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Capítulo 2 Aquaponics: Fechando o Ciclo em Recursos Limitados de Água, Terra e Nutrientes

1. 2.1 Introdução

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

   O termo “ponto de inflexão” está sendo usado atualmente para descrever sistemas naturais que estão à beira de mudanças significativas e potencialmente catastróficas (Barnosky et al. 2012). Os sistemas de produção de alimentos agrícolas são considerados um dos principais serviços ecológicos que estão se aproximando de um ponto de inflexão, pois as mudanças climáticas geram cada vez mais novos riscos de pragas e doenças, fenômenos climáticos extremos e temperaturas globais mais elevadas. Práticas precárias de manejo e conservação do solo, esgotamento de nutrientes do solo e risco de pandemias também ameaçam o abastecimento mundial de alimentos.

   As terras aráveis disponíveis para expansão agrícola são limitadas, e o aumento da produtividade agrícola nas últimas décadas resultou principalmente do aumento da intensidade das culturas e dos melhores rendimentos das culturas em oposição à expansão da massa terrestre agrícola (por exemplo, 90% dos ganhos na produção vegetal têm sido resultado de aumento da produtividade, mas apenas 10% devido à expansão da terra) (Alexandratos e Bruinsma 2012; Schmidhuber 2010). Estima-se que a população global atinja 8,3-10,9 bilhões de pessoas até 2050 (Bringezu et al. 2014), e essa crescente população mundial, com um aumento correspondente no consumo total e per capita, apresenta uma ampla gama de novos desafios societais. O relatório da Convenção das Nações Unidas para Combater a Desertificação (UNCCD) Global Land Outlook Working Paper 2017 observa tendências preocupantes que afetam a produção de alimentos (Thomas et al. 2017), incluindo degradação da terra, perda de biodiversidade e ecossistemas, e diminuição da resiliência em resposta a estresses ambientais, como bem como um abismo crescente entre a produção e a procura de alimentos. A distribuição desigual dos suprimentos alimentares resulta em quantidades inadequadas de alimentos, ou falta de alimentos de qualidade nutricional suficiente para parte da população global, enquanto em outras partes do mundo o excesso de consumo e as doenças relacionadas à obesidade têm se tornado cada vez mais comuns. Esta justaposição desequilibrada da fome e da desnutrição em algumas partes do mundo, com desperdício de alimentos e consumo excessivo em outras, reflete fatores complexos inter-relacionados que incluem vontade política, escassez de recursos, acessibilidade da terra, custos de energia e fertilizantes, infraestrutura de transporte e uma série de outros factores socioeconómicos que afectam a produção e a distribuição dos alimentos.

   Recentes reexames de abordagens para a segurança alimentar determinaram que é necessária uma abordagem de 'nexo água-energia-alimentar' para compreender, analisar e gerir eficazmente as interações entre os sistemas de recursos globais (Scott et al. 2015). A abordagem do nexo reconhece a inter-relação entre a base de recursos — terra, água, energia, capital e trabalho — e incentiva consultas e colaborações intersetoriais para equilibrar diferentes objetivos e interesses dos usuários de recursos. O objetivo é maximizar os benefícios gerais, mantendo a integridade do ecossistema, a fim de alcançar a segurança alimentar. A produção sustentável de alimentos exige, portanto, uma redução da utilização dos recursos, em particular, da água, da terra e dos combustíveis fósseis, limitados, onerosos e frequentemente mal distribuídos em relação ao crescimento populacional, bem como a reciclagem dos recursos existentes, como a água e os nutrientes, nos sistemas de produção para minimizar os resíduos.

   Neste capítulo, discutimos uma série de desafios atuais em relação à segurança alimentar, com foco em limitações de recursos e maneiras pelas quais novas tecnologias e abordagens interdisciplinares, como a aquapônica, podem ajudar a abordar o nexo água-foodenergy em relação aos objetivos da ONU para o desenvolvimento sustentável. Concentramo-nos na necessidade de aumentar a reciclagem de nutrientes, redução do consumo de água e energia não renovável, bem como aumento da produção de alimentos em terras marginais ou impróprias para a agricultura.

2. 2.2 Oferta e procura de alimentos

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   2.2.1 Previsões

   Nos últimos 50 anos, a oferta alimentar total aumentou quase três vezes, enquanto a população mundial aumentou apenas duas vezes, uma mudança que tem sido acompanhada por mudanças significativas na dieta relacionadas à prosperidade econômica (Keating et al. 2014). Nos últimos 25 anos, a população mundial aumentou 90% e espera-se que atinja a marca de 7,6 bilhões no primeiro semestre de 2018 (Worldômetros). As estimativas do aumento da procura mundial de alimentos em 2050 em relação a 2010 variam entre 45% e 71%, dependendo dos pressupostos em torno de biocombustíveis e resíduos, mas é evidente que há uma lacuna de produção que precisa de ser colhida. Para evitar uma inversão nas tendências decrescentes recentes da desnutrição, deve haver reduções na demanda de alimentos e/ou menos perdas na capacidade de produção de alimentos (Keating et al. 2014). Uma razão cada vez mais importante para o aumento da demanda alimentar é o consumo per capita, como resultado do aumento da renda per capita, marcado por mudanças para alimentos ricos em proteínas, especialmente carne (Ehrlich e Harte 2015b). Esta tendência cria novas pressões sobre a cadeia de abastecimento alimentar, uma vez que os sistemas de produção baseados em animais exigem geralmente mais recursos desproporcionalmente, tanto no consumo de água como no consumo de alimentos para animais (Rask and Rask 2011; Ridoutt et al. 2012; Xue e Landis 2010). Embora a taxa de crescente demanda de alimentos tenha diminuído nas últimas décadas, se as trajetórias atuais de crescimento populacional e mudanças alimentares forem realistas, a demanda global por produtos agrícolas crescerá de 1,1 a 1,5% ao ano até 2050 (Alexandratos e Bruinsma 2012).

   O crescimento populacional em áreas urbanas tem exercido pressão sobre terras tradicionalmente usadas para culturas de solo: as demandas por habitação e amenidades continuam a invadir terras agrícolas de primeira qualidade e elevar seu valor muito além do que os agricultores poderiam fazer com o cultivo. Cerca de 54% da população mundial vive hoje em áreas urbanas (Esch et al. 2017), e a tendência para a urbanização não mostra sinais de diminuição. Os sistemas de produção que possam fornecer alimentos frescos de forma confiável perto dos centros urbanos estão em demanda e aumentarão à medida que a urbanização aumenta. Por exemplo, a ascensão da agricultura vertical em centros urbanos como Singapura, onde a terra é um prémio, dá uma forte sugestão de que sistemas agrícolas concentrados e altamente produtivos serão parte integrante do desenvolvimento urbano no futuro. Os avanços tecnológicos estão cada vez mais tornando os sistemas de agricultura interna econômicos, por exemplo, o desenvolvimento de luzes hortícolas LED que são extremamente duradouras e energeticamente eficientes aumentou a competitividade da agricultura interior, bem como a produção em latitudes elevadas.

   A análise da agrobiodiversidade mostra consistentemente que os países de renda alta e média obtêm alimentos diversos por meio do comércio nacional ou internacional, mas isso também implica que a produção e a diversidade alimentar são desacopladas e, portanto, mais vulneráveis a interrupções nas linhas de abastecimento do que em países de baixa renda onde a maioria dos alimentos é produzida nacional ou regionalmente (Herrero et al. 2017). Além disso, à medida que o tamanho das explorações agrícolas aumenta, a diversidade de culturas, especialmente para as culturas pertencentes a grupos alimentares altamente nutritivos (legumes, frutas, carne), tende a diminuir em favor dos cereais e leguminosas, o que, mais uma vez, corre o risco de limitar a disponibilidade local e regional de uma variedade de diferentes grupos alimentares (Herrero et al. 2017).

3. 2.3 Terra Arável e Nutrientes

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

   2.3.1 Previsões

   Mesmo quando mais alimentos precisam ser produzidos, a terra utilizável para práticas agrícolas é inerentemente limitada a cerca de 20 a 30% da superfície terrestre do mundo. A disponibilidade de terras agrícolas está a diminuir e há escassez de terras adequadas onde são mais necessárias, isto é, particularmente perto de centros populacionais. A degradação do solo é um dos principais contribuintes para este declínio e pode geralmente ser categorizada de duas formas: deslocamento (erosão eólica e hídrica) e deterioração química e física interna do solo (perda de nutrientes e/ou matéria orgânica, salinização, acidificação, poluição, compactação e alagamento). A estimativa da degradação total do solo natural e induzida pelo homem em todo o mundo é repleta de dificuldades, dada a variabilidade nas definições, gravidade, tempo, categorização do solo, etc. No entanto, é geralmente acordado que suas consequências resultaram na perda da produção primária líquida em grandes áreas (Esch et al. 2017), restringindo assim aumentos de terras aráveis e permanentemente cultivadas a 13% nas quatro décadas desde o início da década de 1960 até o final da década de 1990 (Bruinsma 2003). Mais importante em relação ao crescimento populacional durante esse período, as terras aráveis per capita diminuíram cerca de 40% (Conforti 2011). O termo “terra arável” implica a disponibilidade de nutrientes adequados para apoiar a produção vegetal. Para combater a depleção de nutrientes, o consumo mundial de fertilizantes aumentou de 90 kg/ha em 2002 para 135 kg em 2013 (Pocketbook 2015). No entanto, o aumento do uso de fertilizantes muitas vezes resulta em excessos de nitrato e fosfatos acabando em ecossistemas aquáticos (Bennett et al. 2001), causando florescimento de algas e eutrofização quando a biomassa de algas em decomposição consome oxigênio e limita a biodiversidade da vida aquática. As alterações ambientais induzidas por nitratos e fosfatos em larga escala são particularmente evidentes nas bacias hidrográficas e nas zonas costeiras.

   O nitrogênio, o potássio e o fósforo são os três principais nutrientes essenciais para o crescimento das plantas. Embora a procura de fertilizantes fósforos continue a crescer exponencialmente, as reservas de fosfato rochoso são limitadas e as estimativas sugerem que serão esgotadas dentro de 50 a 100 anos (Cordell et al. 2011; Steen 1998; Van Vuuren et al. 2010). Além disso, espera-se que a entrada de nitrogênio antropogênico conduza os ecossistemas terrestres a maiores limitações de fósforo, embora uma melhor compreensão dos processos seja crítica (Deng et al. 2017; Goll et al. 2012; Zhu et al. 2016). Atualmente, não há substitutos para o fósforo na agricultura, colocando restrições na produtividade agrícola futura que depende da entrada de fertilizantes chave de fosfato extraído (Sverdrup e Ragnarsdottir 2011). O “paradoxo P”, ou seja, um excesso de P que prejudica a qualidade da água, juntamente com a sua escassez como recurso não renovável, significa que deve haver aumentos substanciais na reciclagem e eficiência do seu uso (Leinweber et al. 2018).

   As práticas agrícolas intensivas modernas, como a frequência e o tempo do preparo ou plantio direto, a aplicação de herbicidas e agrotóxicos e a adição pouco frequente de matéria orgânica contendo micronutrientes, podem alterar a estrutura do solo e sua biodiversidade microbiana, de modo que a adição de fertilizantes não mais aumenta a produtividade por hectare. Dado que as mudanças no uso da terra resultaram em perdas de carbono orgânico do solo estimadas em torno de 8%, e as perdas projetadas entre 2010 e 2050 são 3,5 vezes maiores, presume-se que a capacidade de retenção de água do solo e as perdas de nutrientes continuarão, especialmente tendo em vista o aquecimento global (Esch et al. 2017) . Obviamente, há compensações entre satisfazer as necessidades humanas e não comprometer a capacidade da biosfera de suportar a vida (Foley et al. 2005). No entanto, é claro ao modelar as fronteiras planetárias em relação às práticas atuais de uso do solo que é necessário melhorar a ciclagem de N e P, principalmente pela redução das emissões de nitrogênio e fósforo e do escoamento das terras agrícolas, mas também pela melhor captura e reutilização (Conijn et al. 2018).

   2.3.2 Aquapônica e Nutrientes

   Um dos principais benefícios da aquapônica é que ela permite a reciclagem de recursos nutritivos. A entrada de nutrientes no componente de peixe deriva de alimentos para animais, cuja composição depende das espécies-alvo, mas os alimentos para animais na aquicultura constituem tipicamente uma parte significativa dos custos de produção e podem representar mais de metade do custo anual total de produção. Em determinados desenhos aquapônicos, a biomassa bacteriana também pode ser aproveitada como ração, por exemplo, onde a produção de bioflocos torna os sistemas aquapônicos cada vez mais autônomos (Pinho et al. 2017).

   As águas residuais de canetas ou pistas de gaiola aberta são frequentemente descarregadas em corpos d'água, onde resultam em poluição de nutrientes e subsequente eutrofização. Por outro lado, os sistemas aquapônicos tomam os nutrientes dissolvidos de alimentos para peixes não consumidos e fezes, e utilizam micróbios que podem quebrar a matéria orgânica, converter o nitrogênio e o fósforo em formas biodisponíveis para uso por plantas na unidade hidropônica. A fim de alcançar níveis economicamente aceitáveis de produção vegetal, a presença de conjuntos microbianos apropriados reduz a necessidade de adicionar grande parte dos nutrientes suplementares que são rotineiramente usados em unidades hidropônicas autônomas. Assim, a aquapônica é um sistema de descarga quase zero que oferece não só benefícios econômicos tanto dos fluxos de produção de peixes como das plantas, mas também reduções significativas em ambas as descargas nocivas do ponto de vista ambiental provenientes de locais de aquicultura. Ele também elimina o problema do escoamento rico em N e P de fertilizantes utilizados na agricultura à base de solo. Em sistemas aquapônicos desacoplados, biorreatores aeróbios ou anaeróbios também podem ser usados para tratar lodo e recuperar macro e micronutrientes significativos em formas biodisponíveis para posterior utilização na produção hidropônica (Goddek et al. 2018) (ver Chap. 8). Novos desenvolvimentos emocionantes como estes, muitos dos quais agora estão sendo realizados para produção comercial, continuam a refinar o conceito de economia circular, permitindo cada vez mais a recuperação de nutrientes.

4. 2.4 Controle de pragas, plantas daninhas e doenças

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   2.4.1 Previsões

   É geralmente reconhecido que o controle de doenças, pragas e ervas daninhas é um componente crítico para reduzir as perdas produtivas que ameaçam a segurança alimentar (Keating et al. 2014). De fato, aumentar o uso de antibióticos, inseticidas, herbicidas e fungicidas para reduzir perdas e aumentar a produtividade tem permitido aumentos dramáticos na produção agrícola na segunda metade do século XX. No entanto, estas práticas também estão ligadas a uma série de problemas: poluição causada por compostos orgânicos persistentes em solos e águas de irrigação, alterações na atividade rizobactérias e micorrízicas em solos, contaminação de culturas e animais, desenvolvimento de estirpes resistentes, efeitos prejudiciais sobre polinizadores e ampla gama de riscos para a saúde humana (Bringezu et al. 2014; Ehrlich e Harte 2015a; Esch et al. 2017; FAO 2015b). Enfrentar o controle de pragas, ervas daninhas e doenças de forma a reduzir o uso dessas substâncias é mencionado em praticamente todos os pedidos para fornecer segurança alimentar a uma população mundial em crescimento.

   2.4.2 Controle de pragas, ervas daninhas e doenças

   Como um sistema fechado com medidas de biossegurança, os sistemas aquapônicos exigem muito menos aplicações químicas de pesticidas no componente da planta. Se os estoques de sementes e transplantes forem cuidadosamente manuseados e monitorados, contaminantes de ervas daninhas, fúngicos e bacteriais/algas podem ser controlados em unidades hidropônicas com medidas específicas, em vez da aplicação preventiva generalizada de herbicidas e fungicidas prevalentes na agricultura baseada no solo. À medida que a tecnologia continua a avançar, desenvolvimentos como estufas de pressão positiva podem reduzir ainda mais os problemas de pragas (Mears e Ambos 2001). As características do projeto para reduzir os riscos de pragas podem reduzir os custos em termos de produtos químicos, mão-de-obra, tempo de aplicação e equipamento, especialmente porque a pegada terrestre dos sistemas aquapônicos de escala industrial é pequena e os sistemas são compactos e firmemente contidos, em comparação com a área de produção aberta equivalente de vegetais e culturas frutíferas de fazendas convencionais à base de solo.

   O uso de RAS em sistemas aquapônicos também impede a transmissão de doenças entre unidades populacionais de criação e populações selvagens, o que é uma preocupação premente na aquicultura de escoamento e rede aberta (Read et al. 2001; Samuel-Fitwi et al. 2012). O uso rotineiro de antibióticos geralmente não é necessário no componente RAS, uma vez que se trata de um sistema fechado com poucos vetores disponíveis para a introdução da doença. Além disso, o uso de antimicrobianos e antiparasitários geralmente é desencorajado, pois pode ser prejudicial à microbiota que são cruciais para a conversão de resíduos orgânicos e inorgânicos em compostos utilizáveis para o crescimento de plantas na unidade hidropônica (Junge et al. 2017). Se a doença surgir, a contenção de peixes e plantas do ambiente circundante torna a descontaminação e a erradicação mais controláveis. Embora os sistemas fechados claramente não aliviem completamente todos os problemas de doenças e pragas (Goddek et al. 2015), medidas de biocontrole adequadas que já são praticadas em RAS autônomas e hidroponia resultam em reduções significativas do risco. Estas questões são discutidas mais detalhadamente nos capítulos subsequentes (para peixes, ver Capítulo 6; para plantas, mais detalhes em Chap. 14) .

5. 2.5 Recursos Hídri

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

   2.5.1 Previsões

   

   Fig. 2.1 Pegada de água (L por kg). Os peixes em sistemas RAS utilizam o mínimo de água de qualquer sistema de produção de alimentos

   Além de exigir aplicações de fertilizantes, as práticas agrícolas intensivas modernas também exigem altas demandas nos recursos hídricos. Entre os fluxos bioquímicos (Fig. 2.1), acredita-se que a escassez de água seja um dos fatores mais importantes que restringem a produção de alimentos (Hoekstra et al. 2012; Porkka et al. 2016). Projetados aumentos populacionais globais e mudanças na disponibilidade de água terrestre devido às alterações climáticas, exigem um uso mais eficiente da água na agricultura. Como observado anteriormente, até 2050, a produção agrícola agregada precisará produzir 60% mais alimentos em todo o mundo (Alexandratos e Bruinsma 2012), com uma estimativa de 100% a mais nos países em desenvolvimento, com base no crescimento populacional e nas expectativas crescentes de padrões de vida (Alexandratos e Bruinsma 2012; OMS 2015). A fome em algumas regiões do mundo, assim como a desnutrição e a fome oculta, indicam que o equilíbrio entre a demanda e a disponibilidade de alimentos já atingiu níveis críticos e que a segurança alimentar e hídrica está diretamente ligada (McNeill et al. 2017). As previsões das alterações climáticas sugerem uma redução da disponibilidade de água doce e uma diminuição correspondente dos rendimentos agrícolas até o final do século XXI (Misra 2014).

   Actualmente, o sector agrícola representa cerca de 70% do consumo de água doce a nível mundial e a taxa de retirada excede até 90% na maioria dos países menos desenvolvidos do mundo. A escassez de água aumentará nos próximos 25 anos devido ao crescimento populacional esperado (Connor et al. 2017; Esch et al. 2017), com a última modelagem que prevê a diminuição da disponibilidade de água no futuro próximo para quase todos os países (Distefano e Kelly 2017). A ONU prevê que a busca de práticas de negócios como de costume resultará em um déficit mundial de água de 40% até 2030 (Água 2015). A este respeito, à medida que o abastecimento de água subterrânea para irrigação está esgotado ou contaminado, e as regiões áridas experimentam mais seca e escassez de água devido às alterações climáticas, a água para a produção agrícola tornar-se-á cada vez mais valiosa (Ehrlich e Harte 2015a). A crescente escassez de recursos hídricos compromete não apenas a segurança hídrica para o consumo humano, mas também a produção global de alimentos (McNeill et al. 2017). Dado que a escassez de água é esperada mesmo em áreas que atualmente possuem recursos hídricos relativamente suficientes, é importante desenvolver técnicas agrícolas com baixos requisitos de entrada de água e melhorar a gestão ecológica das águas residuais através de uma melhor reutilização (FAO 2015a).

   O Relatório Mundial de Desenvolvimento da Água das Nações Unidas para 2017 (Connor et al. 2017) centra-se nas águas residuais como uma fonte inexplorada de energia, nutrientes e outros subprodutos úteis, com implicações não só para a saúde humana e ambiental, mas também para a segurança alimentar e energética, bem como para a mitigação das mudanças climáticas. Este relatório apela a tecnologias adequadas e acessíveis, juntamente com quadros legais e regulamentares, mecanismos de financiamento e maior aceitabilidade social do tratamento de águas residuais, com o objetivo de alcançar a reutilização da água dentro de uma economia circular. O relatório também aponta para um relatório do Fórum Econômico Mundial de 2016 que enumera a crise hídrica como o risco global de maior preocupação nos próximos 10 anos.

   O conceito de pegada hídrica como medida da utilização dos recursos hídricos por parte dos seres humanos foi apresentado para informar o desenvolvimento das políticas em matéria de utilização da água. Uma pegada hídrica tem três componentes: (1) água azul, que compreende as águas superficiais e subterrâneas consumidas durante a produção de produtos ou perdidas por evaporação, (2) água verde que é água da chuva utilizada especialmente na produção vegetal e (3) água cinzenta, que é água poluída mas ainda dentro da água existente padrões de qualidade (Hoekstra e Mekonnen 2012). Esses autores mapearam a pegada hídrica de países em todo o mundo e descobriram que a produção agrícola representa 92% do uso global de água doce, e a produção industrial usa 4,4% do total, enquanto a água doméstica apenas 3,6%. Isso suscita preocupações com a disponibilidade de água e resultou em esforços de educação pública destinados a aumentar a conscientização sobre as quantidades de água necessárias para produzir vários tipos de alimentos, bem como vulnerabilidades nacionais, especialmente em países escassos de água no Norte de África e no Oriente Médio.

   2.5.2 Aquapônica e Conservação da Água

   O conceito econômico de produtividade comparativa mede a quantidade relativa de um recurso necessário para produzir uma unidade de bens ou serviços. A eficiência é geralmente interpretada como sendo maior quando a exigência de entrada de recursos é menor por unidade de bens e serviços. No entanto, quando a eficiência da utilização da água é examinada num contexto ambiental, a qualidade da água também deve ser tida em conta, uma vez que a manutenção ou o aumento da qualidade da água também aumenta a produtividade (Hamdy 2007).

   O crescente problema da escassez de água exige melhorias na eficiência do uso da água, especialmente em regiões áridas e semiáridas, onde a disponibilidade de água para a agricultura e a qualidade da água de descarga, são fatores críticos na produção de alimentos. Nessas regiões, a recirculação de água em unidades aquapônicas pode atingir uma notável eficiência de reutilização de água de 95 a 99% (Dalsgaard et al. 2013). A demanda de água também é inferior a 100 L/kg de peixe colhido, e a qualidade da água é mantida dentro do sistema de produção de culturas (Goddek et al. 2015). Obviamente, esses sistemas devem ser construídos e operados para minimizar as perdas de água; eles também devem otimizar suas proporções de água de peixe para plantas, uma vez que essa proporção é muito importante para maximizar a eficiência de reutilização de água e garantir a máxima reciclagem de nutrientes. Algoritmos de modelação e soluções técnicas estão sendo desenvolvidos para integrar melhorias em unidades individuais e entender melhor como gerenciar eficazmente e eficientemente a água (Vilbergsson et al. 2016). São fornecidas mais informações nos capítulos 9 e 11.

   À luz das necessidades do solo, da água e dos nutrientes, a pegada hídrica dos sistemas aquánicos é consideravelmente melhor do que a agricultura tradicional, onde a qualidade e a procura da água, juntamente com a disponibilidade de terras aráveis, os custos dos fertilizantes e a irrigação são condicionantes à expansão (Fig. 2.1).

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   Fig. 2.2 Rácios de conversão de ração (FCRs) baseados em kg de ração por peso vivo e kg de ração para porção comestível. Somente insetos, que são comidos inteiros em algumas partes do mundo, têm uma melhor RCF do que os peixes

6. 2.6 Utilização do solo

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   2.6.1 Previsões

   Globalmente, as culturas terrestres e as pastagens ocupam aproximadamente 33% do total de terras disponíveis, e estima-se que a expansão para usos agrícolas entre 2000 e 2050 aumente de 7 a 31% (350—1500 Mha, dependendo da fonte e dos pressupostos subjacentes), na maioria das vezes à custa de florestas e zonas húmidas (Bringezu et al. 2014). Embora ainda existam terras classificadas como “boas” ou “marginais” disponíveis para a agricultura alimentada por chuva, partes significativas estão longe de mercados, carecem de infraestruturas ou têm doenças endémicas, terrenos inadequados ou outras condições que limitam o potencial de desenvolvimento. Em outros casos, as terras remanescentes já estão protegidas, florestadas ou desenvolvidas para outros usos (Alexandratos e Bruinsma 2012). Em contrapartida, os ecossistemas de terras secas, definidos na Comissão das Nações Unidas para o Desenvolvimento Sustentável como áreas áridas, semiáridas e subúmidas secas que tipicamente têm baixa produtividade, estão ameaçados pela desertificação e, portanto, são inadequados para expansão agrícola, mas, no entanto, têm muitos milhões de pessoas vivendo em estreita proximidade (Economic 2007). Estes factos apontam para a necessidade de uma intensificação mais sustentável da produção alimentar mais próxima dos mercados, preferencialmente em terras em grande parte improdutivas que podem nunca se tornar adequadas para a agricultura no solo.

   Os dois fatores mais importantes que contribuem para a eficiência dos insumos agrícolas são considerados por alguns especialistas como (i) a localização da produção de alimentos em áreas onde as condições climáticas (e do solo) aumentam naturalmente a eficiência e (ii) as reduções dos impactos ambientais da produção agrícola (Michael e David 2017). Deve verificar-se um aumento da oferta de biomassa cultivada através da intensificação da produção por hectare, acompanhado de uma diminuição da carga ambiental (por exemplo, degradação da estrutura do solo, perdas de nutrientes, poluição tóxica). Em outras palavras, a pegada da produção eficiente de alimentos deve diminuir ao mesmo tempo que minimiza os impactos ambientais negativos.

   2.6.2 Aquapônica e Utilização do Solo

   Os sistemas de produção aquapônica são sem solo e tentam reciclar nutrientes essenciais para o cultivo de peixes e plantas, usando nutrientes em matéria orgânica provenientes de alimentos para peixes e resíduos para minimizar ou eliminar a necessidade de fertilizantes vegetais. Por exemplo, em tais sistemas, o uso de terra para minerar, processar, armazenar e transportar fosfato ou fertilizantes ricos em potássio torna-se desnecessário, eliminando assim o custo inerente e o custo de aplicação desses fertilizantes.

   A produção aquapônica contribui não só para a eficiência do uso da água (Seção 2.5.2, mas também para a eficiência dos insumos agrícolas, reduzindo a pegada de terra necessária para a produção. As instalações, por exemplo, podem ser situadas em terras não aráveis e em áreas suburbanas ou urbanas mais próximas dos mercados, reduzindo assim a pegada de carbono associada às fazendas rurais e ao transporte de produtos para os mercados urbanos. Com uma pegada menor, a capacidade de produção pode ser localizada em áreas de outra forma improdutivas, como em telhados ou fábricas antigas, o que também pode reduzir os custos de aquisição de terrenos se essas áreas forem consideradas inadequadas para empresas de habitação ou varejo. Uma pegada menor para a produção de proteínas e vegetais de alta qualidade em aquapônica também pode tirar a pressão de limpar áreas naturais e semi-naturais ecologicamente valiosas para a agricultura convencional.

7. 2.7 Recursos energéticos

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   2.7.1 Previsões

   À medida que a mecanização se espalha globalmente, a agricultura intensiva em campo aberto depende cada vez mais de combustíveis fósseis para alimentar máquinas agrícolas e para o transporte de fertilizantes, bem como de produtos agrícolas, bem como para executar o equipamento para processamento, embalagem e armazenamento. Em 2010, a Agência Internacional de Energia da OCDE previu que o consumo global de energia cresceria até 50% até 2035; a FAO também estimou que 30% do consumo global de energia é dedicado à produção de alimentos e sua cadeia de abastecimento (FAO 2011). As emissões de gases de efeito estufa (GEE) associadas aos combustíveis fósseis (aproximadamente 14% na análise do ciclo de vida) somadas às provenientes da fabricação de fertilizantes (16%) e óxido nitroso de solos médios (44%) (Camargo et al. 2013) contribuem substancialmente para os impactos ambientais da agricultura. Uma tendência, no século XXI, de produzir biocombustíveis à base de culturas (por exemplo, milho para etanol) para substituir os combustíveis fósseis aumentou a pressão sobre o desmatamento de florestas tropicais, turfeiras, savanas e pastagens para a produção agrícola. No entanto, estudos apontam para a criação de uma “dívida de carbono” a partir de tais práticas, uma vez que a liberação global do COSub2/Sub excede as reduções dos GEE que proporcionam ao deslocar os combustíveis fósseis (Fargione et al. 2008). Indiscutivelmente existe uma dívida de carbono semelhante ao limpar terras para criar culturas alimentares através da agricultura convencional que depende de combustíveis fósseis.

   Numa análise comparativa dos sistemas de produção agrícola, verificou-se que os sistemas de pesca de arrasto e de aquicultura de recirculação (RAS) emitem GEE de 2 a 2,5 vezes os da pesca sem arrasto e da aquicultura não RAS (caneta, pista). Na RAS, estes requisitos energéticos referem-se principalmente ao funcionamento de bombas e filtros (Michael e David 2017). Da mesma forma, os sistemas de produção de estufa podem emitir até três vezes mais GEE do que a produção de culturas em campo aberto se for necessária energia para manter o calor e a luz dentro de intervalos ideais (ibid.). No entanto, estes valores de GEE não têm em conta outros impactos ambientais de sistemas não SRA, tais como a eutrofização ou potenciais transferências de agentes patogénicos para as unidades populacionais selvagens. Também não consideram os gases de efeito estufa provenientes da produção, transporte e aplicação de herbicidas e pesticidas utilizados no cultivo a céu aberto, nem metano e óxido nitroso provenientes da produção animal associada, ambos com um potencial de aquecimento de estufa de 100 anos (PAG) 25 e 298 vezes maior do que o COSub2/Sub, respectivamente (Camargo et al. 2013; Eggleston et al. 2006).

   Estas estimativas preocupantes do consumo de energia presente e futuro e das emissões de gases com efeito de estufa associadas à produção de alimentos levaram a novas modelização e abordagens, por exemplo, a abordagem do nexo água-alimento-energia da ONU mencionada na Seção 2.1. Os Objetivos de Desenvolvimento Sustentável da ONU apontaram a vulnerabilidade da produção de alimentos às flutuações nos preços da energia como um fator chave da insegurança alimentar. Isso levou a esforços para tornar os sistemas agroalimentares “inteligentes” com ênfase na melhoria da eficiência energética, no aumento da utilização de fontes de energia renováveis e no incentivo à integração da produção alimentar e de energia (FAO 2011).

   2.7.2 Aquapônica e Conservação de Energia

   Os avanços tecnológicos nas operações de sistemas aquánicos estão a evoluir para ser cada vez mais “inteligente em energia” e reduzir a dívida de carbono das bombas, filtros e dispositivos de aquecimento/arrefecimento através da utilização de electricidade gerada a partir de fontes renováveis. Mesmo em latitudes temperadas, muitos projetos novos permitem que a energia envolvida no aquecimento e resfriamento de tanques de peixes e estufas seja totalmente reintegrada, de modo que esses sistemas não exigem insumos além das matrizes solares ou a eletricidade/calor gerado pela produção de biogás bacteriano de lodo derivado da aquicultura (Ezebuiro e Körner 2017; Goddek e Keesman 2018; Kloas et al. 2015; Yogev et al. 2016). Além disso, os sistemas aquapônicos podem usar a desnitrificação microbiana para converter óxido nitroso em gás nitrogênio se houver fontes suficientes de carbono provenientes de resíduos, de modo que bactérias anaeróbias heterotróficas e facultativas possam converter o excesso de nitratos em gás nitrogênio (Van Rijn et al. 2006). Como observado em [Seção 2.7.1](#271 -previsões), o óxido nitroso é um potente GEE e micróbios já presentes em sistemas aquapônicos fechados podem facilitar sua conversão em gás nitrogenado.

8. 2.8 Resumo

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

   À medida que a população humana continua a aumentar, há uma crescente demanda por proteínas de alta qualidade em todo o mundo. Em comparação com as fontes de carne, os peixes são amplamente reconhecidos como sendo uma fonte particularmente saudável de proteínas. Em relação ao fornecimento mundial de alimentos, a aquicultura agora fornece mais proteína de peixe do que a pesca de captura (FAO 2016). Globalmente, o consumo humano de peixe per capita continua a aumentar a uma taxa média anual de 3,2% (1961—2013), o que representa o dobro da taxa de crescimento populacional. No período de 1974 a 2013, a “sobrepesca” biologicamente insustentável aumentou 22%. Durante o mesmo período, as capturas das pescarias consideradas “plenamente exploradas” diminuíram 26%. Por conseguinte, a aquicultura constitui a única solução possível para satisfazer o aumento da procura do mercado. É agora o sector alimentar que cresce mais rapidamente e, por conseguinte, um componente importante da segurança alimentar (ibid.)

   Com a população global estimada em 8,3-10,9 bilhões de pessoas até 2050 (Bringezu et al. 2014), o desenvolvimento sustentável dos setores aquícola e agrícola requer otimização em termos de eficiência produtiva, mas também reduções na utilização de recursos limitados, em particular, água, terra e fertilizantes. Os benefícios da aquaponia não se relacionam apenas com os usos eficientes da terra, da água e dos recursos nutritivos, mas também permitem uma maior integração de oportunidades de energia inteligente, como o biogás e a energia solar. A este respeito, a aquaponia é uma tecnologia promissora para a produção de proteínas de peixe e vegetais de alta qualidade de maneiras que podem usar substancialmente menos terra, menos energia e menos água, ao mesmo tempo que minimiza os insumos químicos e fertilizantes que são usados na produção de alimentos convencionais.