de aquicultura, incluindo reduções no consumo de água (Ebeling e Timmons 2012; Kingler e Naylor 2012). A RAS pode ser integrada com a produção vegetal em sistemas aquapônicos, que se encaixam prontamente em modelos de sistemas alimentares locais e regionais (ver capítulo 15) que podem ser praticados em centros populacionais grandes ou próximos (Love et al. 2015a). Água, energia e ração para peixes são os três maiores insumos físicos para sistemas aquapônicos (Love et al. 2014, 2015b). Aproximadamente 5% dos alimentos não são consumidos pelos peixes de viveiro, enquanto os 95% restantes são ingeridos e digeridos (Khakyzadeh et al. 2015). Desta quota, 30 a 40% são retidos e convertidos em nova biomassa, enquanto o

   **Desenvolvimento da Alimentação Aquapônica e a Bioeconomia Circular

   

   Fig. 13.1 Representação esquemática de uma abordagem multidisciplinar para valorizar localmente bio-subprodutos para dietas aquapônicas. (Baseado em “I+D+I para o desenvolvimento aquapônico nas ilhas ultraperiféricas e na economia circular”; projeto ISLANDAP, Interreg MAC/1.1a/2072014-2019)

   60— 70% restantes é libertado sob a forma de fezes, urina e amoníaco (FAO 2014). Em média, 1 kg de alimento (30% de proteína bruta) libera globalmente cerca de 27,6 g de N e 1 kg de biomassa de peixe libera cerca de 577 g de CBO (demanda biológica de oxigênio), 90,4 g de N e 10,5 g de P (Tyson et al. 2011).

   A aquapônica é atualmente um setor pequeno, mas em rápido crescimento, que é claramente adequado para aproveitar os seguintes desafios políticos e socioeconômicos, em que 1) produtos aquáticos atende às necessidades de segurança alimentar e nutrição, 2) regiões autossuficientes de peixes são estabelecidas em todo o mundo, 3) aquicultura é um sector-chave, mas os ingredientes globais e a produção global de alimentos para animais estão sob foco, 4) a inovação na agricultura promove a biodiversidade de formas mais sustentáveis e como parte da economia circular e 5) há uma maior absorção de alimentos produzidos localmente. Estes aspectos estão em consonância com as recomendações da União Internacional para a Conservação da Natureza (Le Gouvello et al. 2017), sobre a sustentabilidade da aquicultura e da alimentação para peixes, que recomendou que se envidem esforços para localizar a produção aquícola e a abordagem circular, e para a criação de um programa de controlo da qualidade para novos produtos e subprodutos, bem como a transformação de alimentos locais para peixes nas regiões. Até à data, a aquánica como “pequenas explorações aquícolas” poderia constituir exemplos para a implementação da bioeconomia e da produção à escala local, promovendo assim formas de utilização de produtos e subprodutos provenientes de matéria orgânica não adequados para outros fins, por exemplo, insectos e vermes de criação, macro e microalgas, hidrolisados de peixes e subprodutos, novas plantas produzidas agroecológicas e bioativos e micronutrientes produzidos localmente, reduzindo simultaneamente a pegada ambiental com a produção de alimentos de qualidade (peixes e plantas) e avançando para a geração zero de resíduos. Além disso, a aquaponia constitui um bom exemplo para promover uma forma multidisciplinar de aprendizagem sobre a produção sustentável e a valorização dos biorecursos, por exemplo, o “Projeto Islandap” (INTERREG V-A MAC 20142020) (Fig. 13.1).

   As seções a seguir deste capítulo analisam o estado da arte das dietas, ingredientes e aditivos de peixes, bem como os desafios nutricionais/sustentáveis a serem considerados na produção de alimentos aquapônicos específicos.

2. 13.2 Desenvolvimento Sustentável da Nutrição

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   O desenvolvimento sustentável da nutrição dos peixes na aquicultura terá de corresponder aos desafios que a aquapônica apresenta no que diz respeito à crescente necessidade de produzir alimentos de alta qualidade. Manipular o azoto, o fósforo e o teor mineral das dietas de peixe utilizadas na aquapônica é uma forma de influenciar as taxas de acumulação de nutrientes, reduzindo assim a necessidade de suplementação artificial e externa de nutrientes. De acordo com Rakocy et al. (2004), os resíduos de peixes e rações fornecem a maioria dos nutrientes exigidos pelas plantas se a relação ideal entre a alimentação diária dos peixes e as áreas de cultivo das plantas for sustentada. Os resíduos sólidos de peixes denominados “lodo” em sistemas aquapônicos resultam na perda de aproximadamente metade dos nutrientes de entrada disponíveis, especialmente fósforo, que teoricamente poderiam ser usados para a produção de biomassa vegetal, mas a informação ainda é limitada (Delaide et al. 2017; Goddek et al. 2018). Embora o objetivo da sustentabilidade da nutrição dos peixes na aquicultura seja alcançado no futuro através da utilização de dietas personalizadas, a alimentação dos peixes na aquapônica precisa cumprir os requisitos nutricionais tanto para os peixes como para as plantas. Os aumentos da sustentabilidade resultarão, em parte, de uma menor dependência da farinha de peixe (FM) e do óleo de peixe (FO) e de novos ingredientes naturais, de elevada energia e de baixo teor de carbono. Para salvaguardar a biodiversidade e a utilização sustentável dos recursos naturais, a utilização de FM e FO baseados na pesca selvagem deve ser limitada nas áreas aquáticas (Tacon e Metian 2015). No entanto, o desempenho dos peixes, a saúde e a qualidade do produto final podem ser alterados quando se substitui o FM alimentar por ingredientes alternativos. Assim, a pesquisa sobre nutrição de peixes está focada no uso eficiente e transformação dos componentes dietéticos para fornecer os nutrientes essenciais necessários que maximizem o desempenho do crescimento e alcancem uma aquicultura sustentável e resiliente. Substituir FM, que é uma fonte de proteína excelente mas dispendiosa nas dietas de peixes, não é simples devido ao seu perfil único de aminoácidos, alta digestibilidade dos nutrientes, alta palatabilidade, quantidades adequadas de micronutrientes, além de ter uma falta geral de fatores anti-nutricionais (Gatlin et al. 2007).

   Muitos estudos têm demonstrado que a FM pode ser substituída com sucesso pela farinha de soja em aquafeeds, mas a farinha de soja possui fatores anti-nutricionais, como inibidores da tripsina, aglutinina de soja e saponina, que limitam seu uso e altos percentuais de reposição na agricultura de peixes carnívoros. A alta substituição de FM por refeições vegetais em dietas de peixe também pode reduzir a biodisponibilidade de nutrientes em peixes, o que resulta em alterações de nutrientes na qualidade final do produto (Gatlin et al. 2007). Também pode causar perturbações indesejáveis no ambiente aquático (Hardy 2010) e reduzir o crescimento dos peixes devido aos níveis reduzidos de aminoácidos essenciais (especialmente metionina e lisina) e à diminuição da palatabilidade (Krogdahl et al. 2010). Gerile e Pirhonen (2017) observaram que uma substituição de 100% FM com farinha de glúten de milho reduziu significativamente a taxa de crescimento da truta arco-íris, mas a substituição FM não afetou o consumo de oxigênio ou a capacidade de natação.

   Altos níveis de material vegetal também podem afetar a qualidade física dos grânulos e podem complicar o processo de fabricação durante a extrusão. A maioria das fontes alternativas de nutrientes derivadas de plantas para alimentos para peixes contém uma grande variedade de fatores anti-nutricionais que interferem no metabolismo das proteínas dos peixes, prejudicando a digestão e a utilização, levando, portanto, ao aumento da liberação de N no ambiente, o que pode afetar a saúde e o bem-estar dos peixes. Além disso, as dietas que incluem altos níveis de ácido fítico alteraram o fósforo e a digestão de proteínas que levam à alta liberação de N e P no ambiente circundante. A ingestão e palatabilidade dos alimentos, a digestibilidade e a retenção dos nutrientes podem variar de acordo com a tolerância e os níveis das espécies de peixes e podem alterar a quantidade e a composição dos resíduos de peixe. Tendo em conta estes resultados, as formulações dietéticas de peixes em aquaponia devem investigar os níveis dietéticos de “tolerância” de fatores anti-nutricionais (ou seja, fitato) para diferentes ingredientes alimentares e para cada espécie de peixe utilizada na aquapônica, bem como os efeitos da adição de minerais como Zn e fosfato nas dietas. Note-se ainda que, mesmo que o material vegetal seja considerado como uma opção ecologicamente correta para substituir FM em aquafeeds, as plantas precisam de irrigação e, portanto, podem induzir impactos ecológicos na forma de suas pegadas hídricas e ecológicas (Pahlow et al. 2015) a partir do escoamento de nutrientes dos campos.

   Os subprodutos animais terrestres, tais como proteínas animais transformadas não ruminantes (PAP) derivadas de animais de criação monogástricos (por exemplo, aves de capoeira, carne de porco) próprios para consumo humano no ponto de abate (matérias de categoria 3, Regulamento CE 142/2011; Regulamento 56/2013 da CE) poderiam também substituir a FM e apoiar o economia circular. Têm um teor de proteínas mais elevado, perfis de aminoácidos mais favoráveis e menos hidratos de carbono em comparação com os ingredientes para a alimentação vegetal, mas também carecem de factores antinutritivos (Hertrampf e Piedad-Pascual 2000). Foi demonstrado que as farinhas de carne e osso podem servir como uma boa fonte de fósforo quando estão incluídas na dieta do Nilo Tilapia (Ashraf et al. 2013), embora tenham sido estritamente proibidas na alimentação de ruminantes devido ao perigo de iniciar a encefalopatia espongiforme bovina (doença das vacas loucas). Certas espécies de insetos, como a mosca-soldado negro (Hermetia illucens), podem ser usadas como uma fonte de proteína alternativa para dietas sustentáveis de alimentos para peixes. As principais vantagens ambientais da criação de insetos são que (a) menos terra e água são necessários, (b) que as emissões de gases com efeito de estufa são menores e que (c) insetos têm alta eficiência de conversão alimentar (Henry et al. 2015). No entanto, continua a ser necessária uma investigação mais aprofundada que forneça provas sobre questões de qualidade e segurança e rastreio de riscos para peixes, plantas, pessoas e ambiente.

   É importante notar que os peixes não podem sintetizar vários nutrientes essenciais necessários para o seu metabolismo e crescimento e dependem da alimentação para este fornecimento. No entanto, existem certos grupos de animais que podem usar dietas deficientes em nutrientes, pois possuem microrganismos simbióticos que podem fornecer esses compostos (Douglas 2010) e, assim, os peixes podem obter o máximo benefício quando o fornecimento microbiano de seus nutrientes essenciais é dimensionado para demanda. A subutilização limita o crescimento dos peixes, enquanto o excesso de oferta pode ser prejudicial devido à necessidade de os peixes neutralizarem a toxicidade causada por compostos não essenciais. A medida em que a função microbiana varia com as demandas de diferentes espécies de peixes e quais são os mecanismos subjacentes são amplamente desconhecidos. Importante, a microbiota intestinal de um animal aquático pode, em teoria, desempenhar um papel crítico no fornecimento dos nutrientes necessários e na obtenção de sustentabilidade na piscicultura (Kormas et al. 2014; Mente et al. 2016). Outras pesquisas neste campo ajudarão a facilitar a seleção de ingredientes a serem usados em alimentos para peixes que promovam a diversidade da microbiota intestinal para melhorar o crescimento e a saúde dos peixes.

   Pesquisas sobre a utilização de fontes alternativas de proteínas vegetais e animais e ingredientes de alimentos para peixes de baixo teor trófico estão em andamento. A substituição de matérias-primas de origem marinha nos alimentos para peixes, que poderiam ser utilizados directamente para fins alimentares humanos, deverá diminuir a pressão de pesca e contribuir para a preservação da biodiversidade. Organismos de baixo nível trófico, como a mosca-soldado negro, que podem servir como ingredientes aquafeed podem ser cultivados em subprodutos e resíduos de outras práticas industriais agrícolas, devido a diferentes refeições de qualidade nutricional, acrescentando assim benefícios ambientais adicionais. No entanto, os esforços para ter sucesso com a economia circular e a reciclagem de nutrientes orgânicos e inorgânicos devem ser tratados com cuidado, uma vez que os compostos indesejáveis em matérias-primas e produtos de frutos do mar podem aumentar o risco para a saúde animal, o bem-estar, o desempenho em termos de crescimento e a segurança do produto final para consumidores. A investigação e a monitorização contínua e a comunicação de informações sobre contaminantes de animais aquáticos de criação em relação aos limites máximos dos ingredientes e das dietas dos alimentos para animais são essenciais para informar as revisões e a introdução de novas regulamentações.

3. 13.3 Ingredientes e aditivos para alimentos

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   13.3.1 Fontes de Proteínas e Lípidos para Aquafeeds

   Desde o final do século XX, houve mudanças significativas na composição dos aquafeeds, mas também avanços na fabricação. Estas transformações originaram-se da necessidade de melhorar a rentabilidade económica da aquicultura, bem como de mitigar os seus impactos ambientais. No entanto, as forças motrizes por trás dessas mudanças é a necessidade de diminuir a quantidade de farinha de peixe (FM) e óleo de peixe (FO) nos alimentos, que tradicionalmente constituíram a maior proporção dos alimentos, especialmente para peixes carnívoros e camarões. Em parte devido à sobrepesca, mas especialmente devido ao aumento contínuo do volume de aquicultura global, há uma necessidade crescente de proteínas e óleos alternativos para substituir FM e FO em aquafeeds.

   

   Fig. 13.2 Relação peixe-in-fish-out (linha azul, eixo y esquerdo) e quantidade de óleo de peixe utilizado (linha amarela, eixo y direito) para alimentação de trutas arco-íris na Finlândia entre 1990 e 2013. (Dados de www.raisioagro. com)

   A composição dos alimentos para peixes mudou consideravelmente, uma vez que a proporção de FM nas dietas diminuiu de\ > 60% na década de 90 para\ 20% nas dietas modernas para peixes carnívoros, como o salmão do Atlântico (Salmo salar), e o teor de FO diminuiu de 24% para 10% (Ytrestøyl et al. 2015). Consequentemente, o rácio “fish-in-fish-out” (FIFO) diminuiu abaixo de 1 para o salmão e a truta arco-íris, o que significa que a quantidade de peixe necessária na alimentação para produzir 1 kg de carne de peixe é inferior a 1 kg (Fig. 13.2). Assim, a cultura de peixe carnívora no século XXI é um produtor líquido de peixe. Por outro lado, os alimentos para espécies de peixes onívoros tróficos inferiores (por exemplo, carpas e tilápias) podem conter menos de 5% de FM (Tacon et al. 2011). A agricultura dessas espécies de peixes tróficos baixos é ecologicamente mais sustentável do que para espécies tróficas superiores, e o FIFO para Tilapia foi de 0,15 e para ciprinídeos (espécies de carpa) apenas 0,02 em 2015 (IFFO). Deve-se notar que a substituição total de FM nas dietas de Tilapia (Koch et al. 2016) e salmão (Davidson et al. 2018) não é possível sem afetar significativamente os parâmetros de produção.

   Hoje, a maior oferta de proteínas e lipídios nos alimentos para peixes provém de plantas, mas também geralmente de outros setores, incluindo refeições e gorduras provenientes de subprodutos de carne e aves de capoeira e farinha de sangue (Tacon e Metian 2008). Além disso, os resíduos e subprodutos do processamento de peixe (miudezas e resíduos de aparas) são comumente usados para produzir FM e FO. No entanto, devido à regulamentação da UE (CE 2009), a utilização de FM de uma espécie não é permitida como alimento para a mesma espécie, por exemplo, o salmão não pode ser alimentado com FM contendo guarnições de salmão.

   As substituições FM e FO por outros ingredientes podem afetar a qualidade do produto que é vendido aos clientes. O peixe tem a reputação de ser um alimento saudável, especialmente devido ao seu alto teor de poli e ácidos graxos altamente insaturados. Mais importante ainda, os frutos do mar são a única fonte de EPA (ácido eicosapentaenóico) e DHA (ácido docosahexaenóico), ambos os quais são ácidos graxos ômega-3 e nutrientes essenciais para muitas funções no corpo humano. Se FM e FO forem substituídos por produtos de origem terrestre, isso afetará diretamente a qualidade da carne de peixe, principalmente sua composição de ácidos gordos, uma vez que a proporção de ácidos graxos ômega-3 (especialmente EPA e DHA) diminuirá enquanto a quantidade de ácidos graxos ômega-6 aumentará juntamente com o aumento do material vegetal que está substituindo FM e FO (Lazzarotto et al. 2018). Como tal, os benefícios para a saúde do consumo de peixe são parcialmente perdidos, e o produto que acaba no prato não é necessariamente o que os consumidores esperavam comprar. No entanto, a fim de superar o problema da diminuição dos ácidos graxos ômega-3 no produto final resultante de ingredientes de peixe mais baixos em aquafeeds, os piscicicultores poderiam empregar as chamadas dietas de acabamento com alto teor de FO durante as fases finais do cultivo (Suomela et al. 2017).

   Uma nova opção interessante para substituir FO em alimentos para peixes é a possibilidade de engenharia genética, isto é, plantas geneticamente modificadas que podem produzir EPA e DHA, por exemplo, óleo de Camelina sativa geneticamente modificada (nome comum de camelina, ouro de prazer ou linho falso, que é conhecido por ter níveis elevados de ácidos graxos ômega-3) foi utilizado com sucesso para o cultivo de salmão, acabando com uma concentração muito alta em EPA e DHA nos peixes (Betancor et al. 2017). No entanto, a utilização de organismos geneticamente modificados na produção de alimentos humanos está sujeita a aprovação regulamentar e pode não ser uma opção a curto prazo.

   Outra nova possibilidade de substituir FM em aquafeeds são as proteínas feitas de insetos (Makkar et al. 2014). Esta nova opção só se tornou possível na UE recentemente, quando a UE alterou a legislação, permitindo refeições de insetos em aquafeeds (UE 2017). As espécies que podem ser utilizadas são a mosca-soldado preto (Hermetia illucens), a mosca doméstica comum (Musca domestica), a minhoca amarela (Tenebrio molitor), a minhoca menor (Alphitobius diaperinus), o críquete doméstico (Acheta domesticus), o grilo em faixas (_Gryllodes) e grilo de campo (Gryllus assimilis). Os insectos devem ser criados em certos substratos permitidos. Os experimentos de crescimento realizados com diferentes espécies de peixes mostram que substituir FM por farinha feita de larvas de mosca-soldado preto não compromete necessariamente o crescimento e outros parâmetros de produção (Van Huis e Oonincx 2017). Por outro lado, as refeições feitas de minhoca amarela poderiam substituir a FM apenas parcialmente para evitar a diminuição do crescimento (Van Huis e Oonincx 2017). No entanto, a substituição FM por farinha de insetos pode causar uma queda nos ácidos graxos ômega-3, uma vez que eles são nulos de EPA e DHA (Makkar e Ankers 2014).

   Em contraste com os insetos, as microalgas geralmente têm perfis nutricionalmente favoráveis de aminoácidos e ácidos graxos (incluindo EPA e DHA), mas há também uma grande variação entre as espécies a este respeito. A substituição parcial de FM e FO em aquafeeds por certas microalgas tem dado resultados promissores (Camachorodríguez et al. 2017; Shah et al. 2018) e, no futuro, o uso de microalgas em aquafeeds pode aumentar (White 2017), embora seu uso possa ser limitado pelo preço.

   Este breve resumo dos potenciais ingredientes para a alimentação animal indica que existe uma vasta gama de possibilidades de substituir, pelo menos parcialmente, FM e FO nos alimentos para peixes. Em geral, o perfil de aminoácidos de FM é ideal para a maioria das espécies de peixes e FO contém DHA e EPA que são praticamente impossíveis de fornecer a partir de óleos terrestres, embora a engenharia genética possa mudar a situação no futuro. No entanto, os produtos OGM têm primeiro de ser aceites na legislação e, em seguida, pelos clientes.

   13.3.2 O uso de aditivos especializados para alimentação animal sob medida para aquapônica

   Adaptar aquafeeds específicos aos sistemas aquánicos é mais desafiador do que o desenvolvimento convencional de ração aquícola, já que a natureza dos sistemas aquánicos exige que os aquafeeds forneçam não apenas nutrição aos animais cultivados, mas também às plantas cultivadas e às comunidades microbianas que habitam o sistema. A prática aquapônica atual utiliza aquafeeds formulados para fornecer uma nutrição ideal aos animais aquáticos cultivados; no entanto, como a maior entrada de nutrientes em sistemas aquapônicos (Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011; Junge et al. 2017), os alimentos também precisam levar em conta os requisitos de nutrientes do componente de produção vegetal. Isto é especialmente importante para sistemas aquánicos em escala comercial, onde a produtividade do sistema de produção vegetal tem um grande impacto na rentabilidade geral do sistema (Adler et al. 2000; Palm et al. 2014; Love et al. 2015a) e onde o desempenho de produção melhorado do componente da planta pode ser significativamente melhorar a rentabilidade geral do sistema.

   Assim, o objectivo global do desenvolvimento de alimentos aquánicos adaptados consistiria em conceber um alimento para animais que estabeleça um equilíbrio entre o fornecimento de nutrientes vegetais adicionais, mantendo simultaneamente o funcionamento aceitável do sistema aquapónico (isto é, qualidade suficiente da água para a produção animal, desempenho do biofiltro e digestor anaeróbio, e absorção de nutrientes pelas plantas). Para tal, a alimentação aquapónica final adaptada pode não ser ideal para a produção de animais aquáticos ou vegetais individualmente, mas seria melhor para o sistema aquapónico no seu conjunto. O ponto ideal seria determinado com base em parâmetros globais de desempenho do sistema, por exemplo, medidas de sustentabilidade económica e/ou ambiental.

   Um dos principais desafios no aumento da produção de sistemas aquapônicos acoplados são as concentrações relativamente baixas de nutrientes macro e micro plantas (principalmente na forma inorgânica) na água de recirculação, em comparação com os sistemas hidropônicos convencionais. Esses baixos níveis de nutrientes podem resultar em deficiências de nutrientes nas plantas e taxas de produção de plantas inferiores (Graber and Junge 2009; Kloas et al. 2015; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2017). Um outro desafio é a quantidade significativa de cloreto de sódio em aquafeeds convencionais à base de farinha de peixe e o potencial acúmulo de sódio em sistemas aquapônicos (Treadwell et al. 2010). Diferentes abordagens podem ser desenvolvidas para enfrentar esses desafios, como soluções tecnológicas, por exemplo, sistemas aquapônicos dissociados (Goddek et al. 2016) (ver também Cap. 8), suplementação direta de nutrientes no sistema de produção vegetal via spray foliar ou adição à água de recirculação (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011), ou a cultura de uma planta melhor tolerante ao sal (ver Cap. 12). Uma nova abordagem é o desenvolvimento de aquafeeds adaptados especificamente para uso em aquapônica.

   A fim de resolver a escassez de nutrientes vegetais na aquapônica, os alimentos aquapônicos adaptados precisam aumentar a quantidade de nutrientes disponíveis nas plantas, seja aumentando as concentrações de nutrientes específicos após a excreção pelos animais cultivados, seja tornando os nutrientes mais biodisponíveis após a excreção e biotransformação, para rápida absorção pelas plantas. Alcançar este aumento da excreção de nutrientes não é, no entanto, tão simples como complementar o aumento da quantidade de nutrientes desejados para as dietas aquacultura, pois há muitos fatores (muitas vezes conflitantes) que precisam ser considerados em um sistema aquapônico integrado. Por exemplo, embora a produção ideal das plantas exija concentrações aumentadas de nutrientes específicos, certos minerais, por exemplo, certas formas de ferro e selénio, podem ser tóxicos para os peixes mesmo em baixas concentrações e, por conseguinte, teriam níveis máximos admissíveis na água circulante (Endut et al. 2011; Tacon 1987). Além dos níveis totais de nutrientes, a relação entre nutrientes (por exemplo, a relação P:N) também é importante para a produção vegetal (Buzby e Lin 2014), e os desequilíbrios nas relações entre nutrientes podem levar à acumulação de certos nutrientes em sistemas aquapônicos (Kloas et al. 2015). Além disso, mesmo que um alimento aquapônico aumente os níveis de nutrientes das plantas, a qualidade global da água e o pH do sistema ainda precisam ser mantidos dentro de limites aceitáveis para garantir a produção animal aceitável, a absorção eficiente dos nutrientes pelas raízes das plantas, o funcionamento ideal dos biofiltros e digestores anaeróbicos ( Goddek et al. 2015b; Rakocy et al. 2006) e para evitar a precipitação de certos nutrientes importantes como fosfatos, pois isso os tornará indisponíveis para as plantas (Tyson et al. 2011). Para alcançar esse equilíbrio global não é uma façanha média, pois existem interações complexas entre as diferentes formas de nitrogênio no sistema (NH<sub3/sub, NHsub4/subsup+/sup, Nosub2/subsup-/sup, Nosub3/subsup-/sup), o pH do sistema e a variedade de metais e outros íons presentes no sistema (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015; Bittsanszky et al. 2016).

   Falta Comum de Nutrientes em Sistemas Aquapônicos

   As plantas requerem uma gama de macro e micronutrientes para o crescimento e desenvolvimento. Os sistemas aquapônicos são comumente deficientes nos macronutrientes vegetais potássio (K), fósforo (P), ferro (Fe), manganês (Mn) e enxofre (S) (Graber and Junge 2009; Roosta e Hamidpour 2011). O nitrogênio (N) está presente em diferentes formas em sistemas aquapônicos, e é excretado como parte do metabolismo protéico dos animais aquáticos cultivados (Rakocy et al. 2006; Roosta e Hamidpour 2011; Tyson et al. 2011), após o qual entra no ciclo do nitrogênio no ambiente aquapônico integrado. (O nitrogênio é discutido em pormenor em Cap. 9 e, portanto, é excluído da presente discussão.)

   A utilização de aditivos específicos para a alimentação animal aquícola selecionados pode contribuir para o desenvolvimento de espécies aquáticas adaptadas especificamente para a aquapônica, fornecendo nutrientes adicionais aos animais aquáticos e/ou plantas cultivadas ou ajustando a proporção de nutrientes. Os aditivos alimentares para aquicultura são diversos, com uma ampla gama de funções e mecanismos de trabalho. As funções podem ser nutritivas e não nutritivas, e os aditivos podem ser direcionados para a ação na alimentação ou para os processos fisiológicos dos animais aquáticos cultivados (Encarnação 2016). Para efeitos do presente capítulo, a tónica é colocada em três tipos específicos de aditivos que podem auxiliar a adaptação das dietas aquapónicas: (1) suplementos minerais adicionados directamente aos alimentos para animais, (2) minerais que são adicionados co-incidentalmente como parte de aditivos que servem para fins não minerais e (3) aditivos que tornar os minerais, já presentes nos alimentos, mais disponíveis para os animais aquáticos e/ou plantas cultivados em sistemas aquánicos.

   1. _Suplementação mineral direta em alimentos aquapônicos _

   A suplementação de minerais diretamente em dietas aquícolas utilizadas em sistemas aquánicos é um método potencial para aumentar a quantidade de minerais excretados pelos animais cultivados ou para adicionar minerais específicos exigidos pelas plantas em sistemas aquánicos. Os minerais são rotineiramente adicionados sob a forma de pré-misturas minerais às dietas aquícolas, para fornecer aos animais aquáticos cultivados os elementos essenciais necessários para o crescimento e o desenvolvimento (Ng et al. 2001; NRC 2011). Quaisquer minerais não absorvidos pelos peixes durante a digestão são excretados, e se estes estiverem na forma solúvel (principalmente iônica) no sistema aquapônico, estes estão disponíveis para absorção vegetal (Tyson et al. 2011; Goddek et al. 2015). Não é claro como seria viável essa abordagem, uma vez que há escassas informações sobre a eficácia da adição de suplementos minerais aos aquafeeds com o objetivo de melhorar a produção de plantas aquapônicas. Em geral, as necessidades minerais e o metabolismo na aquicultura são pouco compreendidos em comparação com a produção de animais terrestres, pelo que a viabilidade desta abordagem não está bem descrita. Potenciais vantagens para esta abordagem seria que ela poderia revelar-se uma intervenção bastante simples para melhorar o desempenho geral do sistema, poderia permitir a suplementação de uma ampla gama de nutrientes, e é provável que seja relativamente baixo custo. No entanto, ainda é necessária uma investigação substancial para evitar quaisquer grandes armadilhas potenciais que possam surgir. Um deles centra-se no fato de que os minerais suplementados destinados às plantas precisam primeiro passar pelo trato digestivo dos animais aquáticos cultivados e estes podem ser absorvidos total ou parcialmente durante esta passagem. Isso pode levar à acumulação indesejada de minerais nos animais aquáticos, ou a interferência na absorção intestinal normal de nutrientes e/ou minerais e nos processos fisiológicos (Oliva-Teles 2012). Podem ocorrer interações significativas entre os minerais dietéticos em dietas aquacícolas (Davis e Gatlin 1996), e estas precisam ser determinadas antes que a suplementação mineral direta em dietas aquapônicas possa ser utilizada. Outros efeitos potenciais podem incluir a alteração da estrutura física e das características quimiossensoriais dos alimentos para animais, o que, por sua vez, pode afectar a palatabilidade dos alimentos. É evidente que ainda é necessária uma investigação substancial para que este método de adaptação dos alimentos aquapónicos possa ser adoptado.

   2. Adição coincidental de minerais através de aditivos para a alimentação animal

   Determinadas classes de aditivos para a alimentação animal são adicionadas aos alimentos aquáticos sob a forma de compostos iónicos e em que apenas um dos iões contribui para a actividade pretendida. O outro íon é visto como uma adição coincidental e inevitável à alimentação aquática e muitas vezes não é considerado em nenhuma pesquisa aquícola. Um exemplo específico dessa classe de aditivos utilizados frequentemente para a alimentação animal são os sais ácidos orgânicos, em que o ingrediente ativo pretendido na alimentação aquática é o ânion de um ácido orgânico (por exemplo, formato, acetato, butirato ou lactato) e o catião que o acompanha é frequentemente ignorado na nutrição dos animais cultivados. Assim, se o catião acompanhante for escolhido propositadamente para ser um nutriente importante macro ou micro plantas, existe o potencial de que ele possa ser excretado pelos animais cultivados na água do sistema e estar disponível para absorção pelas plantas.

   Os ácidos orgânicos de cadeia curta e os seus sais tornaram-se bem conhecidos e frequentemente utilizados em aditivos para a alimentação animal, tanto na alimentação animal terrestre como na aquicultura, onde os compostos são empregados como potenciadores de desempenho e agentes para melhorar a resistência à doença. Esses compostos podem ter diferentes mecanismos de funcionamento, incluindo atuar como antimicrobianos, antibióticos ou promotores de crescimento, aumentando a digestibilidade e utilização dos nutrientes e atuando como fonte de energia diretamente metabolizável (Partanen e Mroz 1999; Lückstädt 2008; Ng e Koh 2017). Ou os ácidos orgânicos nativos ou seus sais podem ser utilizados em dietas de aquicultura, mas as formas salinas dos compostos são muitas vezes preferidas pelos fabricantes, pois são menos corrosivas para alimentar equipamentos de fabricação, são menos pungentes e estão disponíveis em forma sólida (pó), o que simplifica a adição ao alimentos formulados durante a fabricação (Encarnação 2016; Ng e Koh 2017). Para uma revisão abrangente sobre o uso de ácidos orgânicos e seus sais na aquicultura, os leitores são encaminhados para o trabalho de Ng e Koh (2017).

   A utilização de sais ácidos orgânicos na aquapônica tem o potencial de ter benefícios duplos no sistema, onde o anião pode aumentar o desempenho e a resistência à doença dos animais aquáticos cultivados, enquanto o catião (por exemplo, potássio) pode aumentar a quantidade de nutrientes vegetais essenciais excretados. A vantagem potencial desta abordagem é que os níveis de inclusão alimentar de sais ácidos orgânicos podem ser relativamente elevados para um aditivo alimentar, e pesquisas relatam regularmente a inclusão total de sal ácido orgânico de até 2% em peso (Encarnação 2016), embora os fabricantes comerciais tendem a recomendar níveis mais baixos de aproximadamente 0,15-0,5% (Ng e Koh 2017). O catião de sais ácidos orgânicos pode constituir uma proporção significativa do peso total do sal e, como estes são alimentados diariamente aos animais cultivados, podem contribuir com uma quantidade significativa de nutrientes para as plantas em um sistema aquapônico ao longo de um período de crescimento. Nenhuma pesquisa publicada está atualmente disponível que relate resultados para esta linha de inquérito e, como acontece com a suplementação mineral direta para alimentos aquapônicos, esta abordagem precisa ser validada através de pesquisas futuras para determinar o destino dos catiões adicionados como parte dos sais ácidos orgânicos (se eles são excretados ou absorvidos pelos animais aquáticos), e se existem interacções com minerais ou nutrientes. Continua, no entanto, a ser uma excitante via futura de investigação.

   3. Aditivos para alimentação animal que tornam os nutrientes mais biodisponíveis para as plantas_

   Quantidades crescentes de ingredientes vegetais são usadas em alimentos aquáticos formulados, mas minerais de matérias-primas vegetais são menos biodisponíveis para animais aquáticos cultivados, principalmente devido à presença de fatores anti-nutricionais nos ingredientes alimentares à base de plantas (Naylor et al. 2009; Kumar et al. 2012; Prabhu et al. 2016). Isto significa que uma maior proporção de minerais é excretada nas fezes na forma ligada, exigindo “libertação” antes de estarem disponíveis para absorção vegetal. Um exemplo típico é o fósforo orgânico que ocorre como fitato, que pode se ligar a outros minerais para formar compostos insolúveis, onde a ação microbiana no ambiente é necessária antes que o fósforo seja liberado como fosfato solúvel disponível em plantas (Kumar et al. 2012).

   O uso de enzimas exógenas em dietas aquapônicas adaptadas poderia potencialmente contribuir para a liberação de quantidades aumentadas de nutrientes provenientes de aquafeeds com alto teor de plantas, tanto para a nutrição animal como para as plantas em sistemas aquapônicos. As enzimas mais utilizadas em aquafeeds são proteases, carboidratos e fitases, tanto para melhorar a digestão de nutrientes quanto para degradar compostos anti-nutricionais como o fitato (Encarnação 2016), o que pode resultar na liberação de nutrientes adicionais dos aquafeeds. Embora seja sabido que a suplementação enzimática exógena leva a uma melhor utilização de nutrientes nos animais cultivados, não está claro se nutrientes adicionais seriam excretados na forma disponível para plantas, evitando assim uma etapa separada de remineralização em sistemas aquapônicos (ver Cap. 10. Além disso, são possíveis interações entre enzimas exógenas e nutrientes em diferentes partes do trato digestivo dos peixes (Kumar et al. 2012), o que terá implicações adicionais para as quantidades de nutrientes excretados para o crescimento das plantas. Por conseguinte, é necessária uma investigação adicional para determinar a utilidade das enzimas exógenas especificamente para utilização em alimentos para animais aquapónicos.

4. 13.4 Ritmos fisiológicos: Nutrição de Peixes e Vegetais

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

   O desenho de alimentos para peixes é crucial na aquapônica, pois a ração para peixes é o único ou, pelo menos, o principal aporte de nutrientes tanto para animais (macronutrientes) como para plantas (minerais) (Fig. 13.3).

   O nitrogênio é introduzido no sistema aquapônico através de proteínas nos alimentos para peixes, que é metabolizado pelos peixes e excretado sob a forma de amônia. A integração da aquicultura recirculante com hidroponia pode reduzir a descarga de nutrientes indesejados para o meio ambiente, bem como gerar lucros. Em um estudo econômico inicial, a remoção de fósforo em um sistema aquapônico integrado de truta e alface e manjericão provou ser econômica (Adler et al. 2000). A integração das taxas de alimentação dos peixes também é fundamental para satisfazer as necessidades nutricionais das plantas. Na verdade, os agricultores precisam saber a quantidade de alimento utilizado na unidade de aquicultura para calcular quanto nutriente precisa ser complementado para promover o crescimento das plantas na unidade hidropônica. Por exemplo, num sistema aquapônico de tilápia-morango, a quantidade total de alimentos necessários para produzir íons (por exemplo, Nosub3/subsup—, /sup casub2/subsup+/sup, Hsub2/subposub4/subsup-/sup e ksup+/sup) para plantas foi calculada em diferentes densidades de peixes, com melhor resultado para a pequena densidade de peixes 2 kg peixes/msup-3/sup p para reduzir o custo da suplementação de solução hidropônica (Villarroel et al. 2011).

   

   Fig. 13.3 Fluxo de nutrientes em um sistema aquapônico. Observe que a alimentação de peixes, através de águas residuais do sistema de aquicultura, fornece os minerais necessários para que as plantas cresçam no sistema hidropônico. O tempo das refeições deve ser concebido de modo a corresponder aos ritmos de alimentação/ excreção em peixes e ritmos de absorção de nutrientes nas plantas

   É sabido que as plantas têm ritmos diários e a ritmicidade circadiana nos movimentos foliares foi descrita pela primeira vez em plantas por de Mauran no início do século XVIII (McClung 2006). Os ritmos circadianos nas plantas controlam tudo desde o momento da floração até a nutrição das plantas e, portanto, esses ritmos precisam ser levados em consideração especialmente ao usar iluminação hortícola artificial. Os peixes também estão ligados aos ritmos diários na maioria das funções fisiológicas, incluindo alimentação e absorção de nutrientes. Não deve surpreender que os peixes apresentem ritmos alimentares porque a disponibilidade de alimentos e a ocorrência de predadores são dificilmente constantes, mas restrita a uma determinada hora do dia/noite (López-Olmeda e Sánchez-Vázquez 2010). Assim, os peixes devem ser alimentados no momento certo de acordo com seus ritmos de apetite: refeições programadas durante o dia para espécies de peixes diurnos e à noite para peixes noturnos. É sabido que os peixes apresentam padrões diários de desaminação de proteínas e resíduos azotados relacionados ao seu estado nutricional e ritmos alimentares (Kaushik 1980). O tempo de alimentação afeta a excreção de nitrogênio, pois Gelineau et al. (1998) relataram que a produção de amônia e o catabolismo protéico foram menores nos peixes alimentados ao amanhecer (em fase com seu ritmo alimentar) do que nos alimentados à meia-noite (fora de fase). O mais interessante é que a excreção de ureia mostra ritmicidade circadiana que persiste em peixes famintos em condições constantes (Kajimura et al. 2002), revelando sua origem endógena. Além disso, a permeabilidade da ureia (determinada como conteúdo de ureia corporal após imersão em solução de ureia) coincidiu com a acrofase, ou seja, o pico do ritmo de excreção diário, indicando que a ureia não permeia as células por difusão simples, mas existe um controle circadiano. As plantas também apresentam ritmos diários na absorção de nitrogênio, conforme descrito anteriormente por Pearson and Steer (1977), que encontraram um padrão diário de absorção de nitrato e nitrato redutase em pimentas mantidos em um ambiente constante. A concentração de nitrato nas folhas de espinafre também aumentou durante a noite, à medida que a taxa de absorção de nitrato pelas raízes aumenta naquela época (Steingrover et al. 1986). Na aquaponia, a evidência aponta para a necessidade de combinar ritmos de excreção em peixes e ritmos de absorção de nutrientes em plantas. Para otimizar o desempenho e a relação custo-benefício dos sistemas aquapônicos, as dietas dos peixes e os horários de alimentação devem ser projetados cuidadosamente para fornecer nutrientes no nível certo e no momento certo para complementar peixes e plantas.