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Capítulo 3 Tecnologias de recirculação da aquicultura

1. 3.1 Introdução

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

   Os sistemas de recirculação de aquicultura (RAS) descrevem sistemas intensivos de produção de peixe que utilizam uma série de etapas de tratamento de água para depurar a água de criação de peixes e facilitar a sua reutilização. A RAS incluirá geralmente (1) dispositivos para remover partículas sólidas da água que são compostas por fezes de peixes, alimentos não consumidos e flocos bacterianos (Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009), (2) biofiltros nitrificantes para oxidar amoníaco excretado pelo peixe em nitrato (Gutierrez-Wing e Malone 2006) e (3) um número de dispositivos de troca de gás para remover dióxido de carbono dissolvido expelido pelos peixes, bem como /ou adicionar oxigênio exigido pelos peixes e bactérias nitrificantes (Colt e Watten 1988; Moran 2010; Summerfelt 2003; Wagner et al. 1995). Além disso, a RAS também pode usar irradiação UV para desinfecção de água (Sharrer et al. 2005; Summerfelt et al. 2009), ozonização e desnatação de proteínas para sólidos finos e controle microbiano (Attramadal et al. 2012a; Gonçalves e Gagnon 2011; Summerfelt e Hochheimer 1997) e sistemas de desnitrificação para remover nitrato (van Rijn et al. 2006).

   A tecnologia moderna de aquicultura de recirculação vem se desenvolvendo há mais de 40 anos, mas novas tecnologias oferecem cada vez mais maneiras de mudar os paradigmas da RAS tradicional, incluindo melhorias em processos clássicos, como captura de sólidos, biofiltração e troca de gás. A RAS registou igualmente importantes desenvolvimentos em termos de escala, capacidade de produção e aceitação do mercado, com os sistemas a tornarem-se progressivamente maiores e mais robustos.

   Este capítulo discute como a tecnologia RAS se desenvolveu ao longo das últimas duas décadas, desde um período de consolidação tecnológica até uma nova era de implementação industrial.

   3.1.1 História da RAS

   A primeira pesquisa científica sobre RAS realizada no Japão na década de 1950 centrou-se no projeto de biofiltros para produção de carpas impulsionada pela necessidade de usar recursos hídricos localmente limitados de forma mais produtiva (Murray et al. 2014). Na Europa e nos Estados Unidos, cientistas também tentaram adaptar tecnologias desenvolvidas para o tratamento de águas residuais domésticas, a fim de melhor reutilizar a água em sistemas de recirculação (por exemplo, processos de lamas ativadas para tratamento de esgotos, gotejamento, biofiltros submersos e de fluxo descendente e vários sistemas de filtração). Estes primeiros esforços incluíram principalmente trabalhos sobre sistemas marinhos para a produção de pescado e crustáceos, mas foram logo adoptados em regiões áridas onde o sector agrícola é limitado pelo abastecimento de água. Na aquicultura, diferentes soluções foram projetadas para maximizar o uso da água, incluindo sistemas de recirculação altamente intensivos que incorporam sistemas de filtração de água, como filtros de tambor, filtros biológicos, skimmers proteicos e sistemas de injeção de oxigênio (Hulata e Simon 2011). Apesar de uma forte convicção por parte dos pioneiros da indústria sobre a viabilidade comercial de seu trabalho, a maioria dos primeiros estudos se concentrou exclusivamente na oxidação de resíduos tóxicos de nitrogênio inorgânicos derivados do metabolismo protéico. A confiança na tecnologia foi reforçada pela operação bem-sucedida de aquários públicos e domésticos, que geralmente apresentam unidades de tratamento de grandes dimensões para garantir água cristalina. Além disso, as densidades de estocagem extremamente baixas e os insumos de alimentação associados permitiram que esse excesso de engenharia ainda contribuísse relativamente pequeno para os custos de capital e operacionais do sistema em comparação com o RAS intensivo. Consequentemente, as mudanças na dinâmica de processos associadas à mudança de escala não foram contabilizadas, resultando no subdimensionamento das unidades de tratamento de RAS, a fim de minimizar os custos de capital. Consequentemente, as margens de segurança eram demasiado estreitas ou inexistentes (Murray et al. 2014). Como muitos dos cientistas pioneiros tinham origens biológicas em vez de engenharia, melhorias técnicas também foram limitadas por falhas de comunicação entre cientistas, designers, pessoal de construção e operadores. O desenvolvimento de uma terminologia padronizada, unidades de medida e formatos de notificação em 1980 (EIFAC/CIEM 1980) contribuiu para resolver a situação, embora as diferenças regionais persistam. Não foi até meados da década de 1980 que os parâmetros cíclicos de qualidade da água se tornaram bem reconhecidos como importantes na produção de lagoas, por exemplo, medindo periodicamente as concentrações de pH, oxigênio, TAN (nitrogênio de amônia total), NO2 (nitrato), CBO (demanda bioquímica de oxigênio) e CQO (demanda química de oxigênio).

   Na última parte do século passado, vários artigos foram publicados sobre o desenvolvimento inicial da RAS. Rosenthal (1980) elaborou sobre o estado dos sistemas de recirculação na Europa Ocidental, enquanto Bovendeur et al. (1987) desenvolveram um sistema de recirculação de água para a cultura de bagres africanos em relação à produção de resíduos e cinética de remoção de resíduos (foi apresentado um desenho para um sistema de tratamento de água composto por um clarificador primário e um reator aeróbio de filme fixo que demonstrou resultados satisfatórios para a cultura de alta densidade de bagres africanos). Este trabalho fez parte do rápido desenvolvimento dos sistemas de cultura da pesca até meados dos anos 90 na Europa do Norte e Ocidental (Rosenthal e Black 1993), bem como na América do Norte (Colt 1991). Novas classificações, tais como a classificação de acordo com a forma como a água flui através de um sistema de aquicultura, forneceram informações fundamentais sobre os processos de qualidade da água que são importantes para a produção de peixe (Krom e van Rijn 1989). No trabalho subsequente de van Rijn (1996), foram introduzidos conceitos focados nos processos biológicos subjacentes aos sistemas de tratamento. As conclusões deste trabalho foram que a incorporação de métodos para reduzir o acúmulo de lodo e nitrato resultou em condições de qualidade da água mais estáveis dentro das unidades de cultura. Durante este período, a produção de RAS aumentou significativamente em volume e diversidade de espécies (Rosenthal 1980; Verreth e Eding 1993; Martins et al. 2005). Atualmente, mais de 10 espécies são produzidas em RAS (bagre africano, enguia e truta como principais espécies de água doce e pregado, robalo e linguado como principais espécies marinhas) (Martins et al 2010b), sendo a RAS também um elemento crucial na produção de larvas e juvenis de diversas espécies.

   Embora os rendimentos máximos sustentáveis de muitas espécies de animais selvagens aquáticos tenham sido ou venham a ser atingidos em breve, e muitas espécies já estão sobrepescadas, a RAS é considerada uma tecnologia fundamental que ajudará o setor da aquicultura a satisfazer as necessidades de espécies aquáticas nas próximas décadas (Ebeling e Timmons 2012).

   3.1.2 Uma Breve História da Aquapônica no Contexto da RAS

   

   Fig. 3.1 Chinampas (jardins flutuantes) na América Central — construção artificial de ilhas como antecedente da tecnologia aquapônica. (De Marzolino/ Shutterstock.com)

   Aquapônica é um termo que foi “cunhado” na década de 1970, mas na prática tem raízes antigas — embora ainda haja discussões sobre sua primeira ocorrência. Os astecas cultivaram ilhas agrícolas conhecidas como chinampas (os primeiros 1150—1350CE), em um sistema considerado por alguns como a primeira forma de aquapônica para uso agrícola (Fig. 3.1). Em tais sistemas, as plantas foram criadas em ilhas estáveis, ou em algum momento móveis e flutuantes colocadas em lagos rasos, onde lama rica em nutrientes poderia ser dragada dos canais chinampa e colocada nas ilhas para apoiar o crescimento das plantas (Crossley 2004).

   Um exemplo ainda anterior de aquapônica começou no outro lado do mundo no sul da China e acredita-se ter se espalhado dentro do Sudeste Asiático, onde colonos chineses de Yunnan se estabeleceram em torno de 5 d.C. Agricultores cultivaram e cultivaram arroz em arrozais em combinação com peixes (FAO 2001). Estes sistemas de agricultura policultural existiam em muitos países do Extremo Oriente para criar peixes como o loach oriental (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), a enguia do pântano (fam. Synbranchidae), carpa comum (Cyprinus carpio) e carpa cruciana (Carassius carassius) (FAO 2004). No entanto, em essência, estes não eram sistemas aquánicos, mas podem ser melhor descritos como exemplos iniciais de sistemas de aquicultura integrados (Gomez 2011). No século XX, as primeiras tentativas de criar sistemas práticos, eficientes e integrados de produção de peixe ao lado dos vegetais foram feitas na década de 1970 com o trabalho de Lewis e Naegel (Lewis e Wehr 1976; Naegel 1977; Lewis et al. 1978). Outros sistemas iniciais foram projetados por Waten e Busch em 1984 e Rakocy em 1989 (Palm et al. 2018).

2. 3.2 Revisão do Controle de Qualidade da Água em RAS

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

   As RAS são sistemas complexos de produção aquática que envolvem uma série de interações físicas, químicas e biológicas (Timmons e Ebeling 2010). Compreender essas interações e as relações entre os peixes no sistema e o equipamento utilizado é crucial para prever quaisquer mudanças na qualidade da água e no desempenho do sistema. Existem mais de 40 parâmetros de qualidade da água que podem ser utilizados para determinar a qualidade da água na aquicultura (Timmons e Ebeling 2010). Destes, apenas alguns (como descrito em Seitas. [3.2.1](#321 -dissolvido-oxigênio-do), [3.2.2](#322 -amônia), [3.2.3](#323 -biosólidos), [3.2.4](#324 -carbono-dióxido-cosub2sub), [3.2.5](#325 -total-gas-pressure-tgp), [3.2.6](#326 -nitrato) e [3.2.7](#327 -alcalinidade) são tradicionalmente controlados na recirculação principal , uma vez que esses processos podem afetar rapidamente a sobrevivência dos peixes e são propensos a mudar com a adição de alimentos para animais ao sistema. Muitos outros parâmetros de qualidade da água não são normalmente monitorados ou controlados porque (1) a análise da qualidade da água pode ser dispendiosa, (2) o poluente a ser analisado pode ser diluído com troca diária de água, (3) fontes potenciais de água que as contêm são excluídas para uso ou (4) porque o seu potencial negativo efeitos não foram observados na prática. Portanto, os seguintes parâmetros de qualidade da água são normalmente monitorados em RAS.

   3.2.1 Oxigênio dissolvido (OD)

   O oxigênio dissolvido (OD) é geralmente o parâmetro de qualidade da água mais importante em sistemas aquáticos intensivos, uma vez que os baixos níveis de OD podem resultar rapidamente em alta tensão nos peixes, mau funcionamento do biofiltro nitrificante e, na verdade, perdas significativas de peixes. Normalmente, as densidades de estocagem, a adição de alimentos, a temperatura e a tolerância das espécies de peixes à hipóxia determinarão as necessidades de oxigénio de um sistema. Uma vez que o oxigénio pode ser transferido para a água em concentrações superiores à sua concentração de saturação sob condições atmosféricas (isto é chamado de supersaturação), existe uma gama de dispositivos e desenhos para garantir que os peixes recebam oxigénio suficiente.

   No RAS, o OD pode ser controlado via aeração, adição de oxigênio puro, ou uma combinação destes. Uma vez que a aeração só é capaz de elevar as concentrações de OD para o ponto de saturação atmosférica, a técnica é geralmente reservada para sistemas levemente carregados ou sistemas com espécies tolerantes como Tilapia ou bagre. No entanto, os aeradores também são um componente importante da RAS comercial, onde o uso de oxigênio técnico caro é reduzido pelo arejamento de água com baixo teor de oxigênio dissolvido de volta ao ponto de saturação antes de supersaturar a água com oxigênio técnico.

   

   Fig. 3.2 Diagramas de dois exemplos de transferência gás-líquido: aeração difusa e injectores/aspiradores Venturi

   Existem vários tipos de aeradores e oxigenadores que podem ser usados em RAS e estes se enquadram em duas grandes categorias: sistemas gás-líquido e líquidos-gás (Lekang 2013). Os aeradores gás-líquido compreendem principalmente sistemas de aeração difusa em que o gás (ar ou oxigênio) é transferido para a água, criando bolhas que trocam gases com o meio líquido (Fig. 3.2). Outros sistemas de gás para líquido incluem gases de passagem através de difusores, tubos perfurados ou placas perfuradas para criar bolhas usando injetores Venturi que criam massas de pequenas bolhas ou dispositivos que prendem bolhas de gás no fluxo de água, como o Speece Cone e o oxigenador de tubo U.

   

   Fig. 3.3 Diagramas de dois exemplos de transferência de líquido para gás: o aerador de coluna embalado e salpicos de superfície em um tanque fechado. O aerador de coluna embalado permite que a água escorrer por uma embarcação fechada, geralmente embalada com meios estruturados, onde o ar é forçado através de um ventilador ou ventilador. Os salpicos de superfície encontrados na aquicultura de lagoas também podem ser usados em atmosferas fechadas enriquecidas com gases — normalmente oxigênio — para transferência de gás

   Os aeradores líquidos a gás baseiam-se na difusão da água em pequenas gotículas para aumentar a área de superfície disponível para contato com o ar, ou na criação de uma atmosfera enriquecida com uma mistura de gases (Fig. 3.3). O aerador de colunas embaladas (Colt e Bouck 1984) e os oxigenadores de cabeça baixa (LHOs) (Wagner et al. 1995) são exemplos de sistemas líquidos-gás utilizados na recirculação da aquicultura. No entanto, outros sistemas líquidos-gás populares em lagoas e fazendas externas, como aeradores de rodas de pás (Fast et al. 1999), também são usados no RAS.

   Há literatura considerável disponível sobre a teoria da troca de gás e os fundamentos da transferência de gás em água, e o leitor é incentivado não só a consultar textos de engenharia de aquicultura e aquicultura, mas também a se referir à engenharia de processos e materiais de tratamento de águas residuais para uma melhor compreensão destes processos.

   3.2.2 Amoníaco

   Num meio aquoso, o amoníaco existe em duas formas: uma forma não ionizada (NHsub3/sub) tóxica para os peixes e uma forma ionizada (NHsub4/subsup+/Sup) com baixa toxicidade para os peixes. Estes dois formam o azoto de amoníaco total (TAN), em que a relação entre as duas formas é controlada pelo pH, temperatura e salinidade. O amoníaco acumula-se na água de criação como produto do metabolismo das proteínas dos peixes (Altinok e Grizzle 2004) e pode atingir concentrações tóxicas se não forem tratadas. Dos 35 tipos diferentes de peixes de água doce estudados, o valor médio de toxicidade aguda para o amoníaco é de 2,79 mg NH3/l (Randall e Tsui 2002).

   A amônia tem sido tradicionalmente tratada em sistemas de recirculação com biofiltros nitrificantes, dispositivos que são projetados para promover comunidades microbianas que podem oxidar amônia em nitrato (NoSub3/Sub). Embora o uso de biofiltros nitrificantes não seja novo, a RAS contemporânea viu uma racionalização dos projetos de biofiltro, com apenas alguns projetos bem estudados tendo aceitação generalizada. Outras técnicas altamente inovadoras para o tratamento da amônia foram desenvolvidas nos últimos anos, mas não são amplamente aplicadas comercialmente (exemplos mencionados abaixo).

   A amônia é oxidada em biofiltros por comunidades de bactérias nitrificantes. As bactérias nitrificantes são organismos quimiolitotróficos que incluem espécies dos géneros Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrospira, Nitrobacter e Nitrococcus (Prosser 1989). Essas bactérias obtêm sua energia a partir da oxidação de compostos de nitrogênio inorgânicos (Mancinelli 1996) e crescem lentamente (a replicação ocorre 40 vezes mais lenta do que para bactérias heterotróficas) por isso são facilmente superadas por bactérias heterotróficas se o carbono orgânico, principalmente presente em biosólidos suspensos na cultura água, são autorizados a acumular (Grady e Lim 1980). Durante a operação do RAS, um bom gerenciamento do sistema depende muito da minimização de sólidos suspensos por meio de técnicas adequadas de remoção de sólidos (Fig. 3.4).

   Os biofiltros nitrificantes ou os reactores de biofiltro foram classificados em duas categorias principais: sistemas de crescimento suspenso e de crescimento ligado (Malone e Pfeiffer 2006). Em sistemas de crescimento suspenso, as comunidades bacterianas nitrificantes crescem livremente na água, formando flocos bacterianos que também abrigam ecossistemas ricos onde protozoários, ciliados, nemátodos e algas estão presentes (Manan et al. 2017). Com mistura e aeração adequadas, algas, bactérias, zooplâncton, partículas de alimentação e matéria fecal permanecem suspensas na coluna de água e naturalmente floculam juntas, formando as partículas que dão o nome aos sistemas de cultura de bioflocos (Browdy et al. 2012). A principal desvantagem dos sistemas de crescimento suspenso é sua tendência a perder sua biomassa bacteriana à medida que a água de processo flui para fora do reator, exigindo assim um meio para capturá-la e devolvê-la ao sistema. Em sistemas de crescimento anexados, formas sólidas (grãos de areia, pedras, elementos plásticos) são usadas como substratos para reter as bactérias dentro do reator e, portanto, não precisam de uma etapa de captura de sólidos pós-tratamento. Geralmente, os sistemas de crescimento anexados fornecem mais área de superfície para fixação bacteriana do que os sistemas de crescimento suspenso, e não produzem sólidos significativos em sua saída, que é uma das principais razões pelas quais os biofiltros de crescimento anexados têm sido tão comumente usados em RAS.

   

   Fig. 3.4 Bactérias nitrificantes Nitrosomonas (esquerda) e Nitrobacter (direita). (Foto à esquerda: Bock et al. 1983. Foto à direita: Murray e Watson 1965)

   Foram feitos esforços para classificar os biofiltros e documentar o seu desempenho, a fim de ajudar os agricultores e designers a especificar sistemas com maior grau de fiabilidade (Drennan et al. 2006; Gutierrez-Wing e Malone 2006). Nos últimos anos, a indústria aquícola optou por projetos de biofiltros que têm sido amplamente estudados e, portanto, podem oferecer desempenho previsível. O biorreator de leito móvel (Rusten et al. 2006), o biorreator de filtro de areia fluidizado (Summerfelt 2006) e o biorreator de leito fixo (Emparanza 2009; Zhu e Chen 2002) são exemplos de projetos de biofiltro de crescimento anexado que se tornaram padrão na RAS comercial moderna. Filtros de gotejamento (Díaz et al. 2012), outro design popular, viram sua popularidade reduzida devido aos seus requisitos de bombeamento relativamente altos e tamanhos relativamente grandes.

   3.2.3 Biosólidos

   Os biosólidos em RAS são originários de alimentos para peixes, fezes e biofilmes (Timmons e Ebeling 2010) e são um dos parâmetros de qualidade da água mais críticos e difíceis de controlar. Como os biossólidos servem como substrato para o crescimento bacteriano heterotrófico, um aumento na concentração pode eventualmente resultar em aumento do consumo de oxigênio, baixo desempenho do biofiltro (Michaud et al. 2006), aumento da turbidez da água e até mesmo bloqueio mecânico de partes do sistema (Becke et al. 2016; Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009).

   Na RAS, os biosólidos são geralmente classificados tanto pelo seu tamanho como pela sua capacidade de remoção por determinadas técnicas. Da fração total de sólidos produzidos num RAS, os sólidos reguláveis são geralmente superiores a 100 μm e que podem ser removidos por separação por gravidade. Os sólidos em suspensão, com dimensões compreendidas entre 100 μm e 30 μm, são os que não se estabelecem em suspensão, mas que podem ser removidos por meios mecânicos (isto é, peneiramento). Os sólidos finos, com dimensões inferiores a 30 μm, são geralmente aqueles que não podem ser removidos por peneiramento e devem ser controlados por outros meios, tais como processos físico-químicos, processos de filtração por membrana, diluição ou bioclarificação (Chen et al. 1994; Lee 2014; Summerfelt and Hochheimer 1997; Timmons e Ebeling 2010; Wold et al. 2014). As técnicas de controle de sólidos estabilizáveis e suspensos são bem conhecidas e desenvolvidas, e existe uma extensa literatura sobre o assunto. Por exemplo, o uso de tanques de drenagem dupla, separadores de turbilhão, separadores de fluxo radial e bacias de assentamento é um meio popular para controlar sólidos estabilizáveis (Couturier et al. 2009; Davidson e Summerfelt 2004; De Carvalho et al. 2013; Ebeling et al. 2006; Veerapen et al. 2005). Os filtros de microtela são o método mais popular para o controle de sólidos suspensos (Dolan et al. 2013; Fernandes et al. 2015) e são frequentemente usados na indústria para controlar sólidos reguláveis e suspensos com uma única técnica. Outros dispositivos de captura de sólidos populares são filtros de profundidade, como os filtros de talão (Cripps e Bergheim 2000) e filtros rápidos de areia, que também são populares em aplicações de piscinas. Além disso, as diretrizes de projeto para evitar o acúmulo de sólidos em tanques, tubulações, reservatórios e outros componentes do sistema também estão disponíveis na literatura (Davidson e Summerfelt 2004; Lekang 2013; Wong e Piedrahita 2000). Por último, os sólidos finos em RAS são comumente tratados por ozonização, bioclarificação, fracionamento de espuma ou uma combinação dessas técnicas. Os últimos anos no desenvolvimento do RAS concentraram-se em uma maior compreensão de como controlar a fração de sólidos finos e compreender o seu efeito no bem-estar dos peixes e no desempenho do sistema.

   3.2.4 Dióxido de Carbono (COSub2/Sub)

   No RAS, o controle dos gases dissolvidos não pára com o fornecimento de oxigênio aos peixes. Outros gases dissolvidos na água de criação podem afetar o bem-estar dos peixes se não forem controlados. As concentrações elevadas de dióxido de carbono dissolvido (COSub2/sub) na água inibem a difusão de COSub2/sub a partir do sangue de peixes. Nos peixes, o aumento do COSub2/sub no sangue reduz o pH do sangue e, por sua vez, a afinidade da hemoglobina pelo oxigénio (Noga 2010). Altas concentrações de COSub2/sub também foram associadas a nefrocalcinose, granulomas sistêmicos e depósitos calcários em órgãos em salmonídeos (Noga 2010). CoSub2/Sub em RAS se origina como um produto da respiração heterotrófica por peixes e bactérias. Como um gás altamente solúvel, o dióxido de carbono não atinge o equilíbrio atmosférico tão facilmente quanto o oxigênio ou o nitrogênio e, portanto, deve ser colocado em contato com grandes volumes de ar com uma baixa concentração de COSub2/Sub para garantir a transferência para fora da água (Summerfelt 2003). Como regra geral, RAS que são fornecidos com oxigênio puro exigirá alguma forma de remoção de dióxido de carbono, enquanto RAS, que são fornecidos com aeração para suplementação de oxigênio, não exigirá cosub2/subremoção ativa (Eshchar et al. 2003; Loyless e Malone 1998).

   Em teoria, qualquer dispositivo de transferência/aeração de gás aberto para a atmosfera oferecerá alguma forma de decapagem CoSub2/Sub. No entanto, dispositivos especializados de remoção de dióxido de carbono exigem que grandes volumes de ar sejam colocados em contato com a água do processo. Os projetos de stripper CoSub2/Sub têm se concentrado principalmente em dispositivos tipo cascata, como aeradores em cascata, biofiltros de gotejamento e, mais importante, no aerador de coluna embalado (Colt e Bouck 1984; Moran 2010; Summerfelt 2003), que se tornou um equipamento padrão em RAS comerciais operando com oxigênio puro. Embora o desenvolvimento da tecnologia de aeração de colunas embaladas tenha avançado nos últimos anos, a maior parte da pesquisa feita neste dispositivo tem sido focada na compreensão de seu desempenho sob diferentes condições (ou seja, água doce vs água do mar) e variações de design como alturas, tipos de embalagem e taxas de ventilação . Sabe-se que o efeito da taxa de carga hidráulica (fluxo unitário por unidade de área do desgaseificador) tem um efeito sobre a eficiência de um desgaseificador, mas é necessária uma investigação mais aprofundada para ter uma melhor compreensão deste parâmetro de projeto.

   3.2.5 Pressão total do gás (TGP)

   A pressão total do gás (TGP) é definida como a soma das pressões parciais de todos os gases dissolvidos numa solução aquosa. Quanto menos solúvel for um gás, mais “espaço” ocupa na solução aquosa e, portanto, mais pressão exerce nele. Dos principais gases atmosféricos (azoto, oxigénio e dióxido de carbono), o azoto é o menos solúvel (por exemplo, 2,3 vezes menos solúvel do que o oxigénio e mais de 90 vezes menos solúvel do que o dióxido de carbono). Assim, o nitrogênio contribui para a pressão total do gás mais do que qualquer outro gás, mas não é consumido por peixes ou bactérias heterotróficas, por isso se acumulará na água a menos que seja descascado. Também é importante notar que o oxigênio também contribuirá para o alto TGP se o processo de transferência de gás não permitir que os gases em excesso sejam deslocados para fora da solução. Um exemplo clássico disso são lagoas com atividade fotoautotrófica neles. Fotoautotróficos (geralmente organismos vegetais que realizam fotossíntese) liberam oxigênio na água, enquanto uma superfície de água silenciosa pode não fornecer troca de gás suficiente para que o excesso de gás escape para a atmosfera e, portanto, pode ocorrer supersaturação.

   Os peixes requerem pressões totais de gás iguais à pressão atmosférica. Se os peixes respirarem água com uma alta pressão total do gás, o excesso de gás (geralmente nitrogênio) sai da corrente sanguínea e forma bolhas, com efeitos frequentemente graves para a saúde dos peixes (Noga 2010). Na aquicultura, isto é conhecido como doença da bolha de gás.

   Evitar alto TGP requer um exame cuidadoso de todas as áreas do RAS onde a transferência de gás pode ocorrer. A injeção de oxigênio de alta pressão sem gaseificação (permitindo que o excesso de nitrogênio seja deslocado para fora da água) também pode contribuir para um alto TGP. Em sistemas com peixes muito sensíveis ao TGP, a utilização de desgaseadores a vácuo é uma opção (Colt e Bouck 1984). No entanto, manter um RAS livre de áreas de pressurização de gás descontrolada, usando decapadores de dióxido de carbono (que também removerão o nitrogênio) e dosear oxigênio técnico com cuidado, é suficiente para manter o TGP em níveis seguros em RAS comerciais.

   3.2.6 Nitrato

   Nitrato (NoSub3/Sub) é o produto final da nitrificação e comumente o último parâmetro a ser controlado na RAS, devido à sua toxicidade relativamente baixa (Davidson et al. 2014; Schroeder et al. 2011; van Rijn 2013). Isso é principalmente atribuído à sua baixa permeabilidade na membrana branquial de peixe (Camargo e Alonso 2006). A ação tóxica do nitrato é semelhante à do nitrito, afetando a capacidade das moléculas transportadoras de oxigênio. O controle das concentrações de nitratos em RAS tem sido tradicionalmente alcançado por diluição, controlando efetivamente o tempo de retenção hidráulica ou a taxa de câmbio diária. No entanto, o controle biológico de nitratos usando reatores de desnitrificação é uma área crescente de pesquisa e desenvolvimento em RAS.

   A tolerância ao nitrato pode variar consoante as espécies aquáticas e a fase de vida, sendo que a salinidade tem um efeito melhorador sobre a sua toxicidade. É importante que os operadores de RAS compreendam os efeitos crónicos da exposição aos nitratos em vez dos efeitos agudos, uma vez que as concentrações agudas provavelmente não serão atingidas durante a operação normal de RAS.

   3.2.7 Alcalinidade

   A alcalinidade é, em termos gerais, definida como a capacidade de tamponamento de pH da água (Timmons e Ebeling 2010). O controle da alcalinidade em RAS é importante, pois a nitrificação é um processo de formação de ácido que o destrói. Além disso, as bactérias nitrificantes requerem um suprimento constante de alcalinidade. A baixa alcalinidade na RAS resultará em oscilações de pH e mau funcionamento do biofiltro nitrificante (Summerfelt et al. 2015; Colt 2006). A adição de alcalinidade na RAS será determinada pela atividade de nitrificação nos sistemas, que, por sua vez, está relacionada à adição de alimentos, pelo teor de alcalinidade da água de maquiagem (troca diária) e pela presença de atividade de desnitrificação, que restaura a alcalinidade (van Rijn et al. 2006).

3. 3.3 Evolução da RAS

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   Nos últimos anos assistiu-se a um aumento do número e das dimensões das explorações aquícolas em recirculação, especialmente na Europa. Com o aumento da aceitação da tecnologia, melhorias em relação às abordagens tradicionais de engenharia, inovações e novos desafios técnicos continuam surgindo. A seção a seguir descreve as principais tendências de design e engenharia e os novos desafios enfrentados pela tecnologia de aquicultura de recirculação.

   3.3.1 Oxigenação de fluxo principal

   O controle do oxigênio dissolvido na RAS moderna visa aumentar a eficiência da transferência de oxigênio e diminuir as necessidades energéticas deste processo. O aumento da eficiência da transferência de oxigénio pode ser alcançado através da concepção de sistemas que mantêm o oxigénio gasoso em contacto com a água durante mais tempo, ao passo que uma diminuição das necessidades energéticas pode ser alcançada através da utilização de sistemas de transferência de oxigénio de baixa cabeça ou utilizando sistemas que não utilizam electricidade, tais como o oxigénio líquido sistemas conectados a difusores de oxigênio operando apenas por pressão. Um fator definidor dos oxigenadores de cabeça baixa é a concentração dissolvida relativamente baixa que pode ser alcançada em comparação com sistemas de alta pressão. Para superar essa limitação, os dispositivos de oxigenação de cabeça baixa são estrategicamente colocados para tratar o fluxo de recirculação total em vez de usar um bypass menor de água altamente supersaturada, garantindo assim o transporte em massa suficiente de oxigênio. O uso de dispositivos de oxigenação instalados no fluxo principal de recirculação gera economia no consumo de eletricidade, pois é evitado o uso de sistemas de alta pressão com uso intensivo de energia que são necessários para atingir altas concentrações de OD em pequenos fluxos. Os sistemas de oxigenação de cabeça baixa também podem reduzir a quantidade de sistemas de bombeamento necessários, uma vez que os sistemas de oxigenação de alta pressão são comumente colocados em um bypass nas tubulações que vão para os tanques de peixes. Em contraste, os dispositivos de oxigenação de baixa cabeça tendem a ser comparativamente maiores devido à sua necessidade de lidar com fluxos maiores e, portanto, seu custo inicial pode ser maior. Exemplos de dispositivos que podem tratar a totalidade do fluxo incluem o oxigenador de baixa cabeça (LHO) (Wagner et al. 1995), operado pela gravidade como a água é primeiramente bombeada para um biofiltro e uma coluna embalada (Summerfelt et al. 2004), cones de oxigênio de cabeça baixa, variantes do Speece Cone (Ashley et al. 2008; Timmons e Losordo 1994) operado a baixa pressão, os cones de eixo profundo (Kruger Kaldnes, Noruega), também uma variante do cone Speece projetado para atingir pressões operacionais mais altas por meio do aumento da pressão hidrostática resultante da colocação dos dispositivos mais baixos do que os tanques de peixes e os reservatórios de bomba, o oxigenador de tubo U e as suas variantes de concepção, tais como o tubo Farrell ou o sistema de dissolução de oxigénio patenteado (AquaMaof, Israel) e a utilização de oxigenação difusa em tanques de peixes profundos (Fig. 3.5).

   

   Fig. 3.5 Alternativas de transferência de gás para recirculação de água que retorna para os tanques de peixes. Se o recipiente de contato de gás permitir a pressurização, o oxigênio pode ser transferido em altas concentrações em fluxos relativamente pequenos e de alta pressão (a, b). No entanto, o oxigênio em concentrações mais baixas pode ser transferido para o circuito principal de recirculação, mas para isso, o dispositivo de transferência de oxigênio deve ser muito maior para lidar com o fluxo total do sistema (c)

   3.3.2 Alternativas de Biofiltração Nitrificante

   Embora os biofiltros nitrificantes continuem a ser o principal método comercialmente aceito de remoção de amônia em RAS comerciais, novas tecnologias de remoção de nitrogênio foram desenvolvidas nos últimos anos. Algumas dessas tecnologias consideram vias biológicas alternativas para remover amônia da água de cultura, enquanto outras visam substituir ou trabalhar em paralelo com biofiltros nitrificantes, a fim de reduzir as limitações inerentes. Estes incluem grandes tamanhos de reatores, susceptibilidade a falhas, longos tempos de inicialização e pior desempenho em sistemas de água fria e marítimos.

   Processos baseados em Anammox

   Uma via alternativa de remoção de amônia biológica considerada para RAS é o processo anammox (Tal et al. 2006), que ocorre em condições anaeróbias. A oxidação anaeróbica de amônia é um processo que elimina o nitrogênio combinando amônia e nitrito para produzir gás nitrogênio (van Rijn et al. 2006). O processo de anammox é de interesse para a RAS, pois permite a remoção completa do nitrogênio autotrófico, em contraste com as combinações tradicionais de biofiltros nitrificantes com sistemas heterotróficos de desnitrificação que requerem adição de carbono orgânico (van Rijn et al. 2006). Além disso, na via da anammox, apenas metade do amoníaco libertado pelos peixes é oxidado aerobicamente em nitrito (que requer oxigênio), enquanto a outra metade é convertida anaerobicamente em azoto, juntamente com o nitrito produzido. Isso pode proporcionar economias no uso de oxigênio e energia em RAS (van Rijn et al. 2006).

   Protótipos do reator Anammox foram demonstrados com sucesso (Tal et al. 2006, 2009), enquanto se suspeita que a atividade anammox ocorra em sistemas de desnitrificação marinha (Klas et al. 2006). O projeto europeu do 7º PQ, DEAMNRECIRC, também foi bem sucedido na criação de protótipos de reatores anammox para aplicações de aquicultura de água fria e água do mar. No entanto, as aplicações comerciais da tecnologia ainda não foram identificadas pelos autores.

   Remoção Química de Amonia

   Sistemas de remoção de amônia baseados em processos de troca iônica e oxidação eletroquímica estão sendo propostos como alternativas aos biofiltros nitrificantes. Os processos de troca iônica dependem do uso de materiais adsortivos como zeólitos ou resinas iônicas seletivas para extrair amônia dissolvida da água (Lekang 2013), enquanto os processos de oxidação eletroquímica convertem amônia em gás nitrogênio através de uma série de reações complexas de oxidação (Lahav et al. 2015). Em comparação, os processos de troca iônica são adequados para águas com baixas concentrações de íons (ou seja, água doce), enquanto os processos de oxidação eletroquímica aproveitam os íons cloreto presentes na água para produzir espécies ativas de cloro que reagem prontamente com amônia (Lahav et al. 2015) e, portanto, são Adequado para águas com concentrações mais elevadas de iões cloreto (isto é, águas salobra e marinhas).

   Embora os processos de troca iónica não sejam novos, a sua aplicação no RAS tem sido limitada pela sua capacidade de manter o desempenho ao longo do tempo: o material filtrante eventualmente torna-se 'saturado', perdendo a sua capacidade de adsorção e, portanto, deve ser regenerado. Gendel e Lahav (2013), propuseram uma nova abordagem para um processo de amônia baseado em troca iônica em conjunto com um processo inovador de regeneração adsorvente usando oxidação eletroquímica. A oxidação eletroquímica da amônia é um processo que tem recebido maior atenção nos últimos anos, e vários conceitos foram investigados e foram lançados comercialmente, por exemplo, ELOXIRAs em Espanha.

   Os fatores que limitam a aplicação dessas tecnologias em RAS comerciais incluem, no caso de processos de troca iônica, desempenho econômico fraco, dificuldade em regenerar grandes quantidades de materiais adsorventes sob demanda (Lekang 2013), complexidade do sistema que requer a adição de reagentes químicos, alta consumo de eletricidade e um alto grau de remoção de sólidos suspensos (Lahav et al. 2015), o que muitas vezes é impraticável em RAS de grande escala. No caso dos processos de eletrooxidação de amônia, a produção de espécies reativas tóxicas que requerem remoção ativa é sua limitação mais importante, embora sua alta exigência de controle de sólidos, muitas vezes possível somente com filtros mecânicos pressurizados, também seja um desafio em RAS operando com grandes escoamentos e baixa pressão.

   3.3.3 Controle de sólidos finos

   Os sólidos finos são a fração de sólidos dominantes em RAS com partículas\ 30 μm formando mais de 90% do total de sólidos suspensos na água de cultura. Investigações recentes descobriram que mais de 94% dos sólidos presentes na água de cultura de uma RAS são\ <20 μm de tamanho ou “finos” (Fernandes et al. 2015). O acúmulo de sólidos finos ocorre principalmente à medida que sólidos maiores ignoram os filtros mecânicos (que não são 100% eficientes) e são eventualmente quebrados por bombas, fricção com superfícies e atividade bacteriana. Uma vez que os tamanhos de sólidos são reduzidos, as técnicas tradicionais de filtração mecânica são tornadas inúteis.

   Nos últimos anos, a produção, o controle, os efeitos sobre o bem-estar dos peixes e os efeitos de desempenho do sistema de sólidos finos continuam a ser explorados. Os efeitos dos sólidos finos sobre o bem-estar dos peixes foram inicialmente investigados através de pesquisas pesqueiras (Chen et al. 1994). No entanto, os efeitos diretos de sólidos finos na RAS sobre o bem-estar dos peixes não foram minuciosamente investigados até recentemente. Surpreendentemente, trabalhos separados sobre truta arco-íris de Becke et al. (2016) e Fernandes et al. (2015) não mostraram efeitos negativos sobre o bem-estar em sistemas com concentrações de sólidos suspensos de até 30 mg/l em ensaios de exposição com duração de 4 e 6 semanas, respectivamente. Apesar desses achados, os efeitos indiretos do acúmulo de sólidos finos na RAS são conhecidos (Pedersen et al. 2017) e estão relacionados principalmente à proliferação de microrganismos oportunistas (Vadstein et al. 2004; Attramadal et al. 2014; Pedersen et al. 2017), uma vez que os sólidos finos fornecem uma superfície elevada substrato de área para a colonização das bactérias. Outro efeito negativo importante do acúmulo de sólidos finos é o aumento da turbidez, o que dificulta a inspeção visual de peixes e pode dificultar estratégias de controle de fotoperíodo que exigem penetração de luz na coluna de água. As estratégias de controle de sólidos finos utilizadas na RAS moderna incluem ozonização, desnatação de proteínas, flutuação, filtração de cartuchos e filtração por membrana (Couturier et al. 2009; Cripps and Bergheim 2000; Summerfelt and Hochheimer 1997; Wold et al. 2014). Os skimmers de proteínas, também conhecidos como fracionadores de espuma, também são dispositivos de controle de sólidos finos relativamente populares, especialmente em sistemas marinhos (Badiola et al. 2012).

   3.3.4 Ozonação

   O conhecimento da aplicação do ozono (O<sub3/sub) na RAS existe desde as décadas de 1970 e 1980 (Summerfelt e Hochheimer 1997). No entanto, sua aplicação não tem sido tão difundida quanto outros processos, como biofiltros nitrificantes ou filtros mecânicos (Badiola et al. 2012). Além do tratamento de sólidos finos, o ozônio, como um poderoso oxidante, pode ser usado em RAS para eliminar microorganismos, nitritos e substâncias húmicas (Gonçalves e Gagnon 2011). Nos últimos anos, houve um aumento no conhecimento sobre os potenciais e limitações do ozônio aplicado tanto em águas doces quanto em águas marinhas. Importante, as doses de ozônio que podem ser alcançadas com segurança para melhorar a qualidade da água em sistemas de água doce e de água do mar foram confirmadas em diversas publicações (Li et al. 2015; Park et al. 2013, 2015; Schroeder et al. 2011; Summerfelt 2003; Timmons e Ebeling 2010), com a conclusão de que doses de ozônio acima dos limites recomendados (1) não melhoram ainda mais a qualidade da água e (2) podem causar efeitos negativos sobre o bem-estar, especialmente em sistemas de água do mar onde a ozonização excessiva causará a formação de oxidantes residuais tóxicos. Em RAS de água fria, foram determinados requisitos de ozonização para alcançar a desinfecção completa do fluxo do processo (Summerfelt et al. 2009).

   A ozonização melhora o desempenho do filtro microscreen e minimiza o acúmulo de matéria dissolvida que afeta a cor da água (Summerfelt et al. 2009).

   No entanto, a ozonização excessiva pode afetar gravemente os peixes de viveiro, causando efeitos adversos, incluindo danos teciduais histopatológicos (Richardson et al. 1983; Reiser et al. 2010) e alterações no comportamento alimentar (Reiser et al. 2010), bem como o estresse oxidativo (Ritola et al. 2000, 2002; Livingstone 2003). Além disso, os subprodutos de ozonização podem ser prejudiciais. Bromato é um destes e é potencialmente tóxico. Tango e Gagnon (2003) mostraram que as RAS marinhas ozonadas possuem concentrações de bromato que são susceptíveis de prejudicar a saúde dos peixes. A toxicidade crônica e subletal de oxidantes produzidos por ozônio (OPO) foi investigada em pregado juvenil por Reiser et al. (2011), enquanto a saúde e o bem-estar das trutas arco-íris foram avaliados em RAS ozonizadas e não ozonizadas por Good et al. (2011). A elevação da truta arco-íris para o tamanho do mercado na RAS ozonizada melhorou o desempenho dos peixes sem afetar significativamente a sua saúde e bem-estar, enquanto altas doses de OPO afetam o bem-estar do pregado juvenil.

   3.3.5 Desnitrificação

   Na maioria dos sistemas de aquicultura de recirculação, o nitrato, o produto final da nitrificação, tende a se acumular. Essa acumulação é comumente controlada por diluição (introdução de água nova no sistema). O controle do nitrato por diluição pode ser um fator limitante para uma operação RAS devido a regulamentações ambientais, baixa disponibilidade de água nova, o custo de tratamento dos fluxos de água de entrada e efluentes ou os custos associados ao resfriamento ou aquecimento da nova água.

   A remoção biológica de nitrato em RAS pode ser obtida por bactérias anaeróbias facultativas utilizando uma via dissimilatória para converter nitrato em azoto gás na presença de carbono e nitrato como dadores de electrões (van Rijn et al. 2006). Os reatores de desnitrificação são, portanto, reatores biológicos que são tipicamente operados em condições anaeróbias e geralmente dosados com algum tipo de fonte de carbono, como etanol, metanol, glicose, melaço, etc. A tecnologia de desnitrificação está em desenvolvimento desde a década de 1990 (van Rijn e Riviera 1990), mas sua popularidade entre a indústria aquícola recirculante só aumentou nos últimos anos, oferecendo soluções inovadoras para reatores de desnitrificação.

   Uma das aplicações mais notáveis dos sistemas de desnitrificação na aquicultura é a RAS “troca zero” (Yogev et al. 2016), que emprega a digestão anaeróbica de biosólidos produzidos no sistema para produzir ácidos graxos voláteis (VFA) que são então utilizados pelos desnitrificadores como fonte de carbono. Klas at al. (2006) desenvolveu um sistema de desnitrificação “singlesludge”, onde a produção de VFA a partir de biosólidos e a desnitrificação ocorrem num único reactor misto. Suhr et al. (2014) desenvolveram ainda mais o conceito de singlesludge, adaptando-o para o tratamento final de tubulação de efluentes de piscicultura e acrescentando uma etapa extra que separa a produção de VFA do reator de desnitrificação em um tanque de hidrólise. Estes trabalhos forneceram informações valiosas sobre as possibilidades de utilização de biosólidos aquícolas em vez de fontes de carbono inorgânico dispendiosas para a desnitrificação. Além disso, Christianson et al. (2015) estudaram a efetividade de reatores autotróficos de desnitrificação à base de enxofre como alternativa aos reatores heterotróficos convencionais de desnitrificação. Os reatores autotróficos produzem menos biomassa (sólidos) e podem ser fornecidos com partículas de enxofre, que são mais baratas do que as fontes de carbono inorgânico convencionais.

   Os VFAs são também o componente precursor na produção de biopolímeros como os polihidroalcalanoatos (PHAs), utilizados na produção de plásticos biodegradáveis (Pittmann e Steinmetz 2013). Tal poderá constituir um potencial para que as explorações piscícolas que utilizam processos de lamas activadas anaeróbias façam parte do conceito de “biorrefinaria” aplicado às estações de tratamento de águas residuais.

   3.3.6 Controle microbiano

   As comunidades microbianas são constituintes importantes do ecossistema aquático. Nos sistemas de produção aquícola, eles desempenham papel significativo na reciclagem de nutrientes, degradação da matéria orgânica e tratamento e controle da doença (Zeng et al. 2017). O desenvolvimento de RAS eficientes, produtivas, biologicamente seguras e livres de doenças requer uma compreensão completa de todos os processos de suporte de vida, desde físicos e químicos (transferência de gás, tratamento térmico, ozonização, irradiação UV, ajustes de pH e salinidade) até processos biológicos (nitrificação, desnitrificação e atividade heterotrófica aeróbica). Embora os processos físicos e químicos possam ser controlados, os sistemas de filtração biológica dependem da interação das comunidades microbianas entre si e com seu meio ambiente como consequência da entrada de nutrientes (saída de resíduos de peixe) e, como tal, não são tão facilmente controlados (Schreier et al. 2010). Estudos recentes que utilizam ferramentas moleculares não só permitiram avaliar a diversidade microbiana na RAS, mas também forneceram algumas informações sobre suas atividades que deveriam levar a uma melhor compreensão das interações microbianas da comunidade. Essas abordagens são certas para fornecer novos arranjos de processo RAS, bem como insights sobre novos processos e ferramentas para aprimorar e monitorar esses sistemas (Schreier et al. 2010). A compreensão atual da diversidade microbiana de biofiltros RAS em sistemas de água doce e marinhos baseia-se em estudos que utilizam RRNA 16S e sondas funcionais específicas de genes ou bibliotecas de genes 16S rRNA, em vez de técnicas baseadas em cultura (Tabela 3.1).

   Insights sobre a dinâmica temporal e espacial da microbiota na RAS também são limitados (Schreier et al. 2010), e faltam soluções potenciais para manter ou restaurar comunidades microbianas benéficas na RAS (Rurangwa e Verdegem 2015). Além de uma comunidade microbiana que purifica a água, a microbiota na RAS também pode abrigar patógenos ou produzir compostos causadores de sabor (Guttman e van Rijn 2008). Dada a dificuldade de tratar a doença durante a operação sem afetar negativamente a microbiota benéfica, o manejo microbiano na SRA é mais uma necessidade desde o início até todo o processo produtivo. Os microrganismos são introduzidos na RAS através de diferentes vias: água de maquilhagem, ar, vetores animais, ração, estoque de peixe, equipamento sujo e através de pessoal ou visitantes (Sharrer et al. 2005; Blancheton et al. 2013). Micróbios específicos também podem, por outro lado, ser aplicados intencionalmente para orientar a colonização microbiana para melhorar o desempenho do sistema ou a saúde animal (Rurangwa e Verdegem 2015).

   Tabela 3.1 Actividades primárias associadas a unidades de biofiltração RAS e microrganismos participantes. (De Schreier et al. 2010)

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” Thprocesso/th Ameação/th th COLSPAN="2"Microorganismo/th /tr tr td/td td/td TDÁgua Fresha/TD TDMARINE/TD /tr /cabeçote tbody tr class="mesmo” TDNITrificação/TD td/td td/td td/td /tr tr class="ímpar” Oxidação de tdamónio td NhSub4/Subsup+/Sup + 1.5oSub2/Sub → νOsub2/Sub + 2HSUP+/SUP + HSub2/Subo /td Tdinitrosomonas oligotrofa/i/td TDinitrosoMonas sp. /i/td /tr tr class="mesmo” td/td td/td td/td Tdinitrosomonas criotolerante/i/td /tr tr class="ímpar” td/td td/td td/td Tdinitrosomonas europaea/i/td /tr tr class="mesmo” td/td td/td td/td Tdinitrosomonas cinnybus/ nitrosa/i/td /tr tr class="ímpar” td/td td/td td/td Tdinitrosococcus mobilis/i/td /tr tr class="mesmo” oxidação/tdnitrito td νO2SUP-/Sup + H2O → No3SUP-/Sup + 2HSUP+/Sup + 2esup -/sup

   /td Tdinitrospira spp. /i/td td/td /tr tr class="ímpar” td/td td/td Tdinitrospira marina/isupa/sup/td Tdinitrospira marina/isupa/sup/td /tr tr class="mesmo” td/td td/td Tdinitrospira moscoviensis/isupa/sup/td Tdinitrospira moscoviensis/isupa/sup/td /tr tr class="ímpar” TDDenitrificação/TD td/td td/td td/td /tr tr class="mesmo” TDAUTOTROFIC/TD td Ssub2/Subsup-/Sup + 1.6nOsub3/Subsup-/Sup + 1.6Hsup +/sup

   → /td td/td TDIthiomicrosporia denitrificans/i/td /tr tr class="ímpar” td (dependente de sulfureto) /td td SOSub4/SubSUP2-/SUP + 0,8NSub2/Sub (g) + 0,8Hsub2/Subo /td td/td Tdithiothrix disciformis/isupa/sup/td /tr tr class="mesmo” td/td td/td td/td TdirhodoBacter litoralis/isupa/sup/td /tr tr class="ímpar” td/td td/td td/td TDIHydrogenophaga sp. /i/td /tr tr class="mesmo” TDheterotrófico/TD td 5ChSub3/Subcoosup-/Sup + 8nOsub3/Subsup-/Sup + 3Hsup +/sup

   → /td td/td TdiPseudomonas fluorescens/i/td /tr tr class="ímpar” td/td td 10HCOSub3/Subsup-/SUP + 4NSub2/Sub (g) + 4HSub2/Subo /td TDIPseudomonas sp. /i/td TDIPseudomonas stutzeri/i/td /tr tr class="mesmo” td/td td/td TDICOMONAS sp. /i/td TDIPseudomonas sp. /i/td /tr tr class="ímpar” td/td td/td td/td TdiparaCoco denitrificans/i/td /tr tr class="mesmo” TDdissimilatório/td nitrato td Nosub3/Subsup-/Sup + 2HSUP+/Sup + 4HSub2/Sub → NhSub4/Subsup+/Sup + 3Hsub2/Subo /td td/td TDIVarious Proteobactérias e Firmicutes/I/TD /tr tr class="ímpar” TdRedução para amônia (DNRA) /td td/td td/td td/td /tr tr class="mesmo” TdanAeróbio de amónio/td td NhSub4/Subsup+/Sup + Nosub2/Subsup-/Sup → NSub2/sub (g) + 2Hsub2/Subo /td td/td TDIPLANCTOMyCetes spp. /i/td /tr tr class="ímpar” tdoxidação (Anammox) /td td/td td/td TDiBrocadia sp. /isupa/sup/td /tr tr class="mesmo” Redução/td de TDsulfato td SO4SUP2-/SUP + CHSUB3/Subcoosup-/Sup + 3HSUP+/Sup → /td td/td TDIdeSulfoVibrio sp. , /i/td /tr tr class="ímpar” td/td TDHSSUP-/SUP + 2HCOSub3/Subsup-/Sup + 3HSUP+/SUP/td td/td TdidethiosulfoVibrio sp. , /i/td /tr tr class="mesmo” td/td td/td td/td Tdifusibacter/i sp., IBacteroides sp. /i/td /tr tr class="ímpar” Oxidação de sulfureto de td/td td HSSUP-/SUP + 2OSub2/Sub → SOSub4/SubSUP2-/SUP + HSUP+/Sup /td td/td TdithiomicRospira sp. /i/td /tr tr class="mesmo” TDmetanogenese/TD td 4Hsub2/sub + HSUP+/Sup + HCOSub3/Subsup-/Sup → CHSub4/sub (g) + 3Hsub2/Subo /td td/td TDmetanogênico Archaea [Mirzoyan e bruto, inédito] /td /tr /tbody /tabela

   SUPA/SUMicrorganismos identificados unicamente com base em sequências parciais do gene 16S rRNA ou genes funcionais

   Uma das abordagens para inibir a colonização de patógenos é o uso de bactérias probióticas que podem competir por nutrientes, produzir inibidores de crescimento ou extinguir a comunicação célula-célula (quórum sensing) que permite a sedimentação dentro de biofilmes (Defoirdt et al. 2007, 2008; Kesarcodi-Watson et al. 2008). As bactérias probióticas incluem Bacillus, Pseudomonas (Kesarcodi-Watson et al. 2008) e Roseobacter spp. (Bruhn et al. 2005), e bactérias relacionadas a estas também foram identificadas em biofiltros RAS (Schreier et al. 2010) (Tabela 3.1). Para obter as informações necessárias para o manejo da estabilidade microbiana na RAS, Rojas-Tirado et al. (2017) identificaram os fatores que afetam as mudanças na dinâmica bacteriana em termos de abundância e atividade. Seus estudos mostram que a atividade bacteriana não foi um parâmetro previsível direto na fase hídrica, uma vez que os níveis de nitrato-N em RAS idênticos mostraram alterações/flutuações repentinas inesperadas dentro de um dos sistemas. Partículas suspensas em RAS fornecem área de superfície que pode ser colonizada por bactérias. Mais partículas se acumulam à medida que a intensidade da recirculação aumenta, aumentando potencialmente a capacidade de carga bacteriana dos sistemas. Pedersen et al. (2017) exploraram a relação entre área de superfície de partículas total (TSA) e atividade bacteriana em RAS de água doce. Eles indicaram uma correlação linear forte, positiva e linear entre TSA e atividade bacteriana em todos os sistemas com intensidade de recirculação baixa a moderada. No entanto, a relação aparentemente deixou de existir nos sistemas com maior intensidade de recirculação. Isto é provavelmente devido ao acúmulo de nutrientes dissolvidos que sustentam populações bacterianas de vida livre e/ou acumulação de coloides suspensos e partículas finas com menos de 5 μm de diâmetro, que não foram caracterizadas em seu estudo, mas podem fornecer uma área superficial significativa.

   Na RAS, vários compostos químicos (principalmente nitratos e carbono orgânico) se acumulam na água de criação. Esses substratos químicos regulam a ecofisiologia das comunidades bacterianas no biofiltro e têm impacto na eficiência e confiabilidade da nitrificação. Michaud et al. (2014) investigaram a mudança da estrutura da comunidade bacteriana e a abundância relativa dos grandes táxons em dois filtros biológicos diferentes e concluíram que a dinâmica e a flexibilidade da comunidade bacteriana para se adaptar às mudanças hídricas influentes pareciam estar ligadas ao desempenho do biofiltro. Um dos aspectos fundamentais para melhorar a confiabilidade e sustentabilidade da RAS é o manejo adequado das populações bacterianas de biofiltro, que está diretamente ligado à disponibilidade de C (carbono) (Avnimelech 1999). Deve-se notar que a RAS possui propriedades que podem realmente contribuir para a estabilização microbiana, incluindo um longo tempo de retenção de água e uma grande área superficial de biofiltros para o crescimento bacteriano, o que poderia potencialmente limitar as chances de proliferação de micróbios oportunistas na água de criação ( Attramadal et al. 2012a).

   Attramadal et al. (2012a) compararam o desenvolvimento da comunidade microbiana em uma RAS com ozonação moderada (até 350 mV) com o de um sistema de fluxo convencional (FTS) para o mesmo grupo de bacalhau do Atlântico, Gadus morhua. Eles encontraram menor variabilidade na composição bacteriana entre tanques de peixes replicados do RAS do que entre tanques do FTS. A RAS possuía uma estrutura comunitária mais uniforme, com maior diversidade de espécies e periodicamente menor fração de oportunistas. Os peixes em RAS tiveram um desempenho melhor do que seu controle no FTS, apesar de estarem expostos a uma qualidade físico-química aparente inferior da água. Ao pesquisar os efeitos da ozonização moderada ou irradiação UV de alta intensidade sobre o ambiente microbiano em RAS para larvas de peixes marinhos, Attramadal et al. (2012b) enfatizaram que uma RAS para essas larvas provavelmente não deve incluir uma desinfecção forte porque leva a uma redução no número de bactérias, que provavelmente resultará em uma desestabilização da comunidade microbiana. Além disso, seus resultados sustentam a hipótese de RAS como estratégia de controle microbiano durante a primeira alimentação de larvas de peixes.

   A RAS e a maturação microbiana como ferramentas para a seleção K de comunidades microbianas foram objeto do estudo de Attramadal et al. (2014), no qual eles hipotetizaram que as larvas de peixes que são criadas em água dominada por K-estrategistas (comunidades microbianas maduras) terão melhor desempenho, por serem menos prováveis para encontrar micróbios oportunistas (R-selecionados) e desenvolver interações host-micróbio prejudiciais. Os resultados do seu experimento mostraram um alto potencial para aumentar a sobrevivência dos peixes usando a seleção K de bactérias, que é um método barato e fácil que pode ser usado em todos os tipos de sistemas de aquicultura novos ou existentes. Pequenas mudanças no manejo (carga orgânica e maturação da água) do tratamento da água dão microbiota significativamente diferente em tanques de peixes (Attramadal et al. 2016). Por outro lado, as substâncias húmicas (HS) são compostos orgânicos naturais, compreendendo uma ampla gama de polímeros pigmentados de alto peso orgânico. São produtos finais na degradação de compostos orgânicos complexos e, quando abundantes, produzem uma cor típica marrom a acastanhada do solo e da água (Stevenson 1994). Em um sistema de aquicultura de descarga zero, substâncias semelhantes a HS foram detectadas na água de cultura, bem como no sangue de peixe (Yamin et al. 2017a). Foi relatado um efeito protetor da SH em peixes expostos a metais tóxicos (Peuranen et al. 1994; Hammock et al. 2003) e concentrações tóxicas de amoníaco e nitrito (Meinelt et al. 2010). Além disso, foram apresentadas provas do seu efeito fungistático contra o patógeno dos peixes, Saprolengia parasitica (Meinelt et al. 2007). Na carpa comum (Cyprinus carpio) exposta a (a) água rica em húmico e lodo proveniente de um sistema recirculante, (b) ácido húmico sintético e (c) extrato rico em húmico derivado de Leonardite, as taxas de infecção foram reduzidas para 14,9%, 17,0% e 18,8%, respectivamente, em comparação com uma taxa de infecção de 46,8% no controle tratamento (Yamin et al. 2017b). Da mesma forma, a exposição de peixes guppy (Poecilia reticulata), infectados com a monogenea Gyrodactylus turnbulli e Dactylogyrus sp. à água de cultura rica em húmus, reduziu tanto a prevalência de infecção (% de peixes infectados) quanto a intensidade de infecção (parasitas por peixe) dos dois parasitas (Yamin et al. 2017c).

   Acredita-se que a pesquisa fundamental na área da ecologia microbiana dos sistemas de reatores de nitrificação/desnitrificação em RAS pode fornecer inovações que podem alterar e/ou melhorar drasticamente o desempenho do reator em RAS. Até agora, a comunidade microbiana em reatores ainda é difícil de controlar (Leonard et al. 2000, 2002; Michaud et al. 2006, 2009; Schreier et al. 2010; Rojas-Tirado et al. 2017) e muitas das ineficiências do sistema se originam disso (Martins et al. 2010b).

   3.3.7 Eficiência energética

   A viabilidade económica da produção de peixe num sistema aquícola de recirculação depende, em parte, da minimização das necessidades energéticas da exploração dessas instalações. As RAS exigem uma infra-estrutura técnica mais elevada do que os sistemas abertos, pelo que os custos de energia na RAS já foram classificados como importantes restrições que podem impedir esta tecnologia de aplicação generalizada (Singh e Marsh 1996). De todos os custos associados ao uso de eletricidade em RAS, a ventilação e o resfriamento de água são geralmente os mais importantes. No RAS interno, a ventilação do edifício é importante para controlar os níveis de umidade e dióxido de carbono. O mau controle de umidade pode resultar em uma rápida deterioração das estruturas de construção, enquanto o acúmulo de dióxido de carbono atmosférico afetará os processos de remoção de dióxido de carbono operando no RAS e causará tonturas nos trabalhadores. Para manter uma atmosfera aceitável dentro das instalações, as instalações de ventilação ou ar condicionado estão amplamente em operação (Gehlert et al. 2018). Estes sistemas de ventilação podem estar equipados com medidas destinadas a reduzir a utilização de energia. Além disso, a fim de desenvolver uma RAS ambientalmente sustentável, a energia pode ser assumida como um parâmetro fundamental de condução e, em particular, a energia pode ser considerada um indicador importante. A análise do desempenho energético da RAS tem sido realizada por Kucuk et al. (2010) para contribuir para a gestão energética na RAS. Para melhorar o desempenho energético do RAS, eles recomendaram que as condições operacionais dos componentes, particularmente, as bombas deveriam ser otimizadas e melhoradas com base na capacidade de produção de peixe do sistema.

   Para aumentar a eficiência, os gerentes de RAS precisam de diretrizes e ferramentas para otimizar a produção. As auditorias energéticas podem fornecer dados reais que podem ser utilizados para a tomada de decisões. Badiola et al. (2014) investigaram o consumo total de energia (kWh) de um sistema de bacalhau RAS continuamente por 14 meses e identificaram a bomba de calor como um dos principais consumidores de energia na criação de peixes que necessitam de tratamento térmico de alta água. Gehlert et al. (2018) concluíram que as unidades de ventilação ofereceram um potencial significativo de economia de energia na RAS. Na maioria das vezes, quando os parâmetros climáticos na instalação permanecem dentro de uma faixa desejada, as taxas de fluxo de ar podem ser mantidas em níveis baixos para economizar energia. Além disso, as medidas de economia de energia no RAS podem incluir: software com dados de desempenho energético, fontes alternativas de energia para aquecer a água e o uso de conversores de frequência (Badiola et al. 2014).

4. 3.4 Questões de bem-estar dos animais

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   3.4.1 Introdução

   Durante a última década, o bem-estar dos peixes tem atraído muita atenção, o que levou a indústria da aquicultura a incorporar uma série de práticas pecuárias e tecnologias especificamente desenvolvidas para melhorar este aspecto. O neocórtex, que nos seres humanos é uma parte importante do mecanismo neural que gera a experiência subjetiva do sofrimento, é carente de peixes e animais não mamíferos, e tem sido argumentado que sua ausência em peixes indica que o peixe não pode sofrer. Uma forte visão alternativa, no entanto, é que animais complexos com comportamentos sofisticados, como peixes, provavelmente têm a capacidade de sofrer, embora isso possa ser diferente em grau e espécie da experiência humana deste estado (Huntingford et al. 2006).

   O Comitê de Bem-Estar Animal e Farm (FAWC) do governo do Reino Unido baseou suas diretrizes no quadro “Cinco Liberdades”, que define estados ideais em vez de níveis específicos de bem-estar aceitável (FAWC 2014). A liberdade da fome e da sede, o desconforto, a dor, as lesões, as doenças, o medo e a angústia, bem como a liberdade de expressar um comportamento normal, proporciona-nos um quadro definido para avaliar as questões de bem-estar. A saúde física é a medida mais universalmente aceita de bem-estar e é, sem dúvida, um requisito necessário para um bom bem-estar. Em uma indústria competitiva, em expansão e emergente, os aquicultores que incorporam considerações de bem-estar em suas práticas diárias de pecuária podem ganhar vantagem competitiva e prêmio de preço agregado (Olesen et al. 2010) através de uma melhor percepção do consumidor e confiança em seus produtos. Grimsrud et al. (2013) apresentaram provas de que existe uma elevada disponibilidade para pagar, entre todos os agregados familiares noruegueses, para melhorar o bem-estar do salmão do Atlântico de viveiro através de uma maior resistência a doenças e piolhos de salmão, o que pode implicar uma menor utilização de medicamentos e produtos químicos no processo de produção.

   No RAS intensivo, o bem-estar animal está intimamente ligado ao desempenho dos sistemas. Nos últimos anos, o bem-estar animal na RAS tem sido estudado principalmente a partir da perspectiva da qualidade da água e dos efeitos da aglomeração de peixes sobre o desempenho do crescimento, bioindicadores de estresse ou o desenvolvimento de transtornos de saúde. O principal objetivo da pesquisa de bem-estar animal na RAS tem sido construir e operar sistemas que maximizem a produtividade e minimizem o estresse e a mortalidade. Os temas de interesse têm sido o estocamento de limites de densidade (Calabrese et al. 2017), os limites de concentração de compostos nitrogenados na água de criação (Davidson et al. 2014), os limites de concentração para dióxido de carbono dissolvido (Good et al. 2018), os efeitos da ozonação (Good et al. 2011; Reiser et al. 2011) e a um em menor grau, a acumulação de compostos recalcitrantes na RAS (van Rijn e Nussinovitch 1997) com trocas hídricas limitadas e ruído (Martins et al. 2012; Davidson et al. 2017).

   

   Fig. 3.6 Os estressores físicos, químicos e outros podem afetar os peixes e causar respostas primárias, secundárias e/ou de corpo inteiro. (Depois de Barton 2002)

   3.4.2 Estresse

   A resposta ao estresse em peixes é uma função adaptativa diante de uma ameaça percebida à homeostase e a fisiologia do estresse não equivale necessariamente ao sofrimento e à diminuição do bem-estar (Ashley 2007) (Fig. 3.6). As respostas ao estresse servem uma função muito importante para preservar o indivíduo. As medidas de bem-estar na aquicultura estão, portanto, em grande parte associadas aos efeitos terciários da resposta ao stress que são geralmente indicativos de stress prolongado, repetido ou inevitável (Conte 2004).

   A densidade do estoque é um fator fundamental que afeta o bem-estar dos peixes na indústria da aquicultura, especialmente RAS, onde altas densidades em ambientes confinados visam alta produtividade. Embora raramente definida, a densidade populacional é o termo normalmente utilizado para se referir ao peso de peixes por unidade de volume ou por unidade de volume em unidade de tempo de fluxo de água através do ambiente de exploração (Ellis et al. 2001). O conceito de espaço mínimo para um peixe é mais complexo do que para espécies terrestres, uma vez que os peixes utilizam um meio tridimensional (Conte 2004).

   Além de atender às necessidades fisiológicas, a FAWC (2014) recomenda que os peixes “precisem de espaço suficiente para mostrar o comportamento mais normal com dor, estresse e medo mínimos”. A densidade populacional é, portanto, uma área que ilustra tanto a importância das diferenças de espécies como a existência de uma complexa rede de fatores interagindo que afetam o bem-estar dos peixes. Calabrese et al. (2017) pesquisaram limites de densidade de estoque para salmão do Atlântico pós-fumado (Salmosalar L.), com ênfase no desempenho produtivo e no bem-estar em que foram observados danos e cataratas em densidades de 100 kg msup-3/sup e superiores. No entanto, o efeito da densidade populacional nas medidas de bem-estar varia entre as espécies. Por exemplo, o robalo (Dicentrarchus labrax) apresentou níveis de estresse mais elevados em altas densidades, como indicado pelo cortisol, resposta imune inata e expressão de genes relacionados ao estresse (Vazzana et al. 2002; Gornati et al. 2004). As altas densidades de estocagem em dourado juvenil (S. aurata) também produzem uma situação de estresse crônico, refletida por altos níveis de cortisol, imunossupressão e metabolismo alterado (Montero et al. 1999). Em contraste, o charr ártico (Salvelinus alpinus) se alimenta e cresce bem quando abastecido em altas densidades, apresentando uma ingestão alimentar deprimida e taxas de crescimento em baixas densidades (Jorgensen et al. 1993).

   A dieta também pode desempenhar um papel importante na sensibilidade ao estresse. O bagre africano (Clarias gariepinus) que recebeu uma dieta com uma elevada suplementação de ácido ascórbico (vitamina C) durante o desenvolvimento precoce mostrou uma menor sensibilidade ao estresse (Merchie et al. 1997). Por outro lado, a carpa comum (Cyprinus carpio), alimentada com grandes doses de vitamina C, mostrou um aumento mais pronunciado do cortisol (hormônio esteróide liberado com estresse) em resposta ao estresse quando comparado aos peixes alimentados com os níveis recomendados da vitamina (Dabrowska et al. 1991). Tort et al. (2004) mostraram que uma dieta modificada que fornece uma dosagem suplementar de vitaminas e oligominerais para auxiliar o sistema imunológico pode ajudar a co-reduzir alguns dos efeitos da síndrome da doença do inverno. Outras doenças comuns da aquicultura relativas ao bem-estar animal e ao stress são revistas em Ashley (2007).

   3.4.3 Acumulação de Substâncias na Água de Processo

   As RAS intensivas e “descarga zero” oferecem vantagens ambientais significativas. No entanto, a cultura de peixes em água continuamente reciclada levanta a questão de saber se as substâncias libertadas pelos peixes para a água podem se acumular, resultando em taxas de crescimento diminuídas e prejudicando o bem-estar. A existência de retardo de crescimento em tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus) comparando o crescimento, comportamento alimentar e resposta ao estresse de peixes cultivados na RAS com diferentes níveis de substâncias acumuladas (TAN, NoSub2/sub-N e Nosub3/sub-N, Ortofosfate-P) foi investigada por Martins et al. (2010a) . Os resultados mostraram que os indivíduos grandes apresentaram tendência para retardo de crescimento na maior acumulação de RAS, enquanto indivíduos pequenos, ao contrário, parecem crescer melhor nesses sistemas com base em altos níveis de glicose no sangue como indicador de estresse. Estudo semelhante feito pelo mesmo autor sobre embriões e larvas de carpa (Martins et al. 2011) encontrou resultados que sugerem que a concentração de substâncias (ortofosfato P, nitrato, arsênico e cobre) poderia afetar o desenvolvimento. Apesar desses achados, os autores afirmam que, em geral, o percentual de mortalidade e deformidades registradas no estudo foi relativamente baixo em comparação com outros estudos. Em ambos os estudos, os autores utilizaram sistemas com taxas de câmbio de água muito limitadas com o auxílio de reatores de desnitrificação (30 litros de água nova por Kg de ração por dia). Da mesma forma, o acúmulo de hormônios em salmonídeos de água fria tem sido estudado por Good et al. 2014, 2017). Sua pesquisa em 2014 não encontrou nenhuma relação entre taxa de câmbio de água e acumulação de hormônio (exceto testosterona) nem uma ligação entre acumulação hormonal e maturação precoce no salmão atlântico, mas foi sugerido um estudo mais aprofundado. Seu estudo em 2017 centrou-se no uso da ozonação para a redução de hormônios na mesma RAS, com resultados inconclusivos quanto ao acúmulo de hormônio esteróide, mas com redução positiva do estradiol pelo ozônio.

   Por outro lado, o acúmulo de substâncias húmicas na RAS “troca zero” demonstrou ter um efeito protetor contra infecções bacterianas (Yamin et al. 2017a) e ectoparasitas (Yamin et al. 2017b). Os ácidos húmicos também demonstraram reduzir a toxicidade do amoníaco e do nitrito (Meinelt et al. 2010). Isto tem implicações para as RAS operadas com ozonização, uma vez que o ozono pode melhorar a qualidade da água, ao mesmo tempo que sacrifica os efeitos aparentemente benéficos das substâncias húmicas.

   3.4.4 Saúde e Comportamento

   As características fundamentais do bom bem-estar são a boa saúde e a ausência de doenças e, no que diz respeito à aquicultura, a boa produtividade (Turnbull e Kadri 2007; Volpato et al. 2007). Embora a saúde física de um animal seja fundamental para um bom bem-estar (Ashley 2007; Duncan 2005), o fato de um animal ser saudável não significa necessariamente que seu status de bem-estar seja adequado. Assim, o bem-estar é um conceito mais amplo e abrangente do que o conceito de saúde. As medidas fisiológicas e comportamentais estão intrinsecamente ligadas e dependem umas das outras para uma interpretação correta em relação ao bem-estar (Dawkins 1998).

   O comportamento dos animais e, no nosso caso, dos peixes, representa uma reacção ao ambiente à medida que os peixes o percebem e o comportamento é, portanto, um elemento-chave do bem-estar dos peixes. Alterações no comportamento forrageiro, atividade de ventilação branquial, agressão, comportamento de natação individual e em grupo, comportamentos estereotipados e anormais têm sido associados a estressores agudos e crônicos na aquicultura e podem, portanto, ser considerados indicadores prováveis de mau bem-estar (Martins et al. 2011). Os indicadores de bem-estar comportamental têm a vantagem de serem rápidos e fáceis de observar e, portanto, são bons candidatos à utilização “na fazenda”. Exemplos de comportamentos que são comumente utilizados como indicadores de bem-estar são as alterações no comportamento antecipatório dos alimentos, na ingestão de alimentos, na actividade de natação e nas taxas de ventilação (Huntingford et al. 2006). No entanto, Barreto e Volpato (2004) alertam para o uso da frequência de ventilação como indicador de estresse em peixes, pois embora a frequência de ventilação seja uma resposta muito sensível ao distúrbio, ela é de uso limitado, pois não reflete a gravidade do estímulo.

   3.4.5 Ruído

   Os peixes de viveiro são cultivados durante longos períodos de tempo nos mesmos tanques da mesma cor e da mesma forma e expostos aos mesmos ruídos de fundo, potencialmente nocivos (Martins et al. 2012). Os sistemas de aquicultura intensiva e, em particular, os sistemas de recirculação utilizam equipamentos como aeradores, bombas de ar e água, sopradores e sistemas de filtração que inadvertidamente aumentam os níveis de ruído nos tanques de cultura de peixe. Os níveis sonoros e as frequências medidos nos sistemas de aquicultura intensiva estão dentro da gama de audição dos peixes, mas os efeitos específicos das espécies do ruído da produção aquícola não estão bem definidos (Davidson et al. 2009).

   Bart et al. (2001) constataram que os níveis médios de pressão sonora de banda larga (SPL) diferiram entre vários sistemas de aquicultura intensiva. Em seu estudo, um nível sonoro de 135 dB re 1μPa foi medido em uma lagoa de barro perto de um aerador operacional, enquanto grandes tanques de fibra de vidro (14 m de diâmetro) dentro de um sistema de recirculação tinham os SPs mais altos de 153 dB re 1μPa.

   Estudos de campo e de laboratório demonstraram que o comportamento e a fisiologia dos peixes podem ser negativamente impactados por um som intenso. Terhune et al. (1990) observaram diminuição das taxas de crescimento e smoltificação do salmão atlântico, Salmo salar, em tanques de fibra de vidro com níveis sonoros subaquáticos 2—10 dB re 1μPa superiores a 100—500 Hz do que em tanques de concreto. Por conseguinte, a exposição crónica ao ruído da produção aquícola pode provocar um aumento do stress, taxas de crescimento reduzidas e eficiência de conversão alimentar e diminuição da sobrevivência. Entretanto, Davidson et al. (2009) constataram que após 5 meses de exposição ao ruído, não foram identificadas diferenças significativas entre os tratamentos para peso médio, comprimento, taxas de crescimento específicas, fator de condição, conversão alimentar ou sobrevivência da truta arco-íris, Oncorhynchus mykiss. Achados semelhantes são descritos por Wvysocki et al. (2007). No entanto, esses achados não devem ser generalizados em todas as espécies de peixes cultivadas, porque muitas espécies, incluindo bagres e ciprinídeos, têm sensibilidade auditiva muito maior do que a truta arco-íris e podem ser afetadas de forma diferente pelo ruído. Por exemplo, Papoutsoglou et al. (2008) forneceram provas iniciais de que a transmissão musical em condições específicas de criação poderia ter efeitos positivos no desempenho do crescimento S. aurata, pelo menos em tamanhos específicos de peixes. Além disso, os efeitos musicais observados em vários aspectos da fisiologia dos peixes (por exemplo, enzimas digestivas, composição de ácidos gordos e neurotransmissores cerebrais) implicam que certas músicas poderiam eventualmente proporcionar um aumento ainda maior no crescimento, qualidade, bem-estar e produção.

5. 3.5 Desafios de escalabilidade no RAS

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   As RAS são operações de capital intensivo, exigindo despesas de financiamento elevadas em equipamentos, infraestruturas, sistemas de tratamento de fluentes e efluentes, engenharia, construção e gestão. Uma vez que a fazenda RAS é construída, capital de giro também é necessário até que as colheitas e as vendas bem-sucedidas sejam alcançadas. As despesas operacionais também são substanciais e são principalmente compostas por custos fixos, tais como rendas, juros sobre empréstimos, amortizações e custos variáveis, tais como alimentos para peixes, sementes (alevinos ou ovos), mão-de-obra, electricidade, oxigénio técnico, tampões de pH, electricidade, vendas/comercialização, custos de manutenção, etc.

   Ao comparar produtividade e economia, a RAS competirá invariavelmente com outras formas de produção de peixe e até com outras fontes de produção de proteínas para consumo humano. É provável que esta concorrência exerça uma pressão descendente sobre o preço de venda do peixe, que, por sua vez, deve ser suficientemente elevado para tornar uma empresa RAS rentável. Tal como acontece com outras formas de produção aquícola, alcançar economias de escala mais elevadas é geralmente uma forma de reduzir o custo de produção e, assim, obter acesso aos mercados. Alguns exemplos de redução dos custos de produção que podem ser alcançados com instalações maiores são:

   1. Custos de transporte reduzidos em encomendas a granel de ração, produtos químicos, oxigênio.

   2. Descontos na compra de maiores quantidades de equipamentos.

   3. Acesso a taxas de eletricidade industrial.

   4. Automação de processos agrícolas, como monitoramento e controle de processos, alimentação, colheita, abate e processamento.

   5. Maximização do uso do trabalho: A mesma mão-de-obra era necessária para cuidar de 10 toneladas de peixe que era necessário para cuidar de 100 toneladas de peixe ou mais.

   Na sequência do aumento das economias de escala no sector da aquicultura líquida, as RAS maiores estão a ser desenvolvidas em escalas não consideradas há uma década. A última década viu a construção de instalações com capacidades de produção de milhares de toneladas por ano, e esse aumento de tamanho das instalações RAS está trazendo novos desafios técnicos, que são explorados na próxima seção.

   3.5.1 Hidrodinâmica e Transporte de Água

   O controle adequado das condições hidrodinâmicas em tanques de peixes é essencial para garantir uma qualidade uniforme da água e um transporte adequado de sólidos para as saídas dos tanques (Masaló 2008; Oca e Masalo 2012). Os tanques que não são capazes de liberar os metabolitos rapidamente terão menos capacidade de carga. Garantir um desempenho hidrodinâmico adequado em tanques de peixes é um importante tópico de pesquisa em engenharia aquícola que ajudou a indústria a projetar e operar tanques de diferentes formas e tamanhos. No entanto, os tamanhos crescentes de tanques usados em RAS comerciais estão apresentando novos desafios de engenharia para designers e operadores. Investigações recentes estão em andamento para otimizar as características hidrodinâmicas em grandes tanques octogonais utilizados para a produção de salmão (Gorle et al. 2018), estudando o efeito da biomassa de peixes, geometria e estruturas de entrada e saída em grandes tanques utilizados em instalações norueguesas. Da mesma forma, Summerfelt et al. (2016) encontraram uma tendência para uma taxa de carga de ração decrescente por fluxo unitário em tanques modernos em comparação com tanques construídos há mais de uma década em instalações norueguesas. Uma carga de alimentação reduzida resulta efetivamente em melhor qualidade da água do tanque, uma vez que a água de recirculação é tratada a uma taxa mais rápida, impedindo o acúmulo de metabolitos e o esgotamento de oxigênio no tanque ainda mais em comparação com tanques mais antigos que operavam com cargas de alimentação mais elevadas. Os trabalhos futuros provavelmente fornecerão mais informações sobre a hidrodinâmica de tanques com mais de 1000 msup3/sup em volume. Outros exemplos de enormes tanques que estão actualmente a ser utilizados são os tanques utilizados nos sistemas RAS 2020 (Kruger, Dinamarca) ou o conceito de Niri (Niri, Noruega). A adoção desses novos conceitos usando tanques maiores desempenhará um papel vital em sua rentabilidade, desde que sejam alcançadas condições hidrodinâmicas adequadas.

   3.5.2 Risco de perda de estoque

   Na RAS, as condições de criação intensiva podem conduzir a uma perda súbita e catastrófica de peixes se o sistema falhar. As fontes de falha do sistema podem incluir falhas mecânicas de sistemas de bombeamento e equipamentos RAS, interrupções de energia, perda de oxigenação/sistemas de aeração, acumulação e liberação de sulfureto de hidrogênio, acidentes operacionais e muito mais. Esses riscos e soluções para eles precisam ser identificados e incorporados nos procedimentos operacionais.

   O aumento da dimensão das operações RAS pode também significar um risco acrescido de perdas financeiras se ocorrer uma perda catastrófica de peixes. Por outro lado, as medidas de mitigação de riscos e a redundância do sistema também podem aumentar o custo de um projeto RAS, pelo que os designers e engenheiros devem encontrar um equilíbrio entre esses elementos.

   Além dos relatórios da indústria e da mídia, pouca pesquisa acadêmica tem sido feita sobre o risco de empreendimentos RAS comerciais. Badiola et al. (2012) pesquisaram as fazendas RAS e analisaram as principais questões técnicas, constatando que o mau design do sistema, os problemas de qualidade da água e os problemas mecânicos eram os principais elementos de risco que afetam a viabilidade da RAS.

   3.5.3 Economia

   O debate sobre a viabilidade económica da RAS centra-se principalmente nos elevados custos de arranque de capital das explorações aquícolas em recirculação e no longo prazo até que o peixe esteja pronto para ser comercializado, bem como na percepção de que as explorações RAS têm custos operacionais elevados. De Ionno et al. (2007) estudaram o desempenho comercial das fazendas RAS, concluindo que a viabilidade econômica aumenta com a escala da operação. De acordo com este estudo, fazendas menores que 100 toneladas por ano de capacidade de produção são apenas marginalmente rentáveis no contexto australiano onde o estudo ocorreu. Timmons e Ebeling (2010) também justificam a realização de grandes economias de escala (na ordem de grandeza de milhares de toneladas de produção por ano) que permitem a redução dos custos de produção através de projetos de integração vertical, como a inclusão de instalações de processamento, incubadores ou rações para animais moinhos. Liu et al. (2016) estudaram o desempenho econômico de uma fazenda teórica RAS com capacidade de 3300 toneladas por ano, em comparação com uma fazenda de canetas tradicionais da mesma capacidade. Nesta escala, a operação RAS atinge custos de produção semelhantes em comparação com a exploração líquida de canetas, mas o investimento de capital mais elevado duplica o período de recuperação em comparação, mesmo quando os peixes da exploração RAS são vendidos a um preço premium. No futuro, um licenciamento dispendioso e rigoroso que exija um bom desempenho ambiental pode aumentar a viabilidade da RAS como opção concorrencial para a produção de salmão do Atlântico.

   3.5.4 Manipulação de peixes

   Nas explorações terrestres, o manuseamento dos peixes é frequentemente necessário por várias razões: separar os peixes em classes de peso, reduzir as densidades populacionais, transportar os peixes através de departamentos em crescimento (isto é, de um viveiro para um departamento em crescimento) ou colher os peixes quando estiverem prontos para o mercado. De acordo com Lekang (2013), os peixes são manuseados de forma mais eficaz com métodos ativos, como bombas de peixe, e também com métodos passivos, como o uso de sinais visuais ou químicos, que permitem que os peixes se movam de um lugar na fazenda para o outro.

   Summerfeltet al. (2009) estudou vários meios para aglomerar e colher salmonídeos de grandes tanques circulares usando drenos duplos do tipo Cornell. As estratégias incluíam aglomeração de peixes com redes de cerco com retenida, garras e pastoreio de peixes entre tanques aproveitando sua resposta inata de evasão ao dióxido de carbono. As técnicas de colheita incluíram a extração do peixe através da porta de descarga lateral de um tanque de drenagem duplo tipo Cornell ou o uso de um elevador aéreo para levantar o peixe lotado para uma caixa de drenagem. AquaMaof (Israel) emprega estradas de natação e tanques que compartilham uma parede comum para transferir passivamente o peixe pela fazenda, com a colheita ocorrendo usando um pescalator (bomba de parafuso Archimedes) no final de uma via de natação. O conceito RAS2020 da Kruger (Dinamarca) usa motoniveladoras de barras permanentemente instaladas em um tanque de pista circular ou em forma de donut para mover e agitar os peixes sem a necessidade de bombas de peixe.

   Apesar dos desenvolvimentos contínuos sobre este tema, o aumento da dimensão das explorações RAS continuará a ser desafiador aos designers e operadores sobre a forma de manusear os peixes de forma segura, económica e sem stress. A gama crescente de desenhos, espécies em produção e intensidade de funcionamento das explorações RAS pode resultar em diversas e novas tecnologias de transporte e colheita de peixes.

6. 3.6 RAS e Aquapônica

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

   Os sistemas aquapônicos são um ramo da tecnologia aquícola de recirculação em que as culturas vegetais são incluídas para diversificar a produção de uma empresa, fornecer capacidade extra de filtração de água ou uma combinação dos dois.

   Como ramo da RAS, os sistemas aquapônicos estão ligados aos mesmos fenômenos físicos, químicos e biológicos que ocorrem na RAS. Portanto, os mesmos fundamentos da ecologia da água, mecânica dos fluidos, transferência de gás, depuração da água, etc. aplicam-se em termos mais ou menos iguais à aquaponia, com exceção do controle da qualidade da água, uma vez que as plantas e os peixes podem ter requisitos específicos e diferentes.

   As realidades econômicas fundamentais da RAS e da aquapônica também estão relacionadas. Ambas as tecnologias, são de capital intensivo e altamente técnico e são afetadas por economias de escala, design adequado dos componentes, dependência das condições de mercado e experiência dos operadores.

   3.6.1 Bem-estar

   Em sistemas aquapônicos, a absorção de nutrientes deve ser maximizada para a produção saudável de biomassa vegetal, mas sem negligenciar as melhores condições de bem-estar para os peixes em termos de qualidade da água (Yildiz et al. 2017). São igualmente importantes medidas destinadas a reduzir os riscos de introdução ou propagação de doenças ou infecções e a aumentar a biossegurança na aquaponia. Devem também ser tidos em conta os possíveis impactos dos aleloquímicos, ou seja, dos produtos químicos libertados pelas instalações. Além disso, o efeito da digestibilidade da dieta, do tamanho das partículas das fezes e do rácio de determinação na qualidade da água deve ser cuidadosamente considerado. Ainda há falta de conhecimento sobre a relação entre os níveis apropriados de minerais necessários às plantas, e o metabolismo, a saúde e o bem-estar dos peixes (Yildiz et al. 2017), o que requer mais pesquisas.

   3.6.2 Diversidade microbiana e controle

   Como mencionado anteriormente no capítulo, a aquapônica combina um sistema de aquicultura recirculante com uma unidade hidropônica. Uma de suas características mais importantes é a dependência de bactérias e seus produtos metabólicos. Além disso, Seção 3.2.6 .discutiu a importância das comunidades microbianas e seu controle na RAS. As bactérias servem como a ponte que conecta os excrementos de peixes, que são elevados em concentração de amônio, ao fertilizante vegetal, que deve ser uma combinação de baixo teor de amônio e alto nitrato (Somerville et al. 2014). Como os sistemas aquapônicos podem ter diferentes subunidades, ou seja, tanques de peixes, biofiltro, filtro de tambor, tanques de colonização e unidades hidropônicas, cada um com diferentes projetos possíveis e diferentes condições ótimas, as comunidades microbianas nesses componentes podem diferir consideravelmente. Isso fornece um tópico interessante de pesquisa com o objetivo final de melhorar os processos de gerenciamento do sistema. Schmautz et al. (2017) tentaram caracterizar a comunidade microbiana em diferentes áreas dos sistemas aquapônicos. Eles concluíram que as fezes de peixe continham uma comunidade separada dominada por bactérias do gênero Cetobacterium, enquanto as amostras de raízes de plantas, biofiltro e perifíton eram mais semelhantes entre si, com comunidades bacterianas mais diversas. As amostras de biofiltro continham um grande número de Nitrospira (3,9% da comunidade total) que foram encontrados apenas em baixo número no perifíton ou nas raízes das plantas. Por outro lado, apenas pequenas percentagens de Nitrosomonadales (0,64%) e Nitrobacter (0,11%) foram encontradas nas mesmas amostras. Este segundo grupo de organismos é comumente testado quanto à sua presença em sistemas aquapônicos, pois eles são principalmente responsáveis pela nitrificação (Rurangwa e Verdegem 2015; Zou et al. 2016); Nitrospira tem sido descrito apenas recentemente como nitrificador total (Daims et al. 2015), sendo capaz de converter diretamente amónio ao nitrato no sistema. A dominância de Nitrospira é, portanto, uma novidade em tais sistemas e pode estar correlacionada com uma diferença na configuração básica (Graber et al. 2014).

   Schmautz et al. (2017) também enfatizaram que o aumento da presença de Nitrospira não se correlaciona necessariamente com maior atividade desses organismos no sistema, uma vez que suas atividades metabólicas não foram mensuradas. Além disso, muitas espécies de bactérias e coliformes estão inerentemente presentes em biofiltros recirculantes aquapônicos que realizam transformações de matéria orgânica e resíduos de peixes. Isso implica a presença de muitos microorganismos que podem ser patógenos para plantas e peixes, bem como para pessoas. Para tanto, alguns microrganismos têm sido considerados indicadores de segurança para produtos e qualidade da água no sistema (Fox et al. 2012). Alguns destes indicadores de segurança são Escherichia coli e Salmonella spp. Recentemente, foram realizadas pesquisas muito necessárias para verificar a segurança microbiana dos produtos aquapônicos (Fox et al. 2012; Sirsat e Neal 2013). Uma direção futura para a análise da atividade microbiana em aquapônica foi identificada por Munguia-Fragozo et al. (2015), que revisaram as tecnologias Omic para análise microbiana da comunidade. Concluíram que a análise metagenómica e metatranscriptómica será crucial em futuros estudos de diversidade microbiana em biossistemas aquapónicos.

   • De um período de consolidação tecnológica a uma nova era de implementação industrial, a tecnologia RAS desenvolveu-se consideravelmente ao longo das últimas duas décadas. Nos últimos anos assistimos a um aumento do número e da escala das explorações aquícolas em recirculação. Com o aumento da aceitação da tecnologia, melhorias em relação às abordagens tradicionais de engenharia, inovações e novos desafios técnicos continuam surgindo.

   • Aquaponics combina um sistema de aquicultura de recirculação com uma unidade hidropônica. RAS são sistemas complexos de produção aquática que envolvem uma série de interações físicas, químicas e biológicas.

   • Oxigênio dissolvido (OD) é geralmente o parâmetro de qualidade da água mais importante em sistemas aquáticos intensivos. No entanto, a adição de oxigênio suficiente à água de criação pode ser alcançada de forma relativamente simples e, assim, o controle de outros parâmetros da água se torna mais desafiador.

   • As concentrações elevadas de dióxido de carbono dissolvido (COSub2/sub) têm um efeito negativo no crescimento dos peixes. A remoção de COSub2/sub da água para concentrações inferiores a 15 mg/L é um desafio devido à sua alta solubilidade e à eficiência limitada do equipamento de desgaseificação.

   • O amoníaco tem sido tradicionalmente tratado em sistemas de recirculação com biofiltros nitrificantes. Algumas tecnologias emergentes estão sendo exploradas como alternativas à remoção de amônia.

   • Os biosólidos em RAS são originários de alimentos para peixes, fezes e biofilmes e são um dos parâmetros de qualidade da água mais críticos e difíceis de controlar. Um sistema de tratamento multi-passo onde sólidos de diferentes tamanhos e removidos através de diferentes mecanismos, é a abordagem mais comum.

   • O ozônio, como um poderoso oxidante, pode ser usado em RAS para eliminar microorganismos, nitritos e substâncias húmicas. A ozonização melhora o desempenho do filtro microscreen e minimiza o acúmulo de matéria dissolvida que afeta a cor da água.

   • Os reactores de desnitrificação são reactores biológicos que são tipicamente operados em condições anaeróbias e geralmente administrados com algum tipo de fonte de carbono, tais como etanol, metanol, glicose e melaço. Uma das aplicações mais notáveis dos sistemas de desnitrificação na aquicultura é a RAS de “troca zero”.

   • Nos sistemas de produção aquícola, as comunidades microbianas desempenham um papel significativo na reciclagem de nutrientes, degradação da matéria orgânica e tratamento e controle de doenças. O papel da desinfecção da água na RAS está sendo desafiado pela ideia de usar água microbialmente madura para controlar patógenos oportunistas.

   • No RAS intensivo, o bem-estar animal está intimamente ligado ao desempenho dos sistemas. O principal objetivo da pesquisa de bem-estar animal na RAS tem sido construir e operar sistemas que maximizem a produtividade e minimizem o estresse e a mortalidade.