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Capítulo 4 Tecnologias hidropônicas

1. 4.1 Introdução

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

   Na produção hortícola, a definição de cultivo sem solo engloba todos os sistemas que fornecem a produção vegetal em condições sem solo nas quais o abastecimento de água e de minerais é realizado em soluções nutritivas com ou sem meio de cultivo (por exemplo, lã de pedra, turfa, perlita, pedra-pomes, coco fibras, etc.). Sistemas de cultura sem solo, comumente conhecidos como sistemas hidropônicos, podem ser divididos em sistemas abertos, onde a solução de nutrientes excedentários não é reciclada, e sistemas fechados, onde o excesso de fluxo de nutrientes das raízes é coletado e reciclado de volta ao sistema (Fig. 4.1).

   Os sistemas de cultura sem solo evoluíram como uma solução possível para evitar doenças transmitidas pelo solo que sempre foram um problema na indústria de cultivo de estufa.

   Hoje em dia, os sistemas de cultivo sem solo são comuns na prática hortícola na maioria dos países europeus, embora nem em todos os países isso ocorra em grande escala. As vantagens dos sistemas sem solo em comparação com as culturas cultivadas pelo solo são:

   • Sem patógenos começar com o uso de substratos diferentes do solo e/ou controle mais fácil de patógenos transmitidos pelo solo.
   • O crescimento e o rendimento são independentes do tipo/qualidade do solo da área cultivada.
   • Melhor controle do crescimento através de uma oferta direcionada de solução nutritiva.
   • O potencial de reutilização da solução nutritiva permitindo maximizar os recursos.
   • Aumento da qualidade dos produtos adquiridos pelo melhor controle de outros parâmetros ambientais (temperatura, umidade relativa) e pragas.

   

   Fig. 4.1 Esquema de sistemas de ciclo aberto (a) e circuito fechado (b)

   Na maioria dos casos, são adoptados sistemas de circuito aberto ou de run-to-waste em vez de sistemas de circuito fechado ou de recirculação, embora em cada vez mais países europeus estes últimos sejam obrigatórios. Nestes sistemas abertos, a solução nutriente gasta e/ou supérflua é depositada nos corpos de água do solo e da superfície, ou é usada no cultivo de campo aberto. No entanto, no que respeita às preocupações económicas e ambientais, os sistemas sem solo devem ser tão fechados quanto possível, isto é, onde ocorre a recirculação da solução de nutrientes, onde o substrato é reutilizado e onde são utilizados materiais mais sustentáveis.

   As vantagens dos sistemas fechados são:

   • Uma redução na quantidade de resíduos.

   • Menos poluição das águas subterrâneas e superficiais.

   • Um uso mais eficiente de água e fertilizantes.

   • Aumento da produção devido a melhores opções de gestão.

   • Custos mais baixos devido à economia de materiais e maior produção.

   Há também uma série de desvantagens, tais como:

   • A alta qualidade necessária da água.

   • Investimentos elevados.

   • O risco de rápida dispersão de patógenos transmitidos pelo solo pela solução nutritiva recirculante.

   • Acumulação de potenciais metabolitos fitotóxicos e substâncias orgânicas na solução nutritiva recirculante.

   Em sistemas comerciais, os problemas de dispersão de patógenos são abordados através da desinfecção da água através de técnicas de filtração física, química e/ou biológica. No entanto, um dos principais fatores que dificultam o uso da cultura de solução de nutrientes recirculante para culturas de efeito estufa é o acúmulo de sais na água de irrigação. Normalmente, há um aumento constante na condutividade elétrica (CE) devido ao acúmulo de íons, que não são totalmente absorvidos pelas culturas. Isso pode ser especialmente verdadeiro em ambientes aquapônicos (AP), onde o cloreto de sódio (NaCl), incorporado na alimentação dos peixes, pode se acumular no sistema. Para alterar este problema, foi sugerido que uma etapa adicional de dessalinização poderia melhorar o equilíbrio de nutrientes em sistemas AP multi-loop (Goddek e Keesman 2018).

2. 4.2 Sistemas Soilless

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

   A intensa pesquisa realizada no campo do cultivo hidropônico levou ao desenvolvimento de uma grande variedade de sistemas de cultivo (Hussain et al. 2014). Em termos práticos, todos eles também podem ser implementados em combinação com a aquicultura; no entanto, para isso, alguns são mais adequados do que outros (Maucieri et al. 2018). A grande variedade de sistemas que podem ser utilizados requer uma categorização dos diferentes sistemas sem solo (Tabela 4.1).

   Quadro 4.1 Classificação dos sistemas hidropônicos de acordo com diferentes aspectos

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” Thcaracterística/th THO/TH Exemplos/th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” td ROWSPAN="6"Sistema sem soill/td td ROWSPAN="3"Sem substrato TDNFt (técnica de filme nutriente) /td /tr tr class="mesmo” tdaeroponics/TD /tr tr class="ímpar” TDFT (técnica de fluxo profundo) /td /tr tr class="mesmo” td ROWSPAN="3"Com substrato TDSubstratos orgânicos (turfa, fibra de coco, casca, fibra de madeira, etc.) /td /tr tr class="ímpar” td Substratos inorgânicos (lã de pedra, pedra-pomes, areia, perlita, vermiculita, argila expandida) /td /tr tr class="mesmo” TD Substratos sintéticos (poliuretano, poliestireno) /td /tr tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"OPER/Fechado sistemas/td TDOPen ou sistemas run-to-waste td As plantas são alimentadas continuamente com solução “fresca” sem se recuperar a solução drenada dos módulos de cultivo (Fig. 4.1a) /td /tr tr class="mesmo” TDClosed ou sistemas de recirculação/td td A solução nutritiva drenada é reciclada e completada com falta de nutrientes para o nível comunitário certo (Fig. 4.1b) /td /tr tr class="ímpar” td ROWSPAN="2"Fornecimento de água/td TDContinuous/TD TDNFt (técnica de filme nutriente) DFT (técnica de fluxo profundo) /td /tr tr class="mesmo” TDPeriódicos/ Irrigação TDDRip, refluxo e fluxo, aeroponics/td /tr /tbody /tabela

   4.2.1 Sistemas de substrato sólido

   No início do cultivo sem solo na década de 1970, muitos substratos foram testados (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Verwer 1978). Muitos falharam por razões como estar demasiado molhado, demasiado seco, não sustentável, demasiado caro e libertação de substâncias tóxicas. Vários substratos sólidos sobreviveram: lã de pedra, perlita, coir (fibra de coco), turfa, espuma de poliuretano e casca. Os sistemas de substrato sólido podem ser divididos da seguinte forma:

   Substatos fibrosos Podem ser orgânicos (por exemplo, turfa, palha e fibra de coco) ou inorgânicos (por exemplo, lã de pedra). Eles são caracterizados pela presença de fibras de diferentes tamanhos, que conferem ao substrato uma alta capacidade de retenção de água (60— 80%) e uma modesta capacidade de ar (porosidade livre) (Wallach 2008). Uma elevada percentagem da água retida é facilmente disponível para a instalação, o que se reflete diretamente no volume mínimo de substrato por planta necessário para garantir um abastecimento de água suficiente. Nesses substratos não há gradientes óbvios de água e salinidade ao longo do perfil e, conseqüentemente, as raízes tendem a crescer mais rápido, uniformemente e abundantemente, usando todo o volume disponível.

   Substatos granulares Eles são geralmente inorgânicos (por exemplo, areia, pedra-pomes, perlita, argila expandida) e são caracterizados por diferentes tamanhos de partículas e, portanto, texturas; eles têm alta porosidade e têm drenagem livre. A capacidade de retenção de água é bastante baixa (10— 40%), e grande parte da água retida não está facilmente disponível para a fábrica (Maher et al. 2008). Portanto, o volume necessário de substrato por planta é maior em comparação com os fibrosos. Em substratos granulares, observa-se um gradiente de umidade marcado ao longo do perfil e isso faz com que as raízes se desenvolvam principalmente no fundo dos recipientes. Tamanhos de partículas menores, aumento da capacidade de retenção de água, homogeneidade de umidade e maior CE e menor volume do substrato são necessários para a planta.

   Os substratos são geralmente envoltos em revestimentos plásticos (chamados sacos ou lajes) ou inseridos em outros tipos de recipientes de vários tamanhos e de materiais sintéticos.

   Antes de plantar, o substrato deve ser saturado, a fim de:

   • Fornecer abastecimento adequado de água e nutrientes em toda a laje de substrato.

   • Alcançar níveis uniformes de CE e pH.

   • Expulsar a presença de ar e fazer um molhamento homogêneo do material.

   É igualmente importante que uma fase seca do substrato após o plantio estimule as plantas a evoluir a exploração homogênea de substrato por raízes para obter um sistema radicular abundante e bem distribuído nos vários níveis e expor as raízes ao ar. Usar um substrato pela segunda vez por reumecção pode ser um problema porque a saturação não é possível devido aos orifícios de drenagem no envelope plástico. Em um substrato orgânico (como o coir), adotando curvas de irrigação curtas e frequentes, é possível recuperar a capacidade de retenção de água para usá-lo pela segunda vez, mais facilmente do que substratos inertes (lã de pedra, perlite) (Perelli et al. 2009).

   4.2.2 Substratos para Sistemas de Base Média

   Um substrato é necessário para a ancoragem das raízes, um suporte para a planta e também como um mecanismo nutritivo de água devido à sua microporosidade e capacidade de troca catiônica.

   As plantas cultivadas em sistemas sem solo são caracterizadas por uma proporção desequilibrada de broto/raiz, demandas por água, ar e nutrientes que são muito maiores do que em condições de campo aberto. Neste último caso, as taxas de crescimento são mais lentas e as quantidades de substrato são teoricamente ilimitadas. Para satisfazer estes requisitos, é necessário recorrer a substratos que, isoladamente ou em mistura, assegurem condições físico-químicas óptimas e estáveis. Uma série de materiais com diferentes características e custos pode ser usada como substratos, conforme ilustrado na Fig. 4.2. No entanto, ainda, não há um substrato que possa ser usado universalmente em todas as situações de cultivo.

   

   Fig. 4.2 Materiais utilizáveis como substratos em sistemas sem solo

   4.2.3 Caracterização de Substratos

   A densidade aparente (BD) BD é expressa pelo peso seco do substrato por unidade de volume. Permite a ancoragem das raízes e oferece suporte à planta. O BD ideal para culturas em um recipiente varia entre 150 e 500 kg msup-3/sup (Wallach 2008). Alguns substratos, devido à sua baixa BD e à sua folga, como é o caso da perlita (cerca de 100 kg msup-3/sup), do poliestireno em grânulos (cerca de 35 kg msup-3/sup) e da turfa Sphagnum_ não comprimida (cerca de 60 kg msup-3/sup), não são adequados para uso isoladamente, especialmente com plantas que cresçam verticalmente.

   Quadro 4.2 Principais características físico-químicas das turfas e das fibras de coco. (dm = matéria seca)

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” th ROWSPAN="2"características/th th COLSPAN="2"Bogs/th ThFen bregs/th th ROWSPAN="2"fibra de coco (coir) /th /tr tr TDBlond/TD TDBrown/TD TDBlack/TD /tr /cabeça tbody tr class="mesmo” TDMatéria orgânica (% dm) /td td94—99/td td94—99/td td55—75/td td94—98/td /tr tr class="ímpar” tDash (% dm) /td td1—6/td td1—6/td td23—30/td td3—6/td /tr tr class="mesmo” TDPorosidade total (% vol) /td td84—97/td td88—93/td td55—83/td td94—96/td /tr tr class="ímpar” TDCapacidade de retenção de água (% vol) /td td52—82/td td74—88/td td65—75/td td80—85/td /tr tr class="mesmo” Porosidade TDFree (% vol) /td td15—42/td td6—14/td td6—8/td td10—12/td /tr tr class="ímpar” TDDensidade a granel (kg msup3/sup) /td td60—120/td td140—200/td td320—400/td td65—110/td /tr tr class="mesmo” TDCEc (meq%) /td td100—150/td td120—170/td td80—150/td td60—130/td /tr tr class="ímpar” TDAzoto total (% dm) /td td0.5—2.5/td td0.5—2.5/td td1.5—3.5/td td0.5—0.6/td /tr tr class="mesmo” TDC/N/td td30—80/td td20—75/td td10—35/td td70—80/td /tr tr class="ímpar” Tdcálcio (% dm) /td td<0.4/td td<0.4/td td>2/td td—/td /tr tr class="mesmo” TdpH (HSub2/Subo) /td td3.0—4.0/td td3.0—5.0/td td5.5—7.3/td td5.0—6.8/td /tr /tbody /tabela

   Fonte: Enzo et al. (2001)

   Porosidade O substrato ideal para culturas em vasos deve ter uma porosidade de pelo menos 75% com percentagens variáveis de macroporos (15— 35%) e microporos (40— 60%), dependendo das espécies cultivadas e das condições ambientais e das culturas (Wallach 2008; Blok et al. 2008; Maher et al. 2008). Em recipientes de pequeno porte, a porosidade total deve atingir 85% do volume (Bunt 2012). A estrutura deve ser estável ao longo do tempo e deve resistir à compactação e à redução do volume durante as fases de desidratação.

   Capacidade de retenção de água A capacidade de retenção de água garante níveis adequados de umidade do substrato para as culturas, sem necessidade de recorrer a irrigações frequentes. No entanto, a capacidade de retenção de água não deve ser muito alta, a fim de evitar asfixia radicular e muito resfriamento. A água disponível para a instalação é calculada pela diferença entre a quantidade de água na capacidade de retenção e a retida no ponto de murcha. Deve situar-se em torno de 30 a 40% do volume aparente (Kipp et al. 2001). Finalmente, deve-se considerar que, com o aumento constante da biomassa do sistema radicular durante o crescimento, a porosidade livre no substrato é gradualmente reduzida e as características hidrológicas do substrato são modificadas.

   _Cation Exchange Capacity (CEC) _ CEC é uma medida de quantos catiões podem ser retidos em superfícies de partículas de substrato. Em geral, os materiais orgânicos têm maior CEC e maior capacidade tampão do que os minerais (Wallach 2008; Blok et al. 2008) (Tabela 4.2).

   pH É necessário um pH adequado para atender às necessidades das espécies cultivadas. Substratos com um pH baixo são mais adequados para culturas em recipientes, pois são mais facilmente modificados para os níveis desejados pela adição de carbonato de cálcio e também porque atendem às necessidades de um maior número de espécies. Além disso, durante o cultivo, o valor do pH tende a aumentar devido à irrigação com água rica em carbonatos. O pH também pode variar em relação ao tipo de fertilizante utilizado. É mais difícil corrigir um substrato alcalino. Isto pode, no entanto, ser conseguido através da adição de enxofre ou fertilizantes fisiologicamente ácidos (sulfato de amónio, sulfato de potássio) ou fertilizantes constitucionalmente ácidos (fosfato mineral).

   _Condutividade Elétrica (CE) _ Os substratos devem ter um teor de nutrientes conhecido e baixos valores CE (ver também Quadro 4.4). Muitas vezes, é preferível utilizar um substrato quimicamente inerte e adicionar os nutrientes em relação às necessidades específicas das culturas. Deve ser dada especial atenção aos níveis comunitários. Níveis elevados de CE indicam a presença de iões (por exemplo, NASUP+/SUP) que, embora não sejam importantes como nutrientes, podem desempenhar um papel decisivo na adequação do substrato.

   Saúde e segurança A saúde nos sistemas e a segurança dos agentes são proporcionadas pela ausência de agentes patogénicos (nemátodos, fungos, insectos), substâncias potencialmente fitotóxicas (pesticidas) e sementes de ervas daninhas. Alguns materiais produzidos industrialmente (argila expandida, perlita, lã de pedra, vermiculita e poliestireno) garantem altos níveis de esterilidade devido às altas temperaturas aplicadas durante o processamento.

   Sustentabilidade Outra característica importante de um substrato é o seu perfil de sustentabilidade. Muitos substratos comumente usados enfrentam desafios ecológicos relacionados à sua proveniência, processo de produção e/ou processamento subsequente e pegada em fim de vida útil. A este respeito, substratos provenientes de materiais com baixa pegada ecológica (modificados de forma ambientalmente amigável e, em última análise, biodegradáveis) são uma característica extra a considerar. A reutilização do substrato também pode ser um aspecto importante da sustentabilidade de um substrato.

   Cost Por último, mas não menos importante, o substrato deve ser barato ou pelo menos econômico, prontamente disponível e padronizado do ponto de vista físico-químico.

   4.2.4 Tipo de substratos

   A escolha dos substratos vai desde produtos de origem orgânica ou mineral presentes na natureza e submetidos a uma transformação especial (por exemplo, turfa, perlita, vermiculita) até aos de origem orgânica derivados de actividades humanas (por exemplo, resíduos ou subprodutos agrícolas, industriais e urbanos actividades) e de origem industrial obtidas por processos de síntese (por exemplo, poliestireno).

   4.2.4.1 Materiais orgânicos

   Esta categoria inclui substratos orgânicos naturais, incluindo resíduos, resíduos e subprodutos de natureza orgânica derivados de produtos agrícolas (estrume, palha, etc.) ou, por exemplo, industriais, subprodutos da indústria da madeira, etc., ou de assentamentos urbanos, por exemplo, lamas de depuração, etc. processamento adicional, como extração e maturação.

   Todos os materiais que podem ser usados em hidroponia também podem ser usados em AP. No entanto, como a carga bacteriana em uma solução AP pode ser maior do que em soluções hidropônicas convencionais, pode-se esperar que substratos orgânicos possam estar propensos a uma taxa de decomposição aumentada, causando problemas de compactação do substrato e aeração radicular. Portanto, materiais orgânicos podem ser considerados para culturas com um ciclo de crescimento mais curto, enquanto substratos minerais podem ser preferidos para culturas com um longo ciclo de crescimento.

   **Turfa

   A turfa, usada sozinha ou com outros substratos, é atualmente o material de origem orgânica mais importante para a preparação do substrato. O termo turfa refere-se a um produto derivado de resíduos de briófitos (Sphagnum), Cyperaceae (Trichophorum, Eriophorum, Carex) e outros (Calluna, Phragmites, etc.) transformados em condições anaeróbias.

   Os brejos levantados são formados em ambientes frios e muito chuvosos. A água da chuva, sem sais, é mantida na superfície por musgos e resíduos vegetais, criando um ambiente saturado. Em brejos levantados podemos distinguir uma camada mais profunda e decomposta de cor escura (turfa marrom) e uma camada ligeiramente decomposta e mais rasa de uma cor clara (_turfa loira). Ambas as turfas são caracterizadas por boa estabilidade estrutural, disponibilidade muito baixa de nutrientes e pH ácido, enquanto diferem principalmente em sua estrutura (Tabela 4.2).

   As turfas marrons, com poros muito pequenos, têm uma maior capacidade de retenção de água e menos porosidade livre para o ar e têm maior capacidade de CEC e tampão. As características físicas variam em relação ao tamanho da partícula que permite a absorção de água de 4 a 15 vezes o seu próprio peso. Os brejos levantados geralmente satisfazem os requisitos necessários para um bom substrato. Além disso, eles têm propriedades constantes e homogêneas, e assim podem ser explorados industrialmente. No entanto, a utilização destas turfas requer correções de pH com, por exemplo, carbonato de cálcio (CaCOSub3/Sub). Geralmente, para uma turfa Sphagnum com pH 3—4, devem ser adicionados 2 kg msup-3/sup de CaCOSub3/Sub para aumentar o pH de uma unidade. Deve ser dada atenção para evitar a secagem completa do substrato. Deve-se também ter em conta que a turfa é submetida a processos de decomposição microbiológica que, ao longo do tempo, podem aumentar a capacidade de retenção de água e reduzir a porosidade livre.

   Os pântanos estão presentes principalmente em áreas temperadas (por exemplo, Itália e oeste da França), onde Cyperaceae, Carex e Phragmites são dominantes. Estas turfas são formadas na presença de água estagnada. O teor de oxigênio, sais e cálcio na água permitem uma decomposição e umificação mais rápidas, em comparação com a que ocorre nos brejos levantados. Isto resulta numa turfa muito escura, marrom a preta, com um teor de nutrientes mais elevado, em especial azoto e cálcio, um pH mais elevado, maior densidade aparente e uma porosidade livre muito menor (Tabela 4.2). Eles são bastante frágeis no estado seco e têm uma plasticidade notável no estado úmido, o que confere alta susceptibilidade à compressão e deformação. A relação carbono/nitrogênio (C/N) está geralmente entre 15 e 48 (Kuhry e Vitt 1996; Abad et al. 2002). Devido às suas propriedades, a turfa preta é de baixo valor e não é adequada como substrato, mas pode ser misturada com outros materiais.

   Note-se que, em alguns países, há um impulso para reduzir o uso e a extração de turfa para reduzir os efeitos ambientais e vários substitutos de turfa foram identificados com sucesso variado.

   Fibra de Coco

   A fibra de coco (coir) é obtida a partir da remoção das cascas fibrosas dos cocos e é um subproduto da indústria de copra (produção de óleo de coco) e extracção de fibras, sendo composta quase exclusivamente por lignina. Antes de usar, é compostado por 2 a 3 anos, e depois é desidratado e comprimido. Antes do seu uso, ele deve ser reidratado adicionando até 2 a 4 vezes de seu volume comprimido com água. A fibra de coco possui características físico-químicas que são semelhantes à turfa loira (Tabela 4.2), mas com as vantagens de ter um pH mais alto. Também tem um impacto ambiental mais baixo do que a turfa (exploração excessiva de turfeiras) e a lã de pedra onde há problemas com a eliminação. Esta é uma das razões pelas quais é cada vez mais preferida em sistemas sem solo (Olle et al. 2012; Fornes et al. 2003).

   Substrato à base de madeira

   Substratos orgânicos derivados da madeira ou dos seus subprodutos, tais como cascas, aparas de madeira ou pó de serra, também são utilizados na produção global de plantas comerciais (Maher et al. 2008). Os substratos baseados nesses materiais geralmente possuem bom teor de ar e altas condutividades hidráulicas saturadas. As desvantagens podem incluir baixa capacidade de retenção de água, arejamento insuficiente causado pela atividade microbiana, distribuição inadequada do tamanho das partículas, imobilização de nutrientes ou efeitos negativos devido ao acúmulo de sal e compostos tóxicos (Dorais et al. 2006).

   4.2.4.2 Materiais inorgânicos

   Esta categoria inclui as matérias naturais (por exemplo, areia, pedra-pomes) e os produtos minerais derivados de processos industriais (por exemplo, vermiculita, perlita) (quadro 4.3).

   Tabela 4.3 Principais características químico-físicas dos substratos inorgânicos utilizados em sistemas sem solo

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” Thsubstratos/th thDensidade a granel (kg msup3/sup) /th Porosidade total (%vol) /th Porosidade livre (%vol) /th THWaterRetention Capacidade (%vol) /th Cec (meq%) /th oC (MS cmsup1/sup) /th THPH/th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TDS/TD td1400—1600/td td40—50/td td1—20/td td20—40/td td20—25/td td0.10/td td6.4—7.9/td /tr tr class="mesmo” TDPUMICE/TD td450—670/td td55—80/td td30—50/td td24—32/td td—/td td0.08—0.12/td td6.7—9.3/td /tr tr class="ímpar” TDVulcanic tuffs/td td570—630/td td80—90/td td75—85/td td2—5/td td3—5/td td—/td td7.0—8.0/td /tr tr class="mesmo” TDvermiculite/TD td80—120/td td70—80/td td25—50/td td30—55/td td80—150/td td0.05/td td6.0—7.2/td /tr tr class="ímpar” TDPERLITE/TD td90—130/td td50—75/td td30—60/td td15—35/td td1.5—3.5/td td0.02—0.04/td td6.5—7.5/td /tr tr class="mesmo” TDEXPanded argila/td td300—700/td td40—50/td td30—40/td td5—10/td td3—12/td td0.02/td td4.5—9.0/td /tr tr class="ímpar” TDStone lã/td td85—90/td td95—97/td td10—15/td td75—80/td td—/td td0.01/td td7.0—7.5/td /tr tr class="mesmo” TDEXPanded Poliestireno/TD td6—25/td td55/td td52/td td3/td td—/td td0.01/td td6.1/td /tr /tbody /tabela

   Fonte: Enzo et al. (2001)

   Areia

   As areias são materiais naturais inorgânicos com partículas entre 0,05 e 2,0 mm de diâmetro, provenientes da intemperização de diferentes minerais. A composição química das areias pode variar de acordo com a origem, mas, em geral, é constituída por 98.0— 99,5% de sílica (SiOSub2/Sub) (Perelli et al. 2009). As areias com menor teor de carbonato de cálcio e pH 6,4—7.0 são mais adequadas como material de substrato porque não influenciam a solubilidade do fósforo e de alguns microelementos (por exemplo, ferro, manganês). Como todos os substratos de origem mineral, as areias têm baixa CEC e baixa capacidade de tamponamento (Tabela 4.3). As areias finas (0,05—0,5 mm) são as mais adequadas para uso em sistemas hidropônicos em misturas de 10 a 30% em volume com materiais orgânicos. Areias grossas (\ >0,5 mm) podem ser usadas para aumentar a capacidade de drenagem do substrato.

   Pumica

   A pedra-pomes é composta por silicato de alumínio de origem vulcânica, sendo muito leve e porosa, podendo conter pequenas quantidades de sódio e potássio e vestígios de cálcio, magnésio e ferro, dependendo do local de origem. É capaz de reter cálcio, magnésio, potássio e fósforo a partir das soluções de nutrientes e liberá-los gradualmente para a planta. Geralmente tem um pH neutro, mas alguns materiais podem ter pH excessivamente alto, boa porosidade livre, mas baixa capacidade de retenção de água (Tabela 4.3). A estrutura, no entanto, tende a deteriorar-se bastante rapidamente, devido à fácil quebra das partículas. A pedra-pomes, adicionada à turfa, aumenta a drenagem e arejamento do substrato. Para uso em horticultura, são preferidas partículas de pedra-pomes de 2 a 10 mm de diâmetro (Kipp et al. 2001).

   ** Tufos Vulcânico**

   Tuffs derivam de erupções vulcânicas, com partículas que variam entre 2 e 10 mm de diâmetro. Podem ter uma densidade aparente compreendida entre 850 e 1100 kg msup-3/sup e uma capacidade de retenção de água entre 15% e 25% em volume (Kipp et al. 2001).

   Vermiculite

   A vermiculita compreende filossilicatos hidrosos de magnésio, alumínio e ferro, que no estado natural possuem uma estrutura lamelar fina que retém pequenas gotas de água. A vermiculita esfoliada é comumente utilizada na indústria hortícola e é caracterizada por uma alta capacidade tampão e valores CEC semelhantes aos das melhores turfas (Tabela 4.3), mas, em comparação com estas, apresenta maior disponibilidade de nutrientes (5— 8% de potássio e 9— 12% de magnésio) (Perelli et al. 2009). NHSub4/Subsup+/Sup é especialmente fortemente retido pela vermiculita; a atividade das bactérias nitrificantes, no entanto, permite a recuperação de parte do nitrogênio fixo. Da mesma forma, a vermiculita liga mais de 75% de fosfato de forma irreversível, enquanto possui baixa capacidade absorvente para CLSUP-/SUP, NOsub3/subsup-/sup e SOsub4/subsup-/sup. Estas características devem ser cuidadosamente avaliadas quando a vermiculite é usada como substrato. A estrutura da vermiculita não é muito estável devido a uma baixa resistência à compressão e tende a deteriorar-se ao longo do tempo, reduzindo a drenagem da água. Pode ser usado sozinho; no entanto, é preferível misturá-lo com perlite ou turfa.

   Perlite

   Perlite compreende silicato de alumínio de origem vulcânica contendo 75% SiOsub2/Sub e 13% Alsub2/Sub3/Sub. A matéria-prima é esmagada, peneirada, comprimida e aquecida a 700—1000° C. A estas temperaturas, a pouca água contida na matéria-prima se transforma em vapor, expandindo as partículas em pequenos agregados cinzentos esbranquiçados que, ao contrário da vermiculita, têm uma estrutura celular fechada. É muito leve e possui alta porosidade livre mesmo após a imersão. Não contém nutrientes, tem CEC negligenciável e é praticamente neutro (Tabela 4.3) (Verdonk et al. 1983). O pH, no entanto, pode variar facilmente, porque a capacidade tampão é insignificante. O pH deve ser controlado através da qualidade da água de irrigação e não deve cair abaixo de 5,0 para evitar a fitotóxica efeitos do alumínio. A estrutura celular fechada permite que a água seja mantida apenas na superfície e nos espaços entre as aglomerações, de modo que a capacidade de retenção de água é variável em relação às dimensões das aglomerações. É comercializado em tamanhos diferentes, mas o mais adequado para horticultura é de 2 a 5 mm de diâmetro. Pode ser usado como substrato em camas de enraizamento, pois garante uma boa aeração. Em misturas com materiais orgânicos, aumenta a suavidade, permeabilidade e arejamento do substrato. Perlite pode ser reutilizado por vários anos, desde que seja esterilizado entre os usos.

   Argila expandida

   A argila expandida é obtida pelo tratamento de pó de argila a cerca de 700 C. São formados agregados estáveis e, dependendo do material de argila usado, possuem valores variáveis em relação ao CEC, pH e densidade aparente (Tabela 4.3). A argila expandida pode ser utilizada em misturas com materiais orgânicos em quantidades de cerca de 10— 35% em volume, para as quais proporciona maior aeração e drenagem (Lamanna et al. 1990). As argilas expandidas com valores de pH acima de 7,0 não são adequadas para uso em sistemas sem solo.

   Lão de Pedra

   A lã de pedra é o substrato mais utilizado no cultivo sem solo. A mistura liquefeita é extrudida em fios de 0,05 mm de diâmetro e, após compressão e adição de resinas especiais, o material assume uma estrutura fibrosa muito leve com alta porosidade (Tabela 4.3).

   A lã de pedra é quimicamente inerte e, quando adicionada a um substrato, melhora a sua aeração e drenagem e também oferece uma excelente ancoragem para as raízes das plantas. É usado sozinho, como substrato de semeadura e para cultivo sem solo. As lajes utilizadas para o cultivo podem ser empregadas para vários ciclos de produção dependendo da qualidade, desde que a estrutura seja capaz de garantir porosidade suficiente e disponibilidade de oxigênio para sistemas radiculares. Normalmente, após vários ciclos de colheita, a maior parte da porosidade do substrato é preenchida com raízes antigas e mortas, e isso se deve à compactação do substrato ao longo do tempo. O resultado é uma profundidade reduzida de substrato onde as estratégias de irrigação podem necessitar de adaptação.

   Zeólitas

   As zeólitas compreendem silicatos de alumínio hidratado caracterizados pela capacidade de absorver elementos gasosos; são ricos em macro e microelementos, possuem alto poder absorvente e possuem alta superfície interna (estruturas com poros de 0,5 mm). Este substrato é de grande interesse, uma vez que absorve e libera lentamente iões KSUP+/Sup e NHSub4/Subsup+/Sup, enquanto não é capaz de absorver Clsup-/Sup e Nasup+/Sup, que são perigosos para as plantas. As zeólitas são comercializadas em formulações que diferem no teor de N e P e que podem ser utilizadas na sementeira de sementes, no enraizamento de estacas ou na fase de cultivo (Pickering et al. 2002).

   4.2.4.3 Materiais sintéticos

   Os materiais sintéticos incluem materiais plásticos de baixa densidade e resinas sintéticas de permuta iónica. Estes materiais, chamados “expandidos”, porque são obtidos por um processo de dilatação a altas temperaturas, ainda não são amplamente utilizados, mas possuem propriedades físicas adequadas para equilibrar as características de outros substratos.

   Poliestireno expandido

   O poliestireno expandido é produzido em grânulos de 4 a 10 mm de diâmetro com uma estrutura celular fechada. Não se decompõe, é muito leve e tem uma porosidade muito elevada, mas com uma capacidade de retenção de água extremamente baixa (Tabela 4.3). Não tem CEC e praticamente zero capacidade tampão, por isso é adicionado ao substrato (por exemplo, turfa) exclusivamente para melhorar a sua porosidade e drenagem. O tamanho de partícula preferido é de 4—5 mm (Bunt 2012).

   Espuma de poliuretano

   A espuma de poliuretano é um material de baixa densidade (12-18 kg msup-3/sup) com uma estrutura porosa que permite a absorção de água igual a 70% do seu volume. É quimicamente inerte, tem um pH quase neutro (6,5—7,0), não contém nutrientes úteis disponíveis para as plantas e não sofre decomposição (Kipp et al. 2001). No mercado, é possível encontrá-lo sob a forma de grânulos, cubos de enraizamento ou blocos. Como uma lã de pedra, também pode ser usada para cultivo sem solo.

   4.2.5 Preparação de substratos mistos de cultivo

   Substratos mistos podem ser úteis para reduzir os custos gerais do substrato e/ou para melhorar algumas características dos materiais originais. Por exemplo, turfa, vermiculita e coir podem ser adicionados para aumentar a capacidade de retenção de água; perlita, poliestireno, areia grossa e argila expandida para aumentar a porosidade e drenagem livres; turfa loira para aumentar a acidez; maiores quantidades de material orgânico ou quantidades adequadas de solo argiloso para aumentar a CEC e tampão ; e substratos de baixa decomposição para maior durabilidade e estabilidade. As características das misturas raramente representam a média dos componentes porque com a mistura as estruturas são modificadas entre as partículas individuais e, consequentemente, a relação das características físicas e químicas. Em geral, as misturas com baixo teor de nutrientes são preferíveis, a fim de ser capaz de gerenciar melhor o cultivo. A relação correta entre os diferentes constituintes de uma mistura também varia com as condições ambientais em que ela opera. Em altas temperaturas, é racional utilizar componentes que possuam uma maior capacidade de retenção de água e que não permitam evaporação rápida (por exemplo, turfa) e, ao mesmo tempo, são resistentes à decomposição. Em contraste, em ambientes úmidos, com baixa radiação solar, os componentes caracterizados por alta porosidade são preferidos para garantir uma boa drenagem. Neste caso, será necessário adicionar substratos grosseiros, como areia, pedra-pomes, argila expandida e poliestireno expandido (Bunt 2012).

3. 4.3 Tipos de Sistemas Hidropônicos de acordo com a Distribuição de Água/Nutrientes

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

   4.3.1 Técnica de fluxo profundo (DFT)

   A técnica de fluxo profundo (DFT), também conhecida como técnica de águas profundas, é o cultivo de plantas em suporte flutuante ou suspenso (jangadas, painéis, tábuas) em recipientes preenchidos com solução nutritiva de 10 a 20 cm (Van Os et al. 2008) (Fig. 4.3). Em AP, isso pode ser de até 30 cm. Existem diferentes formas de aplicação que podem ser distinguidas principalmente pela profundidade e volume da solução e pelos métodos de recirculação e oxigenação.

   

   Fig. 4.3 Ilustração de um sistema DFT com painéis flutuantes

   Um dos sistemas mais simples compreende tanques de 20 a 30 cm de profundidade, que podem ser construídos com diferentes materiais e impermeabilizados com filmes de polietileno. Os tanques estão equipados com jangadas flutuantes (vários tipos estão disponíveis por fornecedores) que servem para apoiar as plantas acima da água enquanto as raízes das plantas penetram na água. O sistema é particularmente interessante, pois minimiza os custos e a gestão. Por exemplo, há uma necessidade limitada de automação do controle e correção da solução nutritiva, particularmente em culturas de curta duração, como a alface, onde o volume relativamente elevado de solução facilita o reabastecimento da solução nutritiva apenas no final de cada ciclo, e apenas o O teor de oxigénio tem de ser monitorizado periodicamente. Os níveis de oxigénio devem ser superiores a 4—5 mg de LSUP-1/Sup; caso contrário, podem surgir deficiências de nutrientes devido ao baixo desempenho da absorção dos sistemas radiculares. A circulação da solução normalmente adicionará oxigênio, ou sistemas Venturi podem ser adicionados que aumentam drasticamente o ar no sistema. Isto é especialmente importante quando as temperaturas da água são superiores a 23° C, uma vez que tais temperaturas elevadas podem estimular o aparafusamento da alface.

   4.3.2 Técnica de Filme Nutriente (NFT)

   A técnica NFT é usada onipresente e pode ser considerada o clássico sistema de cultivo hidropônico, onde uma solução nutritiva flui e circula em calhas com uma camada de água de 1—2 cm (Cooper 1979; Jensen e Collins 1985; Van Os et al. 2008) (Fig. 4.4). A recirculação da solução nutritiva e a ausência de substrato representam uma das principais vantagens do sistema NFT. Uma vantagem adicional é o seu grande potencial de automação para economizar custos de mão-de-obra (plantio e colheita) e a oportunidade de gerenciar a densidade ideal da planta durante o ciclo de cultivo. Por outro lado, a falta de substrato e baixos níveis de água torna a NFT vulnerável à falha das bombas, devido, por exemplo, ao entupimento ou a uma falha na fonte de alimentação. Flutuações de temperatura na solução nutritiva podem causar estresse vegetal seguido de doenças.

   

   Fig. 4.4 Ilustração do sistema NFT (à esquerda) e uma calha NFT multicamada, desenvolvida e comercializada pela New Growing Systems (NGS), Espanha (à direita)

   O desenvolvimento do sistema radicular, parte do qual permanece suspenso no ar acima do fluxo de nutrientes e que está exposto a um envelhecimento precoce e perda de funcionalidade, representa uma grande restrição, uma vez que impede a produção de culturas de longo ciclo (mais de 4 a 5 meses). Devido à sua elevada susceptibilidade às variações de temperatura, este sistema não é adequado para ambientes de cultivo caracterizados por elevados níveis de irradiação e temperatura (por exemplo, áreas meridionais da bacia mediterrânica). No entanto, em resposta a esses desafios, uma calha NFT multicamada foi projetada que permite ciclos de produção mais longos sem problemas de entupimento (NGS). É feito de uma série de camadas interconectadas colocadas em uma cascata, de modo que mesmo em espécies de plantas fortes de enraizamento, como tomates, a solução de nutrientes ainda vai encontrar seu caminho para as raízes, ignorando a camada entupida por uma camada posicionada mais baixa.

   4.3.3 Sistemas aeropônicos

   A técnica aeropônica é voltada principalmente para espécies hortícolas menores, e ainda não foi amplamente utilizada devido aos altos custos de investimento e gestão. As plantas são suportadas por painéis de plástico ou por poliestireno, dispostos horizontalmente ou em topos inclinados de caixas de crescimento. Estes painéis são suportados por uma estrutura feita com materiais inertes (plástico, aço revestido com filme plástico, placas de poliestireno), a fim de formar caixas fechadas onde o sistema radicular suspenso pode se desenvolver (Fig. 4.5).

   

   Fig. 4.5 Ilustração da técnica de aeroponia

   A solução nutritiva é pulverizada diretamente nas raízes, que são suspensas na caixa no ar, com aspersores estáticos (pulverizadores), inseridos em tubos alojados dentro do módulo da caixa. A duração da pulverização é de 30 a 60 s, enquanto a frequência varia de acordo com o período de cultivo, a fase de crescimento das plantas, a espécie e a hora do dia. Alguns sistemas usam placas vibratórias para criar micro gotículas de água que formam um vapor que se condensa nas raízes. O lixiviado é coletado na parte inferior dos módulos da caixa e transportado para o tanque de armazenamento, para reutilização.

4. 4.4 Fisiologia Vegetal

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

   4.4.1 Mecanismos de absorção

   Entre os principais mecanismos envolvidos na nutrição vegetal, o mais importante é a absorção que, para a maioria dos nutrientes, ocorre em forma iônica após a hidrólise de sais dissolvidos na solução nutritiva.

   As raízes ativas são o principal órgão da planta envolvida na absorção de nutrientes. Os ânions e catiões são absorvidos a partir da solução nutritiva e, uma vez dentro da planta, fazem com que os prótons (HSUP+/SuP) ou hidroxilos (Ohsup-/Sup) saiam o que mantém o equilíbrio entre as cargas elétricas (Haynes 1990). Este processo, mantendo o equilíbrio iónico, pode provocar alterações no pH da solução em relação à quantidade e qualidade dos nutrientes absorvidos (Fig. 4.6).

   As implicações práticas deste processo para o horticultor são duas vezes: fornecer capacidade tampão adequada para a solução nutritiva (adicionar bicarbonatos, se necessário) e induzir pequenas alterações de pH com a escolha do fertilizante. O efeito dos fertilizantes sobre o pH refere-se às diferentes formas químicas dos compostos utilizados.

   

   Fig. 4.6 Absorção de íons pelo sistema radicular de uma planta

   No caso do N, por exemplo, a forma mais utilizada é o azoto nítrico (NOSub3/SubSUP-/SUP), mas quando o pH deve ser reduzido, o azoto pode ser fornecido sob a forma de azoto amónio (NHsub4/subSUP+/SuP). Esta forma, quando absorvida, induz a liberação de HSUP+/Sup e consequentemente uma acidificação do meio.

   As condições climáticas, especialmente a temperatura do ar e do substrato e a umidade relativa, exercem grande influência na absorção de nutrientes (Pregitzer e King 2005; Masclaux-Daubresse et al. 2010; Marschner 2012; Cortella et al. 2014). Em geral, o melhor crescimento ocorre onde há poucas diferenças entre o substrato e a temperatura do ar. No entanto, níveis persistentemente altos de temperatura no sistema radicular têm um efeito negativo. Temperaturas sub-óptimas reduzem a absorção de N (Dong et al. 2001). Enquanto NHSub4/SubSUP+/SUP é efetivamente utilizado em temperaturas ideais, a baixas temperaturas, a oxidação bacteriana é reduzida, causando acumulação dentro da planta que pode produzir sintomas de toxicidade e danos ao sistema radicular e à biomassa aérea. As baixas temperaturas no nível da raiz também inibem a assimilação de K e P, bem como a translocação de P. Embora a informação disponível sobre o efeito de baixas temperaturas na absorção de micronutrientes seja menos clara, parece que a absorção de Mn, Zn, Cu e Mo é mais afetada (Tindall et al. 1990; Fageria et al. 2002).

   4.4.2 Nutrientes Essenciais, Seu Papel e Possíveis Antagonismos

   A gestão adequada da nutrição vegetal deve basear-se em aspectos básicos que são influenciados pela absorção e utilização de macro e micronutrientes (Sonneveld e Voogt 2009). Macro-nutrientes são necessários em quantidades relativamente grandes, enquanto micronutrientes ou oligoelementos são necessários em pequenas quantidades. Além disso, a disponibilidade de nutrientes para a planta no caso dos sistemas sem solo apresenta fenômenos mais ou menos consistentes de sinergia e antagonismo (Fig. 4.7).

   _Nitrogênio (N) _ O nitrogênio é absorvido pelas plantas para produzir aminoácidos, proteínas, enzimas e clorofila. As formas de nitrogênio mais utilizadas para fertilização vegetal são nitrato e amônio. Os nitratos são rapidamente absorvidos pelas raízes, são altamente móveis dentro das plantas e podem ser armazenados sem efeitos tóxicos. O amónio só pode ser absorvido pelas plantas em quantidades baixas e não pode ser armazenado em quantidades elevadas porque exerce efeitos tóxicos. Quantidades superiores a 10 mg de LSUP-1/Sup inibem a absorção de cálcio vegetal e cobre, aumentam o crescimento da parte aérea em comparação com o crescimento da raiz e resultam em uma forte cor verde das folhas. Outros excessos na concentração de amônia resultam em efeitos fitotóxicos, como a clorose ao longo das margens das folhas. O excesso de fornecimento de azoto provoca um elevado crescimento vegetativo, aumento do comprimento do ciclo das culturas, forte cor das folhas verdes, baixo conjunto de frutos, alto teor de água nos tecidos, baixa lignificação tecidual e elevada acumulação de nitrato tecidual. Comumente, a deficiência de nitrogênio é caracterizada por uma cor verde pálida das folhas mais velhas (clorose), crescimento reduzido e avanço da senescência.

   

   ** Fig. 4.7** Sinergias e antagonismos de nutrientes entre íons. Os íons conectados apresentam relação sinérgica ou antagônica de acordo com a direção da seta

   _Potássio (K) _ O potássio é fundamental para a divisão e extensão celular, síntese de proteínas, ativação enzimática e fotossíntese e também atua como transportador de outros elementos e carboidratos através da membrana celular. Tem um papel importante na manutenção do potencial osmótico da célula em equilíbrio e na regulação da abertura estomatal. Os primeiros sinais de deficiência se manifestam sob a forma de manchas amareladas que rapidamente necrosam nas margens das folhas mais velhas. Plantas deficientes em potássio são mais suscetíveis a quedas bruscas de temperatura, estresse hídrico e ataques fúngicos (Wang et al. 2013).

   _Fósforo (P) _ O fósforo estimula o desenvolvimento das raízes, o rápido crescimento de botões e a quantidade de flores. P é absorvido muito facilmente e pode ser acumulado sem danos à planta. Seu papel fundamental está ligado à formação de compostos de alta energia (ATP) necessários para o metabolismo vegetal. As quantidades médias solicitadas pelas plantas são bastante modestas (10 a 15% das necessidades de N e K) (Le Bot et al. 1998). No entanto, ao contrário do que ocorre no solo, P é facilmente lixiviável em culturas sem solo. A absorção de P parece ser reduzida por baixas temperaturas do substrato (\ 13° C) ou com valores de pH crescentes (\ 6,5), o que pode levar a sintomas de deficiência (Vance et al. 2003). Nestas condições, o aumento da temperatura e/ou a redução do pH é mais eficaz do que as alterações adicionais dos adubos fósforos. O excesso de P pode reduzir ou bloquear a absorção de alguns outros nutrientes (por exemplo, K, Cu, Fe) (Fig. 4.7). A deficiência de fósforo manifesta-se na cor verde-violeta das folhas mais velhas, que podem seguir a clorose e necrose, além do crescimento atrofiado do ápice vegetativo. No entanto, esses sintomas são inespecíficos e dificultam a identificação de deficiências de P (Uchida 2000).

   Cálcio (Ca) _ O cálcio está envolvido na formação da parede celular, permeabilidade da membrana, divisão celular e extensão. A boa disponibilidade dá à planta maior resistência a ataques fúngicos e infecções bacterianas (Liu et al. 2014). A absorção está intimamente ligada ao fluxo de água entre raízes e partes aéreas. Seu movimento ocorre através do xilema e, portanto, é particularmente influenciado por baixas temperaturas ao nível da raiz, pela redução do abastecimento de água (seca ou salinidade da solução) ou pela umidade relativa excessiva do ar. Como Ca não é móvel dentro da fábrica, as deficiências começam a partir das peças mais recentemente formadas (Adams 1991; Adams and Ho 1992; Ho et al. 1993). Os principais sintomas são o crescimento da planta sendo atrofiado, deformação das margens das folhas mais jovens, coloração verde claro ou, por vezes, clorótica de novos tecidos e um sistema radicular atrofiado sem raízes finas. As deficiências são apresentadas de diferentes formas, por exemplo, podridão apical no tomate e/ou escurecimento marginal das folhas em alface.

   Magnésio (Mg) _ O magnésio está envolvido na constituição de moléculas de clorofila. É imobilizado a valores de pH inferiores a 5,5 e entra em concorrência com a absorção de K e Ca (Fig. 4.7). Os sintomas de deficiência são amarelecimento entre as veias foliares e a clorose interna das folhas basais. Como o Mg pode ser facilmente mobilizado, as plantas com deficiência de magnésio irão primeiro quebrar a clorofila nas folhas mais velhas e transportar o Mg para folhas mais jovens. Portanto, o primeiro sinal de deficiência de magnésio é a clorose interveinal em folhas mais velhas, ao contrário da deficiência de ferro onde a clorose interveinal aparece pela primeira vez nas folhas mais jovens (Sonneveld e Voogt 2009).

   _Enxofre (S) _ O enxofre é exigido pela planta em quantidades comparáveis às do fósforo e, para otimizar sua absorção, deve estar presente em uma proporção 1:10 com nitrogênio (McCutchan et al. 2003). É absorvido como sulfato. As deficiências não são facilmente detectadas, pois os sintomas podem ser confundidos com os da deficiência de nitrogênio, exceto que a deficiência de nitrogênio começa a se manifestar a partir das folhas mais velhas, enquanto a do enxofre das mais jovens (Schnug e Haneklaus 2005). A nutrição S tem um papel significativo na melhoria dos danos em aparelhos fotossintéticos causados pela deficiência de FE (Muneer et al. 2014).

   _Iron (Fe) _ O ferro é um dos micronutrientes mais importantes porque é fundamental em muitos processos biológicos, como a fotossíntese (Briat et al. 2015; Heuvelink e Kierkels 2016). Para melhorar a sua absorção, o pH da solução de nutrientes deve ser de cerca de 5,5—6,0, e o teor de Mn não deve ser permitido tornar-se demasiado elevado porque os dois elementos entram posteriormente em competição (Fig. 4.7). A proporção ideal de Fe-Mn é de cerca de 2:1 para a maioria das culturas (Sonneveld e Voogt 2009). Em baixas temperaturas, a eficiência de assimilação é reduzida. Os sintomas de deficiência são caracterizados pela clorose interveinal das folhas jovens para as basais mais velhas e pelo crescimento reduzido do sistema radicular. Os sintomas de deficiência nem sempre são devidos à baixa presença de Fe na solução nutritiva, mas muitas vezes são devidos à indisponibilidade de Fe para a planta. O uso de agentes quelantes garante a disponibilidade constante de Fe para a planta.

   Cloro (Cl) _ O cloro tem sido recentemente considerado um micro-nutriente, mesmo que o seu conteúdo em plantas (0,2— 2,0% dw) seja bastante elevado. É facilmente absorvido pela planta e é muito móvel dentro dela. Está envolvida no processo fotossintético e na regulação da abertura dos estômagos. Deficiências, que são bastante raras, ocorrem com sintomas típicos de secagem das folhas, especialmente nas margens. Muito mais difundido é o dano devido a um excesso de Cl que leva ao encolhimento visível da planta, que é relativo às diferentes sensibilidades de diferentes espécies. Para evitar danos nas culturas, é sempre aconselhável verificar o teor de Cl na água utilizada para preparar soluções de nutrientes e escolher fertilizantes adequados (por exemplo, KSub2/Sub4/Sub em vez de KCl).

   _Sódio (Na) _ O sódio, se em excesso, é prejudicial às plantas, pois é tóxico e interfere com a absorção de outros íons. O antagonismo com K (Fig. 4.7), por exemplo, nem sempre é prejudicial porque em algumas espécies (por exemplo, tomates), melhora o sabor dos frutos, enquanto em outras (por exemplo, feijão), pode reduzir o crescimento das plantas. Semelhante ao Cl, é importante conhecer a concentração na água utilizada para preparar a solução nutritiva (Sonneveld e Voogt 2009).

   _Manganês (Mn) _ O manganês faz parte de muitas coenzimas e está envolvido na extensão das células radiculares e sua resistência aos patógenos. A sua disponibilidade é controlada pelo pH da solução nutritiva e pela concorrência com outros nutrientes (Fig. 4.7). Os sintomas da deficiência são semelhantes aos da Fe, exceto pelo aparecimento de áreas ligeiramente afundadas nas áreas interveinais (Uchida 2000). As correções podem ser feitas adicionando MNSOSub4/sub ou diminuindo o pH da solução nutritiva.

   _Boro (B) _ O boro é essencial para a criação de frutos e o desenvolvimento de sementes. Os métodos de absorção são semelhantes aos já descritos para Ca com os quais ele pode competir. O pH da solução nutritiva deve ser inferior a 6,0 e o nível óptimo parece situar-se entre 4,5 e 5,5. Os sintomas de deficiência podem ser detectados nas novas estruturas que aparecem verde escuro, as folhas jovens aumentam muito sua espessura e têm uma consistência coriácea. Posteriormente, podem aparecer cloróticas e depois necróticas, com coloração enferrujada.

   _Zinc (Zn) _ O zinco desempenha um papel importante em certas reações enzimáticas. A sua absorção é fortemente influenciada pelo pH e pelo fornecimento de P da solução nutriente.Os valores de pH entre 5,5 e 6,5 promovem a absorção de Zn. Baixa temperatura e altos níveis de P reduzem a quantidade de zinco absorvida pela planta. As deficiências de zinco ocorrem raramente, e são representadas por manchas cloróticas nas áreas interveinais das folhas, entrenós muito curtos, epinastia foliar e baixo crescimento (Gibson 2007).

   _Copper (Cu) _ O cobre está envolvido em processos respiratórios e fotossintéticos. A sua absorção é reduzida a valores de pH superiores a 6,5, enquanto valores de pH inferiores a 5,5 podem resultar em efeitos tóxicos (Rooney et al. 2006). Altos níveis de amônio e fósforo interagem com Cu reduzindo a disponibilidade deste último. A presença excessiva de Cu interfere na absorção de Fe, Mn e Mo. As deficiências são manifestadas pela clorose interveinal que leva ao colapso dos tecidos foliares que parecem dessecados (Gibson 2007).

   Molibdênio (Mo) _ O molibdênio é essencial na síntese de proteínas e no metabolismo do nitrogênio. Contrariamente a outros micronutrientes, está melhor disponível em valores de pH neutro. Os sintomas da deficiência começam com clorose e necrose ao longo da costela principal das folhas velhas, enquanto as folhas jovens parecem deformadas (Gibson 2007).

   4.4.3 Gestão de nutrientes em relação aos requisitos das plantas

   Desde o desenvolvimento de sistemas de horticultura sem solo na década de 1970 (Verwer 1978; Cooper 1979), diferentes soluções de nutrientes foram desenvolvidas e ajustadas de acordo com as preferências dos produtores (Tabela 4.4; De Kreij et al. 1999). Todas as misturas seguem os princípios da disponibilidade excessiva de todos os elementos para evitar deficiências e equilíbrio entre catiões (bivalentes) para evitar a concorrência entre catiões na absorção de nutrientes vegetais (Hoagland e Arnon 1950; Steiner 1961; Steiner 1984; Sonneveld e Voogt 2009). Comumente, a CE pode subir na zona radicular em um grau limitado. Nos tomates, por exemplo, a solução nutritiva tem tipicamente uma CE de cerca de 3 dS msup-1/sup, enquanto na zona radicular das lajes de lã de pedra, a CE pode subir para 4—5 dS msup-1/sup. No entanto, nos países do norte da Europa, para a primeira irrigação de novas lajes de lã de pedra no início do ciclo de produção, a solução de nutrientes pode ter uma CE tão alta quanto 5 dS msup-1/sup, saturando o substrato de lã de pedra com íons até uma CE de 10 dS msup-1/sup, que posteriormente será lavado após 2 semanas. Para fornecer descarga suficiente da zona radicular, em um sistema típico de laje de lã de pedra de irrigação por gotejamento, cerca de 20 a 50% da água doseada é coletada como água de drenagem. A água de drenagem é então reciclada, filtrada, misturada com água doce e completada com nutrientes para uso no próximo ciclo (Van Os 1994).

   Na produção de tomate, o aumento da CE pode ser aplicado para melhorar a síntese de licopeno (promovendo a coloração vermelha brilhante dos frutos), sólidos solúveis totais (TSS) e teor de frutose e glicose (Fanasca et al. 2006; Wu e Kubota 2008). Além disso, as plantas de tomate apresentam maiores taxas de absorção para N, P, Ca e Mg e baixa absorção de K durante os estágios iniciais (vegetativos). Uma vez que as plantas começam a desenvolver frutos, a produção de folhas é abrandada, levando a uma redução nas necessidades de N e Ca, enquanto a necessidade de K aumenta (por exemplo, Zekki et al. 1996; Silber, Bar-Tal 2008). Em alface, por outro lado, um aumento da CE pode promover a doença de queimadura nas pontas durante condições de crescimento quente. Huett (1994) mostrou uma diminuição significativa no número de folhas com doença de queimadura por planta quando a CE caiu de 3,6 para 0,4 dS msup-1/sup, bem como quando a formulação de nutrientes K/Ca foi reduzida de 3, 5:1 para 1. 25:1. Na AP, o manejo dos nutrientes é mais difícil do que nos hidropônicos, uma vez que eles dependem principalmente da densidade do estoque de peixes, do tipo de ração e das taxas de alimentação.

   4.4.4 Propriedades da Solução de Nutrientes

   O fósforo é um elemento que ocorre em formas fortemente dependentes do pH ambiental. Na zona radicular, este elemento pode ser encontrado como íons PoSub4/SubSUP-3/SUP, HPOSub4/Subsup2-/sUP e HSub2/Subposub4/Subsup-/sup, onde os dois últimos íons são as principais formas de P tomadas pelas plantas. Assim, quando o pH é ligeiramente ácido (pH 5—6), a maior quantidade de P é apresentada em uma solução nutritiva (De Rijck e Schrevens 1997).

   Potássio, cálcio e magnésio estão disponíveis para plantas em uma ampla gama de pH. No entanto, a presença de outros íons pode interferir na disponibilidade da planta devido à formação de compostos com diferentes graus de solubilidade. A um pH acima de 8,3, os íons CasuP2+/SuP e MgSup2+/Sup precipitam-se facilmente como carbonatos, reagindo com Cosub3/SubSUP2-/Sup. Também o sulfato forma complexos relativamente fortes com CasuP2+/Sup e MGSUP2+/Sup (De Rijck e Schrevens 1998). À medida que o pH aumenta de 2 para 9, a quantidade de Sosub4/SubSUP2-/Sup formando complexos solúveis com MgSup2+/Sup como MgSOsub4/Sub e com KSUP+/Sup como KSOsub4/subsup-/Sup aumenta (De Rijck e Schrevens 1999). Em geral, a disponibilidade de nutrientes para absorção de plantas a pH acima de 7 pode ser restringida devido a uma precipitação de boro, FESUP2+/SUP, MNSup2+/Sup, POSUB4/SubSUP3-/Sup, Casup2+/SUP e MgSUP2+/SUP devido a sais insolúveis e indisponíveis. Os valores de pH mais adequados da solução nutritiva para o desenvolvimento de culturas situam-se entre 5,5 e 6,5 (Sonneveld e Voogt 2009).

   4.4.5 Qualidade da água e nutrientes

   A qualidade da água fornecida é extremamente importante em sistemas hidropônicos e AP. Para a recirculação a longo prazo, a composição química deve ser bem conhecida e monitorizada frequentemente para evitar um desequilíbrio no fornecimento de nutrientes, mas também para evitar a acumulação de certos elementos que conduzam a toxicidade. De Kreij et al. (1999) fizeram uma visão geral das demandas químicas na qualidade da água para sistemas hidropônicos.

   Antes de começar, uma análise do abastecimento de água deve ser feita nos macro e microelementos. Com base na análise, um esquema para a solução nutritiva pode ser feito. Por exemplo, se for utilizada água da chuva, deve ser dada especial atenção ao Zn quando a recolha ocorre através de calhas não tratadas. Na água da torneira, podem surgir problemas com Na, Ca, Mg, SOSub4/Sub e HCOSub3/Sub. Além disso, pode ser utilizada água de furo superficial e de furo que também pode conter quantidades de Na, Cl, K, Ca, Mg, SOSub4/Sub e Fe, mas também microelementos como Mn, Zn, B e Cu. Deve-se notar que todas as válvulas e tubos devem ser feitos de materiais sintéticos, como PVC e PE, e não contendo partes Ni ou Cu.

   Muitas vezes acontece que o abastecimento de água contém uma certa quantidade de Ca e Mg; portanto, o conteúdo deve ser subtraído da quantidade na solução nutritiva para evitar o acúmulo desses íons. O HCOSub3/Sub tem de ser compensado preferencialmente por ácido nítrico, cerca de 0,5 mmol LSUP-1/Sup que pode ser mantido como tampão de pH na solução nutritiva. O ácido fosfórico e sulfúrico também podem ser usados para compensar o pH, mas ambos dão rapidamente um excedente de Hsub2/subposub4/subsup-/sup ou SOsub4/subsup2-/sup na solução nutritiva. Em sistemas AP, o ácido nítrico (HNOSub3/sub) e o hidróxido de potássio (KOH) também podem ser usados para regular o pH e, ao mesmo tempo, fornecer macronutrientes no sistema (Nozzi et al. 2018).

   4.4.5.1 Gestão da Qualidade da Água

   Para a formulação de soluções nutritivas, utilizam-se de preferência fertilizantes simples (granulares, em pó ou líquidos) e substâncias (por exemplo, compostos ácidos) que afetam o pH. A integração dos elementos nutritivos na solução leva em consideração os valores ótimos das quantidades de cada elemento. Isso deve ser feito em relação às necessidades da espécie e das suas cultivares, considerando as fases fenológicas e o substrato. O cálculo dos suplementos nutritivos deve ser realizado considerando as condições da água utilizada, de acordo com um rigoroso conjunto de prioridades. Na escala prioritária, o magnésio e os sulfatos estão posicionados no fundo, no mesmo nível, pois apresentam menor importância nutricional e as plantas não apresentam danos mesmo que sua presença seja abundante na solução nutritiva. Esta característica tem um feedback prático vantajoso, pois permite a exploração dos dois elementos para equilibrar a composição nutricional em relação a outros macronutrientes cuja deficiência ou excesso pode ser negativa para a produção. Como exemplo, podemos considerar uma solução nutritiva onde uma integração de apenas potássio ou apenas nitrato é necessária. Neste caso, os sais a utilizar são, respectivamente, sulfato de potássio ou nitrato de magnésio. De facto, se o nitrato de potássio ou o nitrato de cálcio mais comuns fossem utilizados, os níveis de nitrato, no primeiro caso, e de cálcio, no segundo caso, aumentariam automaticamente. Além disso, quando a análise da água utilizada mostra um desequilíbrio entre cátions e ânions, e para poder calcular uma solução nutritiva com a CE em equilíbrio, a correção dos valores da água é realizada reduzindo os níveis de magnésio e/ou sulfatos.

   Os seguintes pontos fornecem diretrizes para a formulação de soluções nutritivas:

   1. Definição dos requisitos das espécies e das cultivares. É necessário ter em conta o ambiente de cultivo e as características da água. Para satisfazer as necessidades das plantas em períodos quentes e com radiação intensa, a solução deve possuir um menor teor de CE e K, o que contrasta com uma maior quantidade de Ca. Em vez disso, quando a temperatura e o brilho atingem níveis sub-ótimos, é aconselhável elevar os valores da CE e K reduzindo os do Ca. É importante notar, em relação às cultivares, que existem variações substanciais, especialmente para os valores do Nosub3/subsup-/SUP, devido à diferente vigorosidade vegetativa das cultivares. Com efeito, no caso dos tomates, utilizam-se em média 15 mmol LSUP-1/SUP de Nosub3/subsup-/Sup (quadro 4.4) e, no caso das cultivares caracterizadas por baixo vigor vegetativo e em determinadas fases fenológicas (por exemplo, fixação de frutos da quarta treliça), são adotados até 20 mM LSUP-1/SUP de Nosub3/subSUP/SUP. No caso de alguns elementos como Na estarem presentes na água, a fim de reduzir o seu efeito, o que é particularmente negativo para algumas culturas, será necessário aumentar a quantidade de Nosub3/subsup-/Sup e Ca e, possivelmente, diminuir o K, mantendo a CE ao mesmo nível.

   Tabela 4.4 Solução nutritiva no cultivo hidropônico de tomate, pimenta e pepino de alface (DFT) (irrigação por gotejamento de lajes de lã de pedra) nos Países Baixos (De Kreiji et al.1999)

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” th rowspan="2"/th THPH/th TEC/th THNHsub4/sub/th THK/th THCA/th thmg/th Thnosub3/sub/th Thsosub4/sub/th THP/th Thfe/th THMN/th Thzn/th THB/th Thcu/th THMO/th /tr tr class="cabeçalho” th/th THDs msup-1/sup/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th thmmol LSUP-1/SUP/th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TDLettuce (Wageningen UR) /td td5.9/td td1.7/td td1.0/td td4.4/td td4.5/td td1.8/td td10.6/td td1.5/td td1.5/td td28.1/td td1.5/td td6.4/td td47,0/td td1.0/td td0.7/td /tr tr class="mesmo” TDlettuce/TD td5.8/td td1.2/td td0.7/td td4.8/td td2.3/td td0.8/td td8.9/td td0.8/td td1.0/td td35.1/td td4.9/td td3.0/td td18.4/td td0.5/td td0.5/td /tr tr class="ímpar” TDlettuce/TD td5.8/td td1.2/td td/td td3.0/td td2.5/td td1.0/td td7.5/td td1.0/td td0.5/td td50.0/td td3.7/td td0.6/td td4.8/td td0.5/td td0.01/td /tr tr class="mesmo” TDTomato gerativo/td td5.5/td td2.6-3.0/td td1.2/td td13.0/td td4.2/td td1.9/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="ímpar” TDTomate vegetativo/td td5.5/td td2.6/td td1.2/td td8.3/td td5.7/td td2.7/td td15.4/td td4.7/td td1.5/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td30.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="mesmo” TDpepino td5.5/td td3.2/td td1.2/td td10.4/td td6.7/td td2.0/td td23.3/td td1.5-2.0/td td1.5-2.0/td td15.0/td td10.0/td td5.0/td td25.0/td td0.8/td td0.5/td /tr tr class="ímpar” TDpepper/TD td5.6/td td2.5-3.0/td td1.2/td td5-7/td td4-5/td td2.0/td td17.0/td td1.8-2.0/td td1.5-2.5/td td25.0/td td10.0/td td7.0/td td30.0/td td1.0/td td0.5/td /tr tr class="mesmo” Propagação/td TDPlant td5.5/td td2.3/td td1.2/td td6.8/td td4.5/td td3.0/td td16.8/td td2.5/td td1.3/td td25.0/td td10.0/td td5.0/td td35.0/td td1.0/td td0.5/td /tr /tbody /tabela

   Adotado e modificado da Vermeulen (2016, comunicação pessoal)

   2. Os cálculos das necessidades de nutrientes devem ser obtidos subtraindo os valores dos elementos químicos da água dos elementos químicos acima definidos. Por exemplo, a necessidade estabelecida de Mg de pimentas (Capsicum sp.) é de 1,5 mM LSUP-1/Sup, tendo a água a 0,5 mM LSUP-1/Sup, e 1,0 mM LSUP-1/Sup de Mg deve ser adicionada à água (1,5 requisito — 0,5 abastecimento de água = 1,0).

   3. Escolha e cálculo de fertilizantes e ácidos a utilizar. Por exemplo, tendo de fornecer Mg, como no exemplo do ponto 2 supra, pode utilizar-se MgSOSub4/Sub ou Mg (NoSub3/Sub) sub2/sub. Será tomada uma decisão tendo também em conta a contribuição colateral do sulfato ou do nitrato.

   4.4.6 Comparação entre produção hidropônica e aquapônica

   Durante seu ciclo de vida, as plantas precisam de vários macro e microelementos essenciais para o desenvolvimento regular (boro, cálcio, carbono, cloro, cobre, hidrogênio, ferro, magnésio, manganês, molibdênio, nitrogênio, oxigênio, fósforo, potássio, enxofre, zinco), geralmente absorvido a partir da solução nutriente (Bittsanszky et al. 2016). A concentração e a razão de nutrientes entre eles são as variáveis mais importantes capazes de influenciar a absorção das plantas. Nos sistemas AP, os resíduos metabólicos de peixes contêm nutrientes para as plantas, mas deve-se ter em conta, especialmente em escalas comerciais, que as concentrações de nutrientes fornecidas pelos peixes em sistemas AP são significativamente menores e desequilibradas para a maioria dos nutrientes em comparação com os sistemas hidropônicos (Nicoletto et al. 2018). Normalmente, na PA, com taxas adequadas de estocagem de peixes, os níveis de nitrato são suficientes para um bom crescimento das plantas, enquanto os níveis de K e P são geralmente insuficientes para o crescimento máximo das plantas. Além disso, o cálcio e o ferro também podem ser limitados. Isso pode reduzir o rendimento e a qualidade das culturas e, portanto, a integração dos nutrientes deve ser realizada para apoiar uma reutilização eficiente de nutrientes. As comunidades microbianas desempenham um papel crucial na dinâmica de nutrientes dos sistemas AP (Schmautz et al. 2017), convertendo amônio em nitrato, mas também contribuindo para o processamento de material particulado e resíduos dissolvidos no sistema (Bittsanszky et al. 2016). A absorção das plantas de N e P representa apenas uma fração da quantidade retirada da água (Trang e Brix 2014), indicando que os processos microbianos na zona radicular das plantas, no substrato (se presente) e em todo o sistema, desempenham um papel importante.

   A composição dos alimentos para peixes depende do tipo de peixe e isso influencia a liberação de nutrientes da produção metabólica dos peixes. Normalmente, a ração de peixe contém uma fonte de energia (carboidratos e/ou lipídios), aminoácidos essenciais, vitaminas, bem como outras moléculas orgânicas que são necessárias para o metabolismo normal, mas algumas que as células dos peixes não podem sintetizar. Além disso, deve-se ter em conta que as necessidades nutricionais de uma planta variam de acordo com as espécies (Nozzi et al. 2018), variedade, estágio do ciclo de vida, duração do dia e condições climáticas e que, recentemente (Parent et al. 2013; Baxter 2015), a lei de Liebig (o crescimento das plantas é controlado pelo recurso mais escasso) foram substituídos por algoritmos complexos que consideram as interações entre os nutrientes individuais. Ambos os aspectos não permitem uma avaliação simples dos efeitos das alterações nas concentrações de nutrientes em sistemas hidropônicos ou AP.

   Assim, surge a questão de saber se é necessário e eficaz adicionar nutrientes aos sistemas AP. Conforme relatado por Bittsanszky et al. (2016), os sistemas AP só podem ser operados de forma eficiente e, portanto, com sucesso, se forem tomados cuidados especiais através do monitoramento contínuo da composição química da água recirculante para concentrações e proporções adequadas de nutrientes e do componente potencialmente tóxico, amónio. A necessidade de adicionar nutrientes depende das espécies vegetais e do estágio de crescimento. Frequentemente, embora a densidade dos peixes seja ideal para o fornecimento de nitrogênio, deve-se realizar, pelo menos, a adição de P e K com fertilizantes minerais (Nicoletto et al. 2018). Em contraste com, por exemplo, a alface, os tomates que necessitam de dar frutos, amadurecer e amadurecer, necessitam de nutrientes suplementares. Para calcular essas necessidades, um software pode ser usado, como HydroBuddy, que é um software livre (Fernandez 2016) que é usado para calcular a quantidade de suplementos minerais necessários.

5. 4. 5 Desinfecção da solução de nutrientes recirculantes

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

   Para minimizar o risco de propagação de patógenos transmitidos pelo solo, é necessária a desinfecção da solução nutritiva circulante (Postma et al. 2008). O tratamento térmico (Runia et al. 1988) foi o primeiro método utilizado. Van Os (2009) fez uma visão geral dos métodos mais importantes e um resumo é dado abaixo. A recirculação da solução nutritiva abre possibilidades para economizar água e fertilizantes (Van Os 1999). A grande desvantagem da recirculação da solução nutritiva é o risco crescente de espalhar patógenos transmitidos por raízes por todo o sistema de produção. Para minimizar esses riscos, a solução deve ser tratada antes da reutilização. A utilização de pesticidas para tal tratamento é limitada, uma vez que não existem pesticidas eficazes para todos esses agentes patogénicos e, se disponível, pode surgir resistência e a legislação ambiental restringe a descarga de água com pesticidas (e nutrientes) no ambiente (Parlamento Europeu e Conselho Europeu 2000). Além disso, em sistemas AP, o uso de agrotóxicos exerce efeitos negativos na saúde dos peixes e não pode ser realizado, mesmo que partes hidropônicas e AP do sistema estejam em salas diferentes, pois a pulverização de produtos químicos pode entrar na solução nutritiva através de água de condensação ou por pulverização direta sobre o substrato lajes. Neste contexto, pode ser adotada uma abordagem de controlo biológico para gerir as doenças de pragas, que pode ser acessada através da Ficha de Informações sobre o Hub Aquaponics da UE (Hub da UE Aquaponics). Ao mesmo tempo, problemas semelhantes podem ser observados para o tratamento de peixes usando medicamentos veterinários que não são compatíveis com o ciclo da planta.

   4.5.1 Descrição dos métodos de desinfecção

   A desinfecção da solução nutritiva circulante deve ocorrer continuamente. Para uma estufa de 1000 msup2/sup em cultivo de substrato (lã de pedra, coir, perlita), é necessária uma capacidade de desinfecção de cerca de 1—3 msup3/sup por dia para desinfectar um excedente necessário estimado de 30% da água fornecida com gotejamento irrigação para plantas de tomate durante um período de 24 horas em condições de verão. Devido à taxa de retorno variável da água de drenagem, é necessário um tanque de captação suficientemente grande para a água de drenagem, no qual a água é armazenada antes de ser bombeada para a unidade de desinfecção. Após a desinfecção é necessário outro tanque para armazenar a água limpa antes de ajustar CE e pH e misturar-se com água nova para abastecer as plantas. Ambos os tanques têm um tamanho médio de 5 msup3/sup por 1000 msup2/sup. Em um sistema de filme nutriente (NFT), cerca de 10 msup3/sup por dia devem ser desinfectados diariamente. Considera-se geralmente que essa capacidade não é econômica para desinfectar (Ruijs 1994). O DFT requer tratamento semelhante. Esta é a principal razão pela qual as unidades de produção NFT e DFT normalmente não desinfectam a solução nutritiva. A desinfecção é realizada por métodos não químicos ou químicos da seguinte forma:

   4.5.1.1 Métodos não químicos

   Em geral, estes métodos não alteram a composição química da solução, e não há acumulação de resíduos:

   1. Tratamento térmico. O aquecimento da água de drenagem a temperaturas altas o suficiente para erradicar bactérias e patógenos é o método mais confiável para a desinfecção. Cada tipo de organismo tem sua própria temperatura letal. As bactérias não formadoras de esporos têm temperaturas letais entre 40 e 60° C, fungos entre 40 e 85° C, nemátodos entre 45 e 55° C e vírus entre 80 e 95° C (Runia et al. 1988) em um tempo de exposição de 10 s. Geralmente, o ponto de ajuste de temperatura de 95° C é alto o suficiente para matar a maioria dos organismos que são Embora possa parecer muito intensivo em termos energéticos, deve-se notar que a energia é recuperada e reutilizada com permutadores de calor. A disponibilidade de uma fonte de energia barata é de maior importância para a aplicação prática.

   2. Radiação UV. A radiação UV é radiação eletromagnética com um comprimento de onda entre 200 e 400 nm. Comprimentos de onda entre 200 e 280 nm (UV-C), com um ótimo em 254 nm, tem um forte efeito de morte em microrganismos, pois minimiza a multiplicação de cadeias de DNA. São necessários diferentes níveis de radiação para diferentes organismos, de modo a atingir o mesmo nível de eficácia. Runia (1995) recomenda uma dose que varia de 100 mJ cmsup-2/sup para eliminar bactérias e fungos a 250 mJ cmsup-2/sup para eliminar vírus. Estas doses relativamente elevadas são necessárias para compensar variações na turbidez da água e variações na penetração da energia na solução devido à baixa turbulência em torno da lâmpada UV ou variações na saída da lâmpada UV. Zoschke et al. (2014) revisaram que a irradiação UV a 185 e 254 nm oferece controle e desinfecção de contaminantes orgânicos da água. Além disso, Moriarty et al. (2018) relataram que a radiação UV inativou eficientemente coliformes em sistemas PA.

   3. Filtração. A filtração pode ser usada para remover qualquer material não dissolvido da solução nutritiva. Vários tipos de filtros estão disponíveis em relação à gama de tamanhos de partículas. Filtros rápidos de areia são frequentemente usados para remover partículas grandes da água de drenagem antes de adicionar, medir e controlar CE, pH e aplicação de novos fertilizantes. Depois de passar a unidade de fertilizante, muitas vezes um filtro sintético fino (50—80 um) é construído no fluxo de água para remover sais de fertilizantes não dissolvidos ou precipitados para evitar o entupimento dos gotejadores de irrigação. Estes filtros sintéticos também são utilizados como pré-tratamento para métodos de desinfecção com tratamento térmico, tratamento de ozônio ou radiação UV. Com reduções no tamanho dos poros de filtração, o fluxo é inibido, de modo que a remoção de partículas muito pequenas requer uma combinação de filtros adequados e alta pressão seguida de limpeza frequente do (s) filtro (s). A remoção de agentes patogênicos requer tamanhos de poros relativamente pequenos (\ 10 μm; os chamados micro, ultra- ou nanofiltração).

   4.5.1.2 Métodos químicos

   1. _Ozono (O<sub3/sub) _. O ozônio é produzido a partir de ar seco e eletricidade usando um ozonegenerator (convertendo 3OSub2/sub → 2OSub3/sub). O ar enriquecido com ozono é injetado na água que está sendo higienizada e armazenada por um período de 1 h. Runia (1995) concluiu que um fornecimento de ozônio de 10 g por hora por msup3/sup água de drenagem com um tempo de exposição de 1 h é suficiente para eliminar todos os agentes patogênicos, incluindo vírus. A redução das populações microbianas na produção de vegetais em sistemas sem solo manejados com ozônio também foi observada por Nicoletto et al. (2017). A exposição humana ao ozono que sai do sistema ou dos reservatórios de armazenamento deve ser evitada, uma vez que mesmo um curto tempo de exposição de uma concentração de 0,1 mg de LSUP-1/Sup de ozono pode causar irritação das mucosas. Uma desvantagem do uso do ozônio é que ele reage com quelato de ferro, como o UV faz. Consequentemente, doses mais elevadas de ferro são necessárias e medidas precisam ser tomadas para lidar com depósitos de ferro no sistema. Pesquisas recentes (Van Os 2017) com instalações contemporâneas de ozônio parecem promissoras, onde a eliminação completa de patógenos e a quebra de pesticidas remanescentes é alcançada, sem problemas de segurança.

   2. _Peróxido de hidrogénio (Hsub2/subosub2/sub) _ O peróxido de hidrogênio é um agente oxidante forte e instável que reage para formar HSub2/Subo e um radical O. Comercialmente, os chamados ativadores são adicionados à solução para estabilizar a solução original e aumentar a eficácia. Os ativadores são principalmente ácido fórmico ou ácido acético, que diminuem o pH na solução nutritiva. Recomenda- se doses diferentes (Runia 1995) contra Pythium spp. (0,005%), outros fungos (0,01%), como Fusarium e vírus (0,05%). A concentração de 0,05% também é prejudicial às raízes das plantas. O peróxido de hidrogênio é especialmente útil para a limpeza do sistema de rega, enquanto o uso para a desinfecção foi tomado por outros métodos. O método é considerado barato, mas não eficiente.

   3. _Hipoclorito de sódio (NaOCl) _. O hipoclorito de sódio é um composto com nomes comerciais diferentes (por exemplo, alvejante doméstico) com concentrações diferentes, mas com a mesma estrutura química (NaOCl). É amplamente utilizado para tratamento de água, especialmente em piscinas. O produto é relativamente barato. Quando adicionado à água, o hipoclorito de sódio decompõe-se para HoCl e NaOH e dependendo do pH para OCLSUP/SUP; este último decompõe-se para Cl e Osup. /sup para oxidação forte. Ele reage diretamente com qualquer substância orgânica, e se houver hipoclorito suficiente, ele também reage com agentes patogênicos. Le Quillec et al. (2003) mostraram que a viabilidade do hipoclorito depende das condições climáticas e das reações de decomposição relacionadas. Altas temperaturas e contato com o ar causam decomposição rápida, na qual Naclosub3/sub é formado com propriedades fitotóxicas. Runia (1995) mostrou que o hipoclorito não é eficaz para eliminar vírus. A cloração com uma concentração de 1—5 mg de Cl LSUP-1/Sup e um tempo de exposição de 2 h atingiu uma redução de 90—99,9% de Fusarium oxysporum, mas alguns esporos sobreviveram em todas as concentrações. Devem ser tomadas medidas de segurança para um armazenamento e manuseamento seguros. O hipoclorito pode funcionar contra uma série de agentes patogénicos, mas não todos, mas, ao mesmo tempo, a concentração de Nasup+/SUP e Clsup-/Sup é aumentada em um sistema de crescimento fechado, o que também levará a níveis que diminuem a produtividade da cultura e, nesse momento, a solução nutritiva deve ser lixiviada. Apesar das desvantagens acima mencionadas, o produto é usado e recomendado por agentes comerciais como um método barato e útil.

   4.5.2 Métodos químicos versus não-químicos

   Os produtores preferem métodos de desinfecção com excelente desempenho em combinação com baixos custos. Um bom desempenho pode ser descrito eliminando patógenos com uma redução de 99,9% (ou uma redução de log 3) combinada com um processo claro, compreensível e controlável. Os baixos custos são preferencialmente combinados com baixos investimentos, baixos custos de manutenção e não há necessidade de o produtor atuar como especialista em laboratório. O tratamento térmico, a radiação UV e o tratamento com ozônio mostram um bom desempenho. No entanto, os investimentos no tratamento do ozono são muito elevados, resultando em custos anuais elevados. O tratamento térmico e a radiação UV também têm altos custos anuais, mas os investimentos são menores, enquanto o processo de eliminação é fácil de controlar. Os dois últimos métodos são mais populares entre os produtores, especialmente em viveiros maiores que 1 ou 2 ha. A filtragem lenta de areia é menos perfeita em desempenho, mas tem custos anuais consideravelmente mais baixos. Este método poderia ser recomendado para produtores com menos de 1 ha e para produtores com capital de investimento inferior, uma vez que os filtros de areia podem ser construídos pelo próprio produtor. O hipoclorito de sódio e o peróxido de hidrogênio também são métodos baratos, mas o desempenho é insuficiente para eliminar todos os agentes patogênicos. Além disso, é um biocida e não um pesticida, ou seja, por lei, pelo menos na UE, é legalmente proibido usá-lo para a eliminação de agentes patogénicos.

   4.5.3 Biofouling e Pré-tratamento

   Os métodos de desinfecção não são muito seletivos entre agentes patogênicos e outros materiais orgânicos na solução. Portanto, recomenda-se o pré-tratamento (filtros rápidos de areia, ou filtros mecânicos de 50 a 80 um) da solução antes da desinfecção no tratamento térmico, radiação UV e tratamento com ozônio. Se, após a desinfecção, os resíduos dos métodos químicos permanecerem na água, podem reagir com os biofilmes que foram formados nas tubulações dos sistemas de rega. Se o biofilme for liberado das paredes dos tubos, eles serão transportados para os gotejadores e causarão entupimento. Vários métodos oxidantes (hipoclorito de sódio, peróxido de hidrogênio com ativadores, dióxido de cloro) são usados principalmente para limpar linhas de tubulação e equipamentos, e estes criam um risco especial para obstruir gotejadores ao longo do tempo.