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Capítulo 5 Aquapônica: O básico

1. 5.1 Introdução

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

   Aquaponics é uma tecnologia que é um subconjunto de uma abordagem agrícola mais ampla conhecida como sistemas agro-aquícolas integrados (IAAS) (Gooley e Gavine 2003). Esta disciplina consiste em integrar práticas aquícolas de várias formas e estilos (principalmente aquicultura de barbatanas) com a produção agrícola de base vegetal. A lógica dos sistemas agro-aquícolas integrados consiste em aproveitar os recursos partilhados entre a aquicultura e a produção vegetal, como a água e os nutrientes, para desenvolver e alcançar práticas de produção primária economicamente viáveis e ambientalmente mais sustentáveis (Gooley e Gavine 2003). Em essência, tanto os sistemas de produção de plantas terrestres como de animais aquáticos compartilham um recurso comum: a água. As plantas são geralmente consumidoras de água via transpiração e liberam-a para o ambiente gasoso circundante, enquanto os peixes são geralmente menos consumíveis de água, mas sua cultura contida produz fluxos substanciais de águas residuais devido a resíduos metabólicos acumulados. Por conseguinte, a aquicultura pode ser integrada na via de abastecimento de água da produção vegetal de formas não consumíveis, de modo a que duas culturas (peixes e plantas) possam ser produzidas a partir de uma fonte de água que é geralmente utilizada para produzir uma única cultura (plantas).

   Uma vantagem adicional interessante de integrar a aquicultura com a via de abastecimento de irrigação para a produção vegetal é que a aquicultura também produz resíduos de nutrientes através dos resíduos dissolvidos e não dissolvidos produzidos a partir do metabolismo de peixes (e outros animais aquáticos). Portanto, a aquicultura também pode produzir fluxos de nutrientes residuais adequados e auxiliares na produção vegetal, contribuindo para as necessidades de nutrientes das plantas.

   As vantagens produzidas pela integração da aquicultura com sistemas convencionais de produção de plantas terrestres e aquáticas foram resumidas por Gooley e Gavine (2003) como:

   1. Aumento da produtividade e da rentabilidade das explorações agrícolas sem qualquer aumento líquido do consumo de água (Capítulo 2).

   2. Diversificação das explorações agrícolas em culturas de maior valor, incluindo espécies aquáticas de alto valor.

   3. Reutilização de recursos residuais na exploração (por exemplo, captura e reutilização de nutrientes e água).

   4. Redução dos impactos ambientais líquidos das práticas agrícolas semi-intensivas e intensivas.

   5. Benefícios económicos líquidos através da compensação do capital agrícola existente e das despesas de exploração (capítulo 18).

   Dizem que a aquapônica evoluiu a partir de práticas agrícolas relativamente antigas associadas à integração da cultura de peixe com a produção vegetal, especialmente aquelas desenvolvidas dentro do Sudeste Asiático, contexto de cultivo de arroz inundado e Chinampa sul-americana, ilha flutuante, práticas agrícolas ( Komives e Junge 2015). Na realidade, historicamente, os peixes raramente foram adicionados ativamente aos arrozais até o século XIX (Halwart e Gupta 2004) e estavam presentes em densidades muito baixas, o que não contribuiria para qualquer assistência nutritiva substancial às plantas. Chinampas eram tradicionalmente construídas em lagos no México onde nutrientes

   As vantagens podem ter sido fornecidas através dos sedimentos eutróficos ou semieutróficos de lagos, em vez de diretamente a partir de qualquer sistema de produção de peixes concebido ou activamente integrado (Morehart 2016; Baquedano 1993).

   A aquaponia moderna começou nos EUA na década de 1970 e foi co-evoluída por várias instituições com interesse em práticas agrícolas mais sustentáveis. O primeiro trabalho importante foi realizado por vários pesquisadores, mas, em última análise, o progenitor de quase toda a aquapônica moderna é pensado para ser o trabalho realizado por, e os sistemas produzidos por, James Rakocy e sua equipe na Universidade das Ilhas Virgens (UVI) a partir do início da década de 1980 (Lennard 2017).

   A Aquapônica é agora considerada uma indústria nova e emergente, com um lugar relevante no contexto de produção agrícola global mais amplo e há uma série de variações na tecnologia de integração da cultura de peixe com a cultura de plantas aquáticas que são definidas coletivamente sob a bandeira ou nome da aquapônica ( Knaus e Palm 2017). Portanto, a aquapônica busca integrar a produção animal de cultura aquaaquacom a produção de plantas hidropônico usando vários métodos para compartilhar recursos hídricos e nutrientes entre os principais componentes de produção para produzir peixes e produtos vegetais comerciais e comercializáveis.

2. 5.2 Uma definição de aquapônica

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

   A Aquaponics enquadra-se na definição mais ampla de sistemas agro-aquícolas integrados (IAAS). No entanto, o IAAS aplica muitas tecnologias diferentes de produção de animais aquáticos e vegetais em muitos contextos, enquanto a aquapônica está muito mais fortemente associada à integração de tecnologias de cultura piscícola baseadas em tanques (por exemplo, sistemas aquícolas de recirculação; RAS) com tecnologias de cultura de plantas aquáticas ou hidropônicas ( Lennard 2017). As tecnologias RAS aplicam métodos conservados e padrão para a cultura de peixes em tanques com filtração aplicada para controlar e alterar a química da água para torná-la adequada para peixes (isto é, remoção rápida e eficiente de resíduos sólidos de peixes, conversão eficiente e bacteriamediada de resíduos de peixes dissolvidos potencialmente tóxicos amónia a nitrato menos tóxico e manutenção de oxigénio através de aeração assistida ou de oxigénio injectado directamente) (Timmons et al. 2002). As tecnologias de hidroponia e de cultura de substrato aplicam métodos conservados e normalizados para a cultura de plantas terrestres comestíveis em ambientes aquáticos (isto é, as plantas têm acesso aos nutrientes necessários para o crescimento através de um método de entrega à base de água) (Resh 2013).

   A associação da aquapônica com a aquicultura padrão RAS e a cultura hidropônico/ substrato significa que a aquapônica é muitas vezes definida simplesmente como “... a combinação da produção de peixe (aquicultura) e hidroponia de cultivo de plantas sem solo sob circulação de água acoplada ou dissociada” (Knaus e Palm 2017). Esta definição ampla coloca uma ênfase na integração de hardware, equipamentos ou tecnologias e coloca pouca, se houver, ênfase em quaisquer outros aspectos do método.

   Como a aquapônica é uma tecnologia relativamente nova de escala industrial que aplica métodos e abordagens diferentes, a definição aplicada parece muito ampla. Alguns definem a aquaponia apenas dentro de um contexto de recirculação (Cerozi e Fitzsimmons 2017), alguns se concentram em abordagens que não devolvem a água das plantas para o peixe (Delaide et al. 2016) e outros incluem métodos de recirculação e dissociação (Knaus e Palm 2017). Além disso, alguns pesquisadores estão incluindo o uso de efluentes aquícolas irrigados para a produção vegetal à base de solo sob o título aquapônico (Palm et al. 2018). Historicamente, a aquapônica, como sugere a quebra da palavra (aquacultura e hidroponics), foi definida como apenas no que diz respeito à aquicultura e à produção de plantas hidropônicas (Rakocy e Hargreaves 1993), de modo que as tentativas atuais de associações com a cultura baseada no solo parecem incongruentes.

   

   Fig. 5.1 Representação esquemática dos fluxos de nutrientes dentro de um sistema aquapônico. A ração para peixes é o principal ponto de entrada de nutrientes. Os peixes comem a ração, usam os nutrientes que precisam, liberam o resto como lixo e este lixo é então dividido entre os micróbios, plantas e água do sistema. (adaptado de Lennard 2017)

   Enquanto os sistemas aquánicos integram tecnologias de aquicultura baseadas em tanques com tecnologias de cultura de plantas hidropônicas, os sistemas aquánicos funcionam fornecendo nutrientes e dividindo nutrientes entre os habitantes de produção (peixes e plantas) e os habitantes que realizam serviços biológicos e químicos que auxiliam o resultado do habitante da produção (microflora) (Fig. 5.1) (Lennard 2017). Portanto, a aquapônica é mais um sistema associado ao suprimento de nutrientes, dinâmica e particionamento em vez de um associado à tecnologia, equipamento ou hardware aplicado?

   Nas últimas décadas, a definição de aquapônica incluiu um tema semelhante, com variações sutis. A definição mais ampla foi geralmente fornecida nas publicações científicas de Rakocy e sua equipe UVI, por exemplo:

   _Aquaponics é a cultura combinada de peixes e plantas em sistemas fechados de recirculação. _

   — Rakocy et al. (2004a, b)

   Esta definição inicial foi baseada no pressuposto de que sistemas de um ciclo, totalmente recirculantes, consistindo de um componente aquícola recirculante e um componente hidropônico, representavam todos os sistemas aquánicos, o que na época, eles faziam. Graber e Junge (2009) ampliaram a definição, devido a mudanças e desenvolvimentos na abordagem, da seguinte forma:

   _Aquaponic é uma forma especial de sistemas aquícolas de recirculação (RAS), ou seja, um policultura constituído por tanques de peixes (aquicultura) e plantas cultivadas no mesmo círculo de água (hidropônico) . _

   — Graber e Junge (2009)

   Desenvolvimentos e métodos recentes exigem uma reconsideração deste ponto de vista. Nos últimos anos, uma mudança do foco da aquaponia para um sistema de produção que aborda tanto a responsabilidade ecológica como a sustentabilidade econômica tem estado presente. Kloas et al. (2015) e Suhl et al. (2016) foram um dos primeiros a abordar esta consideração econômica:

   _ [...] foi desenvolvido um sistema aquaponico único e inovador de dupla recirculação como pré-requisito para uma elevada produtividade comparável às instalações profissionais autónomas de peixes/plantas. _

   — Suhl et al. (2016)

   A questão da definição, ou clarificar “o que pode ser definido como aquapônica”, tem sido um ponto de discussão nos últimos anos. Uma das principais áreas de desenvolvimento tem sido a de sistemas aquapônicos multi-loop (ou dissociados) que visam fornecer fertilizantes adicionais às plantas, a fim de expô-las a uma concentração ideal de nutrientes (Goddek 2017). Não deve haver oposição entre as ideologias de metodologias aquapônicas totalmente recirculantes e multi-loop, ambos têm seus respectivos lugares e aplicações dentro do contexto industrial apropriado e uma única força motriz comum de ambos deve ser que a tecnologia, embora seja nutriente e água eficiente, também precisa ser economicamente competitivo para se estabelecer no mercado. Para substituir as práticas convencionais, é necessário oferecer mais do que uma ideologia aos potenciais clientes/utilizadores — isto é, viabilidade técnica e económica.

   O European COST Aquaponics Hub patrocinado pela COST (COST FA1305 2017) aplica a definição ”... um sistema de produção de organismos aquáticos e plantas onde a maioria (\ > 50%) dos nutrientes que sustentam o crescimento ideal das plantas deriva de resíduos provenientes da alimentação dos organismos aquático", o que coloca claramente uma ênfase no aspecto de partilha de nutrientes da tecnologia.

   Deve também afirmar-se que a proporção de peixe em relação às plantas deve permanecer a um nível que apoie uma perspectiva central da aquapônica; que as plantas são cultivadas com resíduos de peixe. Um sistema contendo um peixe e vários hectares de cultivo de plantas hidropônicas, por exemplo, não deve ser considerado aquapônica, simplesmente porque esse peixe não contribui efetivamente para as necessidades de nutrientes das plantas. Uma vez que a rotulagem dos produtos aquánicos desempenha um papel cada vez mais importante na escolha dos consumidores, queremos incentivar uma discussão através da redefinição da aquaponia com base nestes múltiplos desenvolvimentos da tecnologia. Apesar de defendermos que o ciclo dos nutrientes seja encerrado ao mais alto grau possível no contexto dos melhores meios praticáveis, uma definição potencial deve também ter em consideração todos os desenvolvimentos.

   Por conseguinte, a definição deve conter, no mínimo, a exigência de uma maioria de nutrientes derivados da aquicultura para as plantas. Uma nova definição pode, portanto, ser representada como:

   Aquaponics uis/u definido como um sistema de aquicultura de recirculação (RAS) integrado e uma unidade hidropônica conectada, em que a água para cultura é compartilhada em alguma configuração entre as duas unidades. fornecidos para as plantas devem ser resíduos de peixe derived/u.

   As definições baseadas em nutrientes são abertas e não julgam a escolha da tecnologia aplicada, ou mesmo as proporções de cada componente (peixes e plantas), desde que a cultura de peixe e alguma forma de tecnologia de produção de plantas aquáticas (hidropônicas ou de substratos) sejam utilizadas. No entanto, também foca a definição nos aspectos dinâmicos de nutrientes e compartilhamento de nutrientes dos métodos aplicados e, portanto, garante, pelo menos em certa medida, que as vantagens frequentemente associadas à aquapônica (economia de água, eficiência de nutrientes, impacto ambiental reduzido, sustentabilidade) estão presentes na alguma proporção.

   A definição de associação de nutrientes aplicada à aquapônica será sempre uma fonte de maior contenção entre aqueles que a praticam. Isso é apoiado pelo fato de que o nome aquaponics é aplicado a uma vasta gama de diferentes tecnologias com diferentes motivações de fornecimento de nutrientes e resultados de uso: a partir de projetos de sistemas e métodos que esperam, se não exigem, que a grande maioria dos nutrientes necessários para cultivar as plantas nasça do Resíduos de peixes (em alguns casos, superiores a 90%; Lennard 2017) para projetos que compartilham o abastecimento de nutrientes vegetais entre resíduos de peixes e adições externas mais substanciais (por exemplo, aproximadamente 50:50 resíduos de peixes para suplementação externa — como fazem muitos projetos modernos de sistemas aquapônicos europeus dissociados; COST FA1305 2017) para aqueles projetos que adicionam tão poucos peixes que nenhum fornecimento de nutrientes discernível dos resíduos de peixe para as plantas está presente (Lennard 2017).

   O nome aquaponics, até relativamente recentemente (ou seja, os últimos 3 a 5 anos), tem sido universalmente aplicado a projetos de sistemas acoplados e totalmente recirculantes que buscam fornecer o máximo possível de nutrição vegetal necessária a partir dos resíduos de peixes (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017) (Fig. 5.2).

   

   Fig. 5.2 Esquema simplificado dos fluxos de água principais dentro de um sistema aquapônico acoplado. As concentrações de nutrientes na água de processo são igualmente distribuídas por todo o sistema

   No entanto, as abordagens dissociadas representam agora uma proporção dos sistemas que estão sendo pesquisados ou aplicados comercialmente, especialmente na Europa, e na prática atual não fornecem os requisitos de nutrientes das plantas dos resíduos de peixes na mesma medida que os sistemas de recirculação total (Lennard 2017; Goddek e Keesman 2018 ). Por exemplo, Goddek e Keesman (2018) afirmam que, para 3 exemplos de projetos atuais de sistemas aquapônicos desacoplados europeus, os requisitos relativos de adição para nutrientes externos derivados hidropônicos são 40— 60% (NerBreen), 60% (Tilamur) e 38,1% (IGB Berlin). Como esses projetos dissociados se baseiam na integração das tecnologias existentes de cultura hidropônico/substrato e RAS, eles são considerados de natureza aquapônica (Delaide et al. 2016) (Fig. 5.3) (ver Cap. 8).

   A definição de aquapônica está agora sendo expandida além dos fatores ecológicos, de água e de eficiência de nutrientes e otimização para incluir também motoristas econômicos (Goddek e Körner 2019; Goddek e Keesman 2018; Goddek 2017; Kloas et al. 2015; Reyes Lastiri et al. 2016; Yogev et al. 2016) (Chap. 8. Os benefícios de tal abordagem são que um resultado econômico positivo da tecnologia aquapônica é tão importante quanto suas credenciais biológicas, químicas, de engenharia, ecológicas e sustentáveis e, portanto, o resultado econômico deve desempenhar um papel dentro da definição geral (Cap. 8).

   Muitas vantagens estão frequentemente associadas à aquapônica, especialmente em termos de eficiência no uso da água, eficiência no uso de nutrientes, natureza sustentável, capacidade de produzir duas culturas a partir de uma única fonte de entrada (ração para peixes) e redução do impacto ambiental (Timmons, et al., 2002; Buzby e Lian-shin 2014; Wongkiew et al. 2017; Roosta e Hamidpour 2011; Suhl et al. 2016). Estas vantagens são regularmente citadas e aplicadas por operadores aquánicos comerciais e são utilizadas como uma via de comercialização e regulação de preços para os produtos (peixes e plantas) e, portanto, o uso da denominação “aquaponics” associa direta e imediatamente que os produtos rotulados como tal foram produzidos com métodos que contêm ou utilizam as vantagens listadas. No entanto, não existe uma regulamentação formal da indústria que determine que o uso da palavra (aquapônica) só ocorre quando as vantagens são aparentes e presentes na tecnologia e nos métodos aplicados. Se as vantagens acima são atribuídas à aquapônica como tecnologia, então certamente a tecnologia deve fornecer as vantagens prescritas e, se a tecnologia não fornecer as vantagens, a palavra não deve ser aplicada (Lennard 2017).

   

   Fig. 5.3 Esquema simplificado dos fluxos de água principais dentro de um sistema aquapônico dissociado. As concentrações de nutrientes em cada componente podem ser adaptadas separadamente às necessidades de cada componente.

   Como a aquaponia pode ser definida em termos de seu aspecto de integração de equipamentos de hardware (RAS com hidroponia), suas propriedades de compartilhamento ou particionamento de nutrientes ou sua capacidade de fornecer vantagens importantes, ainda há um amplo espectro de possíveis aplicações do nome para muitos técnicos diferentes abordagens que utilizam diferentes métodos e exigem resultados diferentes. Portanto, parece que a definição real de aquapônica ainda não está resolvida.

   Parece, portanto, que questões muito importantes ainda não foram respondidas: o que é a aquapônica e como é definida?

   Isto sugere que um aspecto muito importante para a indústria aquapônica considerar é o desenvolvimento de uma definição verdadeira e acordada. A indústria aquapônica mais ampla continuará cheia de desacordo se uma definição não for acordada, e mais importante ainda, os consumidores dos produtos produzidos dentro dos sistemas aquapônicos ficarão cada vez mais confusos sobre o que a aquapônica realmente é - um estado de coisas que não ajudará o crescimento e evolução da indústria.

3. 5.3 Princípios gerais

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   Embora a definição de aquapônica não tenha sido totalmente resolvida, existem alguns princípios gerais que estão associados à ampla gama de métodos e tecnologias aquapônicas.

   Usar os nutrientes adicionados ao sistema aquapônico da forma mais otimizada e eficiente possível para produzir os dois principais produtos da empresa (ou seja, peixe e biomassa vegetal) é um primeiro princípio importante e compartilhado associado à tecnologia (Rakocy e Hargreaves 1993; Delaide et al. 2016; Knaus e Palm 2017). Não adianta adicionar nutrientes (que possuem um custo inerente em termos de dinheiro, tempo e valor) a um sistema para observar que uma alta porcentagem desses nutrientes é dividida em processos, requisitos ou resultados que não estão diretamente associados aos peixes e plantas produzidos, ou a qualquer vida intermediária formas que podem auxiliar o acesso de nutrientes pelos peixes e plantas (isto é, microrganismos — bactérias, fungos, etc.) (Lennard 2017). Portanto, provavelmente o princípio geral mais importante associado à aquapônica é usar os nutrientes aplicados da forma mais eficiente possível para alcançar a produção otimizada de peixes e plantas.

   Este mesmo argumento pode também ser aplicado às necessidades de água do sistema aquaponico em questão; mais uma vez, a água adicionada ao sistema deve ser utilizada principalmente pelos peixes e plantas e utilizada da forma mais eficiente possível e não pode vazar para processos, formas de vida ou resultados que não sejam diretamente associados à produção de peixes e plantas ou podem impactar no meio ambiente circundante (Lennard 2017).

   Em termos reais, o uso eficiente de nutrientes e água leva a vários princípios de design que são amplamente aplicados ao método aquapônico:

   1. O princípio mais importante da aquapônica é a utilização dos resíduos produzidos pelos peixes como fonte de nutrientes para as plantas. Na verdade, esta é toda a idéia de aquapônica e, portanto, deve ser um driver de primeira ordem para o método. A aquapônica foi historicamente considerada como um sistema de cultivo de plantas usando resíduos de aquicultura de peixes, de modo que esses resíduos de aquicultura tiveram menos impacto ambiental e foram vistos como uma mercadoria positiva e rentável, em vez de um produto residual problemático com um custo associado para atender às leis ambientais requisitos (Rakocy e Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   2. A conceção do sistema deverá incentivar a utilização de tecnologias de conservação de peixes e de cultura de plantas que não absorvam ou utilizem de forma destrutiva a água ou os recursos nutritivos adicionados. Por exemplo, os componentes de manutenção de peixes baseados no uso de lagoas de barro são desencorajados, porque a lagoa de barro tem a capacidade de usar e tornar indisponíveis água e recursos nutrientes para os peixes e plantas associados, reduzindo assim a eficiência de uso de água e nutrientes do sistema. Da mesma forma, os métodos de cultura de plantas hidropônicas não devem utilizar meios que absorvam quantidades excessivas de nutrientes ou água e os tornem indisponíveis para as plantas (Lennard 2017).

   3. O projeto do sistema não deve desperdiçar nutrientes ou água através da produção de fluxos de resíduos externos. Principalmente, se a água e os nutrientes saírem do sistema através de um fluxo de resíduos, então essa água e esses nutrientes não estão sendo usados para a produção de peixes ou plantas e, portanto, essa água e esses nutrientes estão sendo desperdiçados, e o sistema não é tão eficiente quanto possível. Além disso, a produção de fluxos de resíduos pode ter um potencial impacto ambiental. Se as águas residuais e os nutrientes saírem do sistema aquapônico, devem ser utilizados em tecnologias alternativas de produção de plantas externas ao sistema para que a água e os nutrientes não sejam desperdiçados, contribuam para a produção global de biomassa comestível ou comercializável e não apresentem um potencial de impacto ambiental mais amplo ( Tyson et al. 2011).

   4. O sistema deve ser projetado para diminuir ou, idealmente, negar completamente o impacto ambiental direto da água ou dos nutrientes. Um objetivo de primeira ordem da aquapônica é usar os resíduos produzidos pelos peixes como fonte de nutrientes para as plantas, de modo a negar a liberação desses nutrientes diretamente para o ambiente circundante, onde podem causar impactos (Tyson et al. 2011).

   5. Os projetos de sistemas Aquapônicos devem, idealmente, ser localizados dentro de estruturas e situações ambientalmente controladas (por exemplo, estufas, salas de peixes). Isso permite o potencial de alcançar as melhores taxas produtivas de peixes e plantas do sistema. A maioria dos projetos aquapônicos são relativamente elevados em termos de custos de capital e custos contínuos de produção e, portanto, a capacidade de alojar o sistema no ambiente perfeito aumenta os potenciais de lucro que justificam financeiramente o alto capital e os custos de produção (Lennard 2017).

   Os princípios acima descritos de design associam-se diretamente a um conjunto de princípios gerais que são frequentemente, mas nem sempre, aplicados ao ambiente de produção aquaônica. Estes princípios gerais relacionam-se com a forma como o sistema funciona e como os nutrientes são distribuídos entre o sistema e seus habitantes.

   A premissa básica da aquapônica, em um contexto dinâmico de nutrientes, é que os peixes são alimentados com alimentos para peixes, peixes metabolizam e utilizam os nutrientes na alimentação dos peixes, peixes libertam resíduos baseados nas substâncias na ração de peixes que não utilizam (incluindo elementos), microflora acessam esses resíduos metabólicos de peixes e usam pequenas quantidades deles, mas transformar o resto, e as plantas, em seguida, acessar e remover esses microflora transformados, peixes resíduos metabólicos como fontes de nutrientes e, em certa medida, limpar o meio de água desses resíduos e neutralizar qualquer acumulação associada (Rakocy e Hargreaves 1993; Love et al. 2015a, b).

   Uma vez que os sistemas de produção de peixe baseados na terra removem os próprios nutrientes, a aquapônica geralmente utiliza os princípios conhecidos como sistema de aquicultura de recirculação (RAS) para o componente de produção de peixe (Rakocy e Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002). Os peixes são mantidos em tanques feitos de materiais que não removem nutrientes da água (plástico, fibra de vidro, concreto, etc.), a água é filtrada para tratar ou remover os resíduos metabólicos dos peixes (sólidos e gases de amoníaco dissolvidos) e a água (e nutrientes associados) é então direcionada para uma planta componente de cultura em que as plantas utilizam os resíduos de peixes como parte do seu recurso nutritivo (Timmons et al. 2002). Quanto aos peixes, os componentes de cultura de plantas à base de terra não são utilizados porque os solos envolvidos removem nutrientes e podem não necessariamente torná-los totalmente disponíveis para as plantas. Além disso, as técnicas de cultura de plantas hidropônicas não utilizam solo e são mais limpas do que os sistemas à base de solo e permitem algum controle passivo das misturas de microrganismos presentes.

   As plantas cultivadas em hidroponia convencional requerem a adição de fertilizantes minerais: nutrientes presentes nas suas formas basais e iónicas (por exemplo, nitrato, fosfato, potássio, cálcio, etc.) (Resh 2013). Por outro lado, os sistemas de aquicultura de recirculação devem aplicar trocas regulares (diárias) de água para controlar a acumulação de metabolitos de resíduos de peixes (Timmons et al. 2002). A Aquaponics procura combinar as duas empresas separadas para produzir um resultado que alcança o melhor das duas tecnologias, negando o pior (Goddek et al. 2015).

   As plantas exigem um conjunto de macro e micro elementos para um crescimento ideal e eficiente. Na aquaponia, a maioria desses nutrientes advém dos resíduos de peixes (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017; COST FA1305 2017). No entanto, os alimentos para peixes (a principal fonte de nutrientes do sistema aquapônico) não contêm todos os nutrientes necessários para o crescimento otimizado das plantas e, portanto, é necessária nutrição externa, em diferentes extensões.

   A hidroponia padrão e a cultura de substrato adicionam nutrientes à água em formas que estão diretamente disponíveis nas plantas (ou seja, formas iônicas e inorgânicas produzidas através de adições projetadas de variedades de sal) (Resh 2013). Uma proporção dos resíduos libertados pelos peixes apresenta-se em formas directamente disponíveis nas plantas (por exemplo, amoníaco), mas potencialmente tóxicas para os peixes (Timmons et al. 2002). Esses metabólitos de resíduos de peixes iônicos dissolvidos, como o amônia, são transformados por espécies bacterianas onipresentes que substituem os íons de hidrogênio por íons de oxigênio, sendo o produto da amônia o nitrato, que é muito menos tóxico para os peixes e a fonte preferida de nitrogênio para as plantas (Lennard 2017). Outros nutrientes apropriados para a absorção das plantas estão ligados na fração sólida dos resíduos de peixe como compostos orgânicos e requerem tratamento adicional através da interação microbiana para tornar os nutrientes disponíveis para a absorção das plantas (Goddek et al. 2015). Portanto, sistemas aquapônicos exigem que um conjunto de microflora esteja presente para realizar essas transformações.

   A chave para uma integração aquapónica optimizada é determinar a relação entre a produção de resíduos de peixes (influenciada diretamente pela adição de alimentos para peixes) e a utilização de nutrientes vegetais (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard e Leonard 2006; Goddek et al. 2015). Várias regras de polegar e modelos foram desenvolvidos na tentativa de definir esse equilíbrio. Rakocy et al. (2006) desenvolveram uma abordagem que corresponde à necessidade de área de cultivo de plantas com a alimentação diária de peixe e a chamaram de “A Taxa de Alimentação Aquapônica”. O rácio da taxa de alimentação é fixado entre 60 e 100 gramas de ração para peixes adicionados por dia, por metro quadrado de área de cultivo vegetal (60—100 g/msup2/sup/dia). Esta taxa de alimentação foi desenvolvida utilizando peixes Tilapia spp. comendo uma dieta comercial padrão, 32% de proteína (Rakocy e Hargreaves 1993). Além disso, o sistema aquapônico para o qual essa relação é particular (conhecido como Sistema Aquaponico da Universidade das Ilhas Virgens — Sistema UVI) não utiliza a fração de resíduos sólidos de peixes, é sobreabastecido com nitrogênio e requer desnitrificação passiva no sistema para controlar a taxa de acumulação de nitrogênio ( Lennard 2017). Outros determinaram razões alternativas com base em diferentes combinações de peixes e plantas, testadas em diferentes condições específicas (por exemplo, Endut et al. 2010 — 15—42 g/msup2/sup/dia para bagres africanos, Clarias gariepinus e plantas de espinafre aquatica_, Ipomoea aquatica).

   A taxa de alimentação UVI foi desenvolvida por Rakocy e sua equipe como uma abordagem aproximada; daí que é afirmado como um intervalo (Rakocy e Hargreaves 1993). A relação UVI tenta explicar o fato de que diferentes plantas exigem diferentes quantidades de nutrientes e misturas e, portanto, uma abordagem de design aquapônico “genérica” é uma perspectiva difícil. Lennard (2017) desenvolveu uma abordagem alternativa que procura corresponder diretamente às taxas de produção de nutrientes de resíduos de peixe individuais (com base na alimentação de peixe utilizada e na conversão e utilização de peixes dessa ração) com taxas específicas de absorção de nutrientes vegetais, de modo a que a proporção exigente entre peixes e plantas corresponda a qualquer Os peixes ou espécies vegetais escolhidas podem ser realizados e contabilizados na concepção do sistema aquapónico. Ele combina esta abordagem de projeto com uma abordagem de gestão específica que também utiliza todos os nutrientes disponíveis dentro da fração de resíduos sólidos de peixe (via remineralização aeróbica dos resíduos sólidos de peixe) e adiciona apenas os nutrientes necessários para a cultura das espécies vegetais escolhidas que estão faltando no frações de produção de resíduos de peixe. Por conseguinte, isto reduz substancialmente a razão da taxa de alimentação associada (por exemplo, menos de 11 g/msup2/sup/dia para algumas variedades verdes frondosas como um equivalente UVI) e permite que qualquer espécie de peixe seja especificamente e exatamente correspondida a qualquer espécie vegetal escolhida (Lennard 2017). Da mesma forma, Goddek et al. (2016) propuseram modelos que permitem uma determinação mais rigorosa da relação entre peixe e planta para sistemas aquapônicos dissociados.

   Os princípios gerais de uso eficiente de nutrientes, uso baixo e eficiente da água, impacto ambiental baixo ou negado, capacidade de estar localizado longe dos recursos tradicionais do solo e sustentabilidade do uso dos recursos são os princípios gerais aplicados ao projeto e configuração do sistema aquapônico e sua a aplicação deve ser incentivada no domínio e na indústria.

4. 5.4 Fontes de Água

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   A água é o meio chave utilizado nos sistemas aquapônicos porque é compartilhada entre os dois principais componentes do sistema (peixe e componentes da planta), é o principal transportador dos recursos nutritivos dentro do sistema e define o ambiente químico geral no qual os peixes e as plantas são cultivados. Portanto, é um ingrediente vital que pode ter uma influência substancial sobre o sistema.

   Em um sistema aquapônico, o contexto do ambiente à base de água, a fonte de água e o que essa fonte de água contém quimicamente, fisicamente e biologicamente são uma grande influência sobre o sistema, pois estabelece uma linha de base para o que é necessário para ser adicionado ao sistema pelas várias entradas do sistema. Esses insumos, por sua vez, afetam e definem o ambiente em que os peixes e as plantas são cultivados. Por exemplo, alguns dos principais insumos em termos de nutrientes para qualquer sistema aquapônico incluem, mas não estão limitados a, a ração de peixes (um recurso nutriente primário para o sistema), os tampões aplicados (que ajudam a controlar e definir os valores de pH associados tanto aos componentes do peixe como da planta) e quaisquer componentes externos adições de nutrientes ou suplementações necessárias para atender às necessidades de nutrientes dos peixes e plantas (Lennard 2017).

   Os alimentos para peixes são concebidos para fornecer a nutrição necessária para o crescimento e a saúde dos peixes e, portanto, conter misturas e quantidades de nutrientes para ajudar principalmente os peixes em cultura (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). As plantas, por outro lado, têm diferentes necessidades de nutrientes para os peixes, e os peixes se alimentam raramente, se alguma vez, satisfazem as necessidades totais de nutrientes das plantas (Rakocy et al. 2006). Devido a isso, sistemas aquapônicos que cultivam peixes e plantas usando apenas recursos nutritivos derivados da alimentação de peixes podem produzir peixes de forma eficiente e otimizada, mas raramente fazem isso para as plantas. Os melhores sistemas aquapônicos reconhecem que o resultado final é produzir peixes e plantas a taxas de crescimento ideais e eficientes e, portanto, reconhecer também que é necessária alguma forma de nutrição adicional para satisfazer as necessidades totais de nutrientes da planta (Rakocy et al. 2006; Suhl et al. 2016).

   Os sistemas aquapônicos clássicos e totalmente recirculantes dependem geralmente de alimentos para peixes (depois que os peixes consumiram essa alimentação, metabolizaram e utilizaram os nutrientes dentro dela) como a principal fonte de nutrientes para as plantas e complementam quaisquer nutrientes em falta exigidos pelas plantas através de alguma forma de regime tampão ( Rakocy et al. 2006) ou através de suplementação adicional de nutrientes (por exemplo, adição de formas de nutrientes quelatados diretamente à água de cultura ou adição de nutrientes através de pulverizações foliares) (Roosta e Hamidpour 2011).

   O melhor exemplo desta abordagem aquapônica clássica de recirculação é o sistema aquapônico UVI (Universidade das Ilhas Virgens) desenvolvido pelo Dr. James Rakocy e sua equipe UVI (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). O design UVI adiciona principalmente nutrientes tanto para a cultura de peixe como para a cultura de plantas através de adições de alimentos para peixes. No entanto, os alimentos para peixes não contêm cálcio suficiente (Casup+/SuP) e potássio (KSUP+/SuP) para uma cultura vegetal ideal. A conversão mediada por bactérias de amônia dissolvida por resíduos de peixes em nitrato provoca a produção de íons hidrogênio em todo o sistema dentro da coluna de água, e a proliferação desses íons de hidrogênio resulta em uma queda constante no pH da água do sistema em direção ao ácido. O regime de tamponamento utilizado adiciona a falta de cálcio e potássio adicionando sais básicos (muitas vezes sais à base de carbonato, bicarbonato ou íons hidroxilo emparelhados com cálcio ou potássio) ao sistema que ajudam a controlar o pH da água do sistema a um nível que atenda aos requisitos ambientais de pH compartilhados de os peixes e as plantas, fornecendo simultaneamente o cálcio e o potássio adicionais de que as plantas necessitam (Rakocy et al. 2006). Além disso, o sistema UVI adiciona outro nutriente importante para o crescimento das plantas que não está disponível em alimentos padrão para peixes, ferro (Fe), através de adições regulares e controladas de quelato de ferro. Portanto, o potássio, o cálcio e o ferro que as plantas necessitam, que não são encontrados na ração dos peixes, estão disponíveis através destes dois mecanismos adicionais de fornecimento de nutrientes (Rakocy et al. 2006).

   Os desenhos aquapônicos dissociados adotam uma abordagem para a cultura dos peixes e plantas de forma a que a água é usada pelos peixes e os nutrientes dos resíduos dos peixes são fornecidos às plantas, sem a recirculação da água de volta aos peixes (Karimanzira et al. 2016). Os projetos dissociados permitem, portanto, mais flexibilidade na personalização da química da água, após o uso dos peixes, para uma produção otimizada da planta, pois a suplementação dos nutrientes não presentes na ração dos peixes (e dos resíduos de peixes) pode ser alcançada sem preocupação com o retorno da água ao peixe (Goddek et al. 2016). Isto significa que os desenhos dissociados podem potencialmente aplicar misturas e forças de nutrientes mais exigentes à água de cultura, ao uso pós-peixe, para cultura de plantas, e isso pode ser alcançado com uma suplementação de nutrientes mais exigente e intensa.

   Em ambos os casos (projetos de sistemas aquapônicos recirculantes e dissociados), uma compreensão da qualidade química da água de origem é vital para que as concentrações ideais de nutrientes para as plantas possam ser alcançadas. Se, por exemplo, a água de origem contiver cálcio (um caso frequentemente visto quando os recursos de água subterrânea são utilizados), isso afetará e alterará o regime de tamponamento aplicado aos desenhos aquánicos recirculantes e a extensão da suplementação de nutrientes aplicada a um desenho dissociado porque o cálcio presente na a água de origem compensará qualquer suplementação necessária para as necessidades de cálcio vegetal (Lennard 2017). Ou, se a água fonte contém concentrações elevadas de sódio (Nasup+/SUP) (novamente, muitas vezes visto com recursos hídricos subterrâneos e um nutriente plantas não usam e que podem se acumular em águas do sistema), é importante saber quanto está presente para que métodos de manejo possam ser aplicados para evitar potenciais plantas toxicidade dos nutrientes (Rakocy et al. 2006). A natureza química da água de origem, portanto, é vital para a saúde e gestão global do sistema aquapônico.

   Em última análise, porque a química da água de origem pode afetar o gerenciamento de nutrientes do sistema aquapônico e porque os operadores aquapônicos gostam de ter a capacidade de manipular água aquapônica e química de nutrientes em alto grau, uma fonte de água com pouca, se houver, química de água associada é altamente desejável (Lennard 2017). Neste sentido, a água da chuva ou a água tratada para remoção química (por exemplo, osmose reversa) é a melhor fonte de água para a aquapônica em um contexto químico da água (Rakocy et al. 2004a, b; Lennard 2017). As águas subterrâneas também são adequadas, mas deve garantir-se que não contêm produtos químicos ou sais em concentrações demasiado elevadas para serem práticas (por exemplo, concentrações elevadas de magnésio ou ferro) ou contêm espécies químicas que não são utilizadas pelos peixes ou plantas (por exemplo, concentrações elevadas de sódio) (Lennard 2017). As águas fluviais também podem ser adequadas como água de fonte aquapônica, mas, tal como para outras fontes de água, devem ser testadas quanto à presença e concentrações químicas. As fontes de água da cidade (isto é, água reticulada e fornecida para fins domésticos e de consumo) são amplamente aplicadas em aquaponics (Love et al. 2015a, b) e também são aceitáveis se contiverem concentrações aceitáveis de nutrientes, sal ou química. No caso dos recursos hídricos fornecidos pela cidade ou pelo município, deve notar-se que muitos abastecimentos têm alguma forma de esterilização aplicada para tornar a água potável para os seres humanos. Se esta fonte de água for utilizada para a aquapônica, é importante garantir que quaisquer produtos químicos que possam ser aplicados para atingir a esterilização (por exemplo, cloro, cloramina, etc.) não estejam presentes em concentrações que possam prejudicar os peixes, plantas ou microrganismos no sistema aquapônico (Lennard 2017).

   A química associada à água de fonte não é o único fator que precisa ser considerado ao fornecer água de fonte para uso aquapônico. Muitas águas naturais também podem conter microrganismos microbianos e outros que podem afetar a saúde ecológica geral do sistema aquapônico ou apresentar um risco discernível para a saúde humana. As águas pluviais raramente contêm micróbios; no entanto, os vasos ou tanques em que a água da chuva pode ser armazenada podem conter ou permitir a proliferação microbiana. As águas subterrâneas são geralmente boas em termos de presença microbiana, mas também podem conter cargas microbianas elevadas, especialmente se forem provenientes de áreas associadas à criação animal ou ao tratamento de resíduos humanos. As águas fluviais também podem conter cargas microbianas elevadas devido à produção agrícola ou ao tratamento de resíduos humanos e devem ser novamente verificadas através de análises microbianas detalhadas (Lennard 2017).

   Uma vez que a natureza química e microbiana da água de origem utilizada em sistemas aquánicos pode ter efeitos potenciais na química e microbiologia da água do sistema, recomenda-se que qualquer fonte de água aplicada seja esterilizada e tratada para remoção química (por exemplo, osmose reversa, destilação, etc.) antes de ser utilizada em um sistema aquapônico (Lennard 2017). Se a esterilização for aplicada universalmente, a chance de introduzir micróbios estranhos e indesejados no sistema é substancialmente reduzida. Se for aplicado tratamento e filtração de água, quaisquer produtos químicos, sais, nutrientes indesejados, pesticidas, herbicidas, etc., serão removidos e, portanto, não podem contribuir negativamente para o sistema.

   Uma fonte de água limpa, livre de micróbios, sais, nutrientes e outros produtos químicos permite que o operador aquapônico manipule a água do sistema para conter a mistura de nutrientes e a força que eles necessitam sem o medo de que quaisquer influências externas possam afetar o funcionamento do sistema ou a saúde e força do peixe e plantas e é um requisito vital para qualquer operação aquapônica comercial.

5. 5.5 Requisitos de qualidade da água

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

   Aquaponics representa um esforço para controlar a qualidade da água para que todas as formas de vida atuais (peixes, plantas e micróbios) estejam sendo cultivadas o mais próximo possível das condições ideais de química da água (Goddek et al. 2015). Se a química da água pode ser correspondida aos requisitos destes três conjuntos de formas de vida importantes, a eficiência e otimização do crescimento e da saúde de todos podem ser aspiradas a (Lennard 2017).

   A optimização é importante para a produção aquapónica comercial, porque só através da optimização é possível realizar o sucesso comercial (ou seja, a rentabilidade financeira). Portanto, os requisitos de química da água e qualidade da água dentro do sistema aquapônico são fundamentais para o sucesso comercial e econômico final da empresa (Goddek et al. 2015).

   Atualmente, há discordância entre a indústria e a comunidade aquapônica em termos do que representa uma qualidade de água boa ou aceitável dentro dos sistemas aquapônicos. Parece que é universalmente aceito que os requisitos de química da água natural dos subconjuntos individuais de formas de vida (peixes, plantas e micróbios) são amplamente acordados (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). No entanto, a presença de uma ampla gama de abordagens, métodos e escolhas tecnológicas denominadas aquaponia e o contexto ou história das tecnologias autónomas associadas dos sistemas de aquicultura de recirculação (RAS) e da cultura de plantas hidropônicas (incluindo a cultura de substratos) parece levar a desentendimentos entre operadores, cientistas e designers. Por exemplo, tendo em consideração apenas um único parâmetro químico da água, o pH, alguns argumentam que os requisitos de pH das plantas cultivadas hidroponicamente são muito diferentes dos requisitos de pH das espécies de peixes de água doce cultivadas em RAS (Suhl et al. 2016). A indústria hidropônica geralmente aplica configurações de pH entre 4,5 e 6,0 para a cultura de plantas à base de água (Resh 2013), enquanto a indústria RAS geralmente aplica configurações de pH entre 7,0 e 8,0 (Timmons et al. 2002) para atender aos requisitos dos peixes e micróbios presentes (que desempenham importantes transformações de metabolitos de resíduos de peixe potencialmente tóxicos para formas menos tóxicas). O argumento, portanto, é que qualquer ponto de fixação do pH é um compromisso entre as necessidades das plantas, dos peixes e dos micróbios e que, portanto, um pH ideal para todas as formas de vida não é alcançável, o que leva a uma produção inferior às plantas (Suhl et al. 2016). Outros argumentam, no entanto, que um exame mais atento das complexidades da dinâmica de nutrientes da captação de nutrientes vegetais pode elucidar uma opinião diferente (Lennard 2017).

   Sistemas hidropônicos (e cultura de substrato) alimentam nutrientes às plantas em suas formas basais e iônicas, adicionando sais de nutrientes à água que se dissociam para liberar os íons nutrientes disponíveis (Resh 2013). Pesquisas demonstraram que essas formas de nutrientes iônicos existem em uma janela de disponibilidade para a planta, com base no pH da água do sistema disponível. Portanto, em um contexto hidropônico padrão, sem flora microbiana presente (isto é, esterilizada — como a maioria dos sistemas hidropônicos são), é importante definir o pH da água do sistema para um nível que torne a mistura de nutrientes iônicos que a planta necessita o mais disponível possível (Resh 2013). Dentro de qualquer sistema hidropônico, isso é um compromisso em si, porque como qualquer gráfico de disponibilidade de nutrientes iônicos demonstra (ver Fig. 5.4), diferentes formas de nutrientes iônicos são as mais disponíveis em diferentes pHs (Resh 2013). É essa associação padrão de disponibilidade de nutrientes iônicos que a indústria hidropônica usa como primário para os pontos de ajuste de pH e explica por que o pH operacional hidropônico desejado está entre 4,5 e 6,0 (um ambiente ácido) em sistemas de cultura hidropônica e substrato esterilizados.

   Alternativamente, a RAS aplica um ponto de ajuste do pH da água com base no que é natural para os peixes em cultura e os micróbios que tratam e convertem os resíduos de peixe

   

   Fig. 5.4 Exemplo de um gráfico padrão de disponibilidade de nutrientes mediado por pH para plantas cultivadas aquaticamente. A linha vermelha representa um pH operacional normal para um sistema hidropônico; a linha azul que para um sistema aquapônico

   (Timmons et al. 2002; Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Em ambientes naturais de água doce, a maioria das espécies de peixes requer um pH ambiental (ou seja, pH da água) que corresponda ao pH interno dos peixes, que é frequentemente próximo de um pH de 7,4 (Lennard 2017). Além disso, os principais micróbios associados à transformação do metabolito dissolvido na cultura de RAS (bactérias de nitrificação de várias espécies) também requerem um pH em torno de 7,5 para a transformação de amônia ideal em nitrato (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Por conseguinte, os operadores RAS aplicam um ponto de ajuste de pH de aproximadamente 7,5 à cultura de peixe de água doce RAS.

   Existe uma diferença óbvia entre um pH de 5,5 (uma média para a cultura vegetal padrão, esterilizada e hidropônica) e um pH de 7,5 (um padrão médio para a cultura de peixe RAS). Portanto, argumenta-se amplamente que o pH representa um dos maiores compromissos de qualidade da água presentes na ciência aquapônica (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Os defensores de projetos aquapônicos dissociados muitas vezes citam essa diferença no requisito de pH ideal como um argumento para a abordagem de projeto dissociado, afirmando que projetos totalmente recirculantes devem encontrar um compromisso de pH quando projetos dissociados têm o luxo de aplicar diferentes pontos de ajuste de pH de água ao peixe e à planta componentes (Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2016). No entanto, o que este argumento ignora é que os sistemas aquapônicos, ao contrário dos sistemas hidropônicos, não são estéreis e empregam técnicas aquáticas ecológicas que incentivam uma população diversificada de microflora a estar presente no sistema aquapônico (Eck 2017; Lennard 2017). Isso resulta em uma ampla variedade de micróbios presentes, muitos dos quais formam associações complexas e complexas com as plantas, especialmente as raízes vegetais, dentro do sistema aquapônico (Lennard 2017). É bem conhecido e estabelecido na fisiologia vegetal que muitos micróbios, associados ao meio e matriz do solo, se associam estreitamente às raízes das plantas e que muitos desses micróbios ajudam as plantas a acessar e absorver nutrientes vitais (Vimal et al. 2017). Também é sabido que alguns desses micróbios produzem moléculas orgânicas que auxiliam diretamente no crescimento das plantas, auxiliam no desenvolvimento da imunidade vegetal e ajudam a superar os patógenos vegetais (especialmente radiculares) (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). Em essência, esses micróbios ajudam as plantas de muitas maneiras que simplesmente não estão presentes no ambiente esterilizado aplicado em cultura hidropônica padrão.

   Com estes diversos micróbios presentes, as plantas ganham acesso a nutrientes de muitas maneiras que não são possíveis em sistemas que dependem apenas de configurações de pH aquático para permitir o acesso aos nutrientes da planta (por exemplo, hidroponia padrão e cultura de substrato). Muitos desses micróbios operam em níveis amplos de pH, assim como outros micróbios à base de solo, como as bactérias de nitrificação (pH de 6,5—8,0, Timmons et al. 2002). Portanto, com esses micróbios presentes em sistemas aquapônicos, o ponto de ajuste do pH pode ser elevado acima do que é normalmente aplicado em técnicas de cultura hidropônica ou de substrato (ou seja, pH de 4,5—6,0), enquanto o crescimento avançado e eficiente da planta ainda está presente (Lennard 2017). Isso é evidenciado no trabalho de vários pesquisadores aquapônicos que demonstraram melhores taxas de crescimento de plantas em aquapônica do que em hidroponia padrão (Nichols e Lennard 2010).

   Outros requisitos de qualidade da água em sistemas aquánicos dizem respeito a parâmetros físicos/químicos e, mais especificamente, parâmetros de necessidades de nutrientes vegetais. Em termos de requisitos físicos/químicos, plantas, peixes e micróbios compartilham muitas semelhanças. O oxigênio dissolvido (OD) é vital para peixes, raízes vegetais e microflora e deve ser mantido em sistemas aquapônicos (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). As raízes das plantas e a microflora geralmente requerem concentrações de OD relativamente mais baixas do que a maioria dos peixes; as raízes das plantas e os micróbios podem sobreviver com OD abaixo de 3 mg/L (Goto et al. 1996), enquanto a maioria dos peixes necessita de mais de 5 mg/L (Timmons et al. 2002). Portanto, se a concentração de OD dentro do sistema aquapônico for definida e mantida para o requisito de peixe, o requisito de planta e micróbio também é cumprido (Lennard 2017). Diferentes espécies de peixes requerem diferentes concentrações de OD: peixes de água quente (por exemplo, Tilapia spp., barramundi) podem geralmente tolerar concentrações de OD mais baixas do que espécies de peixes de água fria (por exemplo, salmonídeos como truta arco-íris e carvão ártico); porque a exigência de OD dos peixes é quase sempre maior do que a planta raízes e requisitos microflorais, o OD deve ser definido para as espécies específicas de peixes em cultura (Lennard 2017).

   As concentrações de dióxido de carbono de água (COSub2/sub), como as do OD, são geralmente fixadas pelos peixes porque as raízes das plantas e os micróbios podem tolerar concentrações mais elevadas do que os peixes. As concentrações de dióxido de carbono são importantes para a saúde e o crescimento ideais dos peixes e são frequentemente ignoradas em projetos aquapônicos. Os parâmetros e os pontos fixados para as concentrações de COSub2/sub devem ser os mesmos que para as mesmas espécies de peixes cultivadas em sistemas exclusivamente para peixes, RAS e, em geral, devem ser mantidos abaixo de 20 mg/L (Masser et al. 1992).

   A temperatura da água é importante para todas as formas de vida atuais dentro de um sistema aquapônico. Os peixes e as espécies de plantas devem ser comparados o mais próximo possível para os requisitos de temperatura da água (por exemplo, Tilapia spp. de peixes como 25° C mais, e plantas como o manjericão prosperam nesta temperatura relativamente alta da água; variedades de alface, como água mais fria, e, portanto, um candidato a peixe melhor correspondido é o arco-íris truta) (Lennard 2017). No entanto, como para outros parâmetros físicos e químicos da água, atender aos requisitos dos peixes para a temperatura da água é fundamental porque os micróbios têm a capacidade de se submeter a seleção de espécies específicas com base nas condições ambientais (por exemplo, a diferenciação de espécies bacterianas de nitrificação ocorre em diferentes As temperaturas da água e as espécies que melhor se adequam à temperatura da água em particular dominarão a biomassa bacteriana de nitrificação do sistema) e muitas plantas podem crescer muito bem em uma faixa mais ampla de temperaturas da água (Lennard 2017). Combinar a temperatura da água e mantê-la dentro de mais ou menos 2° C (ou seja, um controle de temperatura de alto nível) com os peixes, é um requisito importante na aquapônica porque quando a temperatura da água está correta e não se desvia da média ideal, os peixes alcançam um metabolismo eficiente e otimizado e comer e converter alimentos de forma eficiente, levando a melhores taxas de crescimento dos peixes e liberar cargas de resíduos estáveis e previsíveis, o que auxilia a cultura vegetal (Timmons et al. 2002).

   Manter a clareza da água (baixa turbidez) é outro parâmetro importante na cultura aquapônica (Rakocy et al. 2006). A maior parte da turbidez da água é devida a cargas sólidas suspensas que não foram adequadamente filtradas, e esses sólidos podem afetar os peixes aderindo às suas brânquias, o que pode diminuir as taxas potenciais de transferência de oxigênio e as taxas de liberação de amônia (Timmons et al. 2002). Cargas sólidas suspensas inferiores a 30 mg/L são recomendadas para peixes aquaponicamente cultivados (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Cargas elevadas de sólidos suspensos também afetam as raízes das plantas, pois elas têm a capacidade de aderir às raízes, o que pode causar ineficiência na absorção de nutrientes, mas, mais comumente, proporciona maior potencial de colonização de organismos patogênicos, o que leva à má saúde das raízes e à morte final das plantas (Rakocy et al. 2006). Estes sólidos suspensos também incentivam a prevalência de bactérias heterotróficas (espécies que quebram e metabolizam o carbono orgânico) que, se autorizados a dominar sistemas, podem competir com outras espécies necessárias, como bactérias de nitrificação.

   A condutividade elétrica (EC) é uma medida frequentemente aplicada em hidroponia para obter uma compreensão da quantidade de nutrientes totais presentes na água. No entanto, não pode fornecer informações sobre a mistura de nutrientes, a presença ou ausência de espécies de nutrientes individuais ou a quantidade de espécies de nutrientes individuais presentes (Resh 2013). Não é frequentemente aplicado em aquapônica porque mede apenas a presença de formas de nutrientes iônicos (carregados), e tem sido argumentado que a aquapônica é um método de fornecimento de nutrientes orgânicos e, portanto, a CE não é uma medida relevante (Hallam 2017). No entanto, as plantas geralmente apenas fonte de formas iônicas de nutrientes e, portanto, EC pode ser usado como uma ferramenta geral ou guia para a quantidade total de nutrientes disponíveis na planta em um sistema aquapônico (Lennard 2017).

   Para sistemas aquapônicos totalmente recirculantes, em termos de parâmetros físicos e químicos, são os peixes que são mais exigentes em suas necessidades e, portanto, se os sistemas são gerenciados para manter as necessidades dos peixes, as plantas e micróbios estão tendo suas necessidades mais do que satisfeitas (Lennard 2017). A diferença quando se trata das plantas, no entanto, é a sua exigência de que a mistura correta e a força de nutrientes estejam presentes para permitir um acesso e absorção otimizados de nutrientes (independente ou assistida por microbianos), o que leva a um crescimento eficiente e rápido. Sistemas aquapônicos desacoplados podem, portanto, ser mais atraentes devido à percepção de que permitem uma entrega mais exigente de nutrientes às plantas (Goddek et al. 2016). Os alimentos para peixes e, portanto, os resíduos de peixes não contêm a mistura correta de nutrientes para atender aos requisitos vegetais (Rakocy et al. 2006). Portanto, o projeto do sistema aquapônico deve levar em conta os nutrientes que faltam e complementá-los. Os sistemas aquánicos totalmente recirculantes complementam geralmente os nutrientes, adicionando-os às espécies salinas utilizadas para gerir o regime diário de tamponamento de pH; a porção básica do sal ajusta o pH e a porção positiva do sal permite a suplementação de nutrientes vegetais em falta (p. ex. potássio, cálcio, magnésio) (Rakocy et al. 2006). Os desenhos aquapônicos desacoplados retiram as águas residuais e os resíduos sólidos associados do componente de peixe e ajustam a água para conter os nutrientes necessários para a produção vegetal, adicionando nutrientes em diferentes formas (Goddek et al. 2016). Estas adições de nutrientes são geralmente baseadas na utilização de espécies de sal hidropônico padrão que não fornecem necessariamente qualquer resultado de ajuste do pH (por exemplo, fosfato de cálcio, sulfato de cálcio, fosfato de potássio, etc.).

   O caminho para o crescimento eficiente das plantas em sistemas aquánicos é fornecer um perfil de nutrientes aquáticos que forneça todos os nutrientes necessários à planta (mistura) com as forças necessárias (concentração) (Lennard 2017). Em desenhos aquapônicos totalmente recirculantes, ou em projetos aquapônicos dissociados que não aplicam métodos de esterilização, parece haver menor exigência para atender às concentrações de nutrientes ou dosagens aplicadas em hidropônicos padrão, porque a natureza ecológica do sistema associa muitos microflora com as raízes das plantas e estes microflora auxiliar o acesso aos nutrientes da planta (Lennard 2017). Para projetos aquapônicos desacoplados, ou outros, que aplicam esterilização ao componente vegetal e seguem uma abordagem análoga hidropônica padrão, parece haver um requisito para tentar aproximar as concentrações padrão de nutrientes hidropônicos (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). O compromisso, no entanto, com a abordagem dissociada é que ele leva a razões de suplementação externa muito além das de desenhos aquapônicos totalmente recirculantes; projetos europeus dissociados atualmente média de 50% ou mais adições de nutrientes externos (COST FA1305 2017; Goddek e Keesman 2018), enquanto o UVI fornece menos de 20%, e outros sistemas podem fornecer menos de 10% de suplementação de nutrientes externos (Lennard 2017).

   Independentemente do método, todos os sistemas aquapônicos devem esforçar-se por fornecer às plantas a nutrição necessária para um crescimento otimizado, de modo a proporcionar à empresa a maior possibilidade de viabilidade financeira. Neste contexto, o teor de nutrientes e a força da água que está sendo entregue às plantas são muito importantes e devem ser utilizados testes regulares de nutrientes da água para que a mistura e a resistência de nutrientes possam ser mantidas e mantidas como um requisito muito importante de qualidade da água.

6. 5.6 Tecnologias aplicáveis à cultura da pesca

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

   Na aquapônica, a porção aquícola da equação de integração é amplamente aplicada em um contexto baseado em tanque, onde os peixes são mantidos em tanques, a água é filtrada através de mecanismos mecânicos (remoção de sólidos) e biológicos (transformação de amônia em nitrato) e o oxigênio dissolvido é mantido, seja através de aeração ou injeção direta de oxigênio (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017).

   Como já foi argumentado em Seção 5.0 (Introdução) deste capítulo, exemplos históricos de chinampas (Somerville et al. 2014) e agricultura asiática de arroz paddy (Halwart e Gupta 2004) como primeiras iterações de aquapônica são exemplos infundados e inadequados de princípios aquapônicos , porque a aquapônica moderna depende de adições projetadas de peixes e alimentos para peixes para fornecer um nível projetado de nutrição para as plantas e, portanto, esses exemplos históricos não podem ser considerados de forma alguma semelhantes (Lennard 2017).

   Os exemplos históricos acima mencionados, que se baseiam em sistemas de cultura de plantas à base de solo, levam à questão de quais tecnologias de aquicultura são adequadas para a integração aquapônica. A aquacultura de peixes de barbatana com base no solo, extensa e de água doce é o maior método de cultura aplicado para a produção de peixes de água doce para consumo humano (Boyd e Tucker 2012). Uma abordagem de lagoa depende da base de barro da lagoa, e da microflora associada presente nesse solo, para tratar e remediar os resíduos produzidos a partir da cultura de peixe, para que os peixes não estejam vivendo em água que tenha potencial para ser tóxica para eles (Boyd e Tucker 2012). Como este sistema depende da capacidade de tratamento inerente à própria lagoa de barro, as densidades de peixes são relativamente baixas em comparação com outros métodos de aquicultura. Como as densidades dos peixes são baixas (e, portanto, as taxas de alimentação associadas são baixas) e a própria lagoa trata e absorve os nutrientes residuais produzidos pelos peixes, as águas da lagoa apresentam concentrações extremamente baixas de nutrientes da água. Estas concentrações de nutrientes aquáticos do sistema de lagoa são tão baixas que muitas vezes são inadequadas como fontes de nutrientes para métodos de produção de plantas aquáticas substanciais e comerciais (Lennard 2017). Por conseguinte, as lagoas não constituem um método de aquicultura adequado a integrar com a hidroponia em termos de taxas aceitáveis de produção vegetal.

   Da mesma forma, os métodos de cultura de peixes de barbatanas (tal como regularmente aplicados para a produção de salmonídeos de água doce), que fornecem volumes muito grandes de água a altas taxas de volume de negócios, ou tempos de permanência baixos, através de tanques controlados de cultura de peixes na pista, não são adequados para a integração aquapónica, uma vez que as águas elevadas as taxas de volume de negócios não permitem a acumulação adequada de nutrientes para satisfazer as necessidades de nutrientes das plantas (Rakocy e Hargreaves, 1993).

   As tecnologias de cultura de peixe mais adequadas a aplicar num contexto de integração aquapónica são as que cultivam peixes em tanques e permitem um nível de acumulação de resíduos de peixes (acumulação de nutrientes vegetais) que tem o potencial de conduzir a concentrações de nutrientes da água que são aplicáveis para produção de plantas hidropônicas (Rakocy et al. 2006). Os princípios do Sistema de Aquicultura de Recirculação (RAS) são amplamente aplicados à aquapônica, pois fornecem as metodologias para manter e cultivar com sucesso os peixes, em volumes controlados de água, com baixas taxas diárias de substituição de água, que permitem acumular resíduos de peixes (nutrientes vegetais) que se aproximam desses necessário para cultivar eficientemente hidroponicamente as plantas (Rakocy e Hargreaves 1993; Lennard 2017). As complexidades e requisitos de design da RAS são discutidos no Chap. 3 deste livro. Basta dizer que a cultura piscícola RAS é o único método real adequado para aplicar aos componentes da cultura de peixes num contexto aquapónico e, tal como discutido acima, os sistemas de aquicultura baseados no solo, tais como os sistemas extensivos de lagoas e os sistemas de cultura de pistas, não podem fornecer os requisitos de nutrientes das plantas e portanto, não deve ser considerado.

7. 5.7 Fontes de Nutrientes

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

   A principal contribuição para qualquer sistema aquapônico são os nutrientes adicionados porque os sistemas aquapônicos são projetados para particionar eficientemente os nutrientes adicionados a eles para as três formas importantes de vida presentes: os peixes e as plantas (que são os principais produtos do sistema) e a microflora (que ajudam a tornar o adicionou nutrientes disponíveis para os peixes e plantas) (Lennard 2017).

   Em desenhos aquapônicos clássicos e totalmente recirculantes, um dos principais fatores de projeto é usar a principal fonte de entrada de nutrientes, a alimentação de peixes, da forma mais eficiente possível e, portanto, projetos totalmente recirculantes se esforçam para fornecer o maior número de nutrientes necessários para as plantas da ração de peixes (Lennard 2017). Os projetos desacoplados, por outro lado, colocam uma ênfase no crescimento otimizado da planta, comparando diretamente as misturas e as forças de nutrientes aplicadas na hidropônica padrão e na cultura de substratos e tentando replicar aqueles dentro do contexto aquapônico e, portanto, não se esforçam para fornecer tantos dos nutrientes necessários para as plantas provenientes dos alimentos para peixes e utilizam suplementos de nutrientes externos substanciais para alcançar as taxas de crescimento das plantas necessárias (Delaide et al. 2016). Isto significa que uma ênfase diferente é colocada na origem dos nutrientes adicionados, com base na abordagem do projeto técnico, o que, portanto, afeta a principal fonte de abastecimento de nutrientes do sistema aquapônico; para projetos totalmente recirculantes, a principal fonte de nutrientes das plantas é a alimentação dos peixes (via desperdício de peixe) ), e para projetos dissociados a principal fonte de fornecimento de nutrientes para as plantas são suplementos externos (por exemplo, sais de nutrientes) (Lennard 2017).

   Projetos aquapônicos totalmente recirculantes, como o modelo do sistema aquapônico UVI, contam com a alimentação dos peixes como a principal fonte de nutrientes para o sistema (Rakocy et al. 2006). O alimento para peixes é adicionado ao peixe, que o comem, metabolizam e usam os nutrientes dele conforme necessário e, em seguida, produzem um fluxo de resíduos (ambos sólidos e dissolvidos). Este fluxo de resíduos dos peixes torna-se a principal fonte de nutrientes para as plantas e, portanto, a alimentação dos peixes é a principal fonte de nutrientes para as plantas. O sistema UVI fornece aproximadamente 80% ou mais dos nutrientes necessários para cultivar as plantas apenas a partir da alimentação dos peixes (Lennard 2017). Os nutrientes remanescentes necessários para o crescimento das plantas, uma vez que os alimentos para peixes não os contêm nas quantidades necessárias, são adicionados através de um método de suplementação de nutrientes que proporciona o duplo papel de complementar os nutrientes adicionais e controlar o pH aquático do sistema (Rakocy et al. 2006). Esta abordagem de dupla função é referida como “buffering” e o suplemento é referido como “buffer”. Para o modelo UVI, os dois importantes nutrientes vegetais identificados como carentes de alimentos para peixes e que necessitam de suplementação são potássio (K) e cálcio (Ca) e são suplementados diariamente através do regime de tamponamento. Além disso, o ferro necessário às plantas (Fe) também está ausente nos alimentos para peixes e é complementado de forma quelatada através da adição directa à água do sistema com uma frequência medida em semanas (isto é, a cada 2—4 semanas com base na análise semanal do ferro aquático) (Rakocy et al. 2006).

   Outras abordagens ou métodos de concepção aquapónica totalmente recirculantes colocam uma ênfase ainda maior no fornecimento de nutrientes através da alimentação dos peixes. Lennard (2017) desenvolveu um método para sistemas de recirculação completa que fornece mais de 90% dos nutrientes necessários para o crescimento das plantas a partir da ração de peixe adicionada. O aumento da eficiência dos nutrientes fornecidos através da alimentação para peixes deste método, quando comparado com o método UVI, é que esta abordagem remineraliza os resíduos sólidos de peixes (via biodigestão externa, mediada por bactérias) e adiciona esses nutrientes de volta ao sistema aquapônico para utilização das plantas, enquanto o O método UVI envia a maioria dos resíduos sólidos de peixes para um fluxo externo de resíduos (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Esta abordagem também acrescenta nutrientes deficientes na alimentação dos peixes para o crescimento das plantas através de um regime de tamponamento; no entanto, este regime é muito mais exigente e permite uma maior manipulação das forças e misturas de nutrientes do que a abordagem UVI (Lennard 2017).

   Por conseguinte, as principais vias de adição de nutrientes para a maior parte dos sistemas aquánicos recirculantes são a alimentação dos peixes (via principal), a suplementação externa de tampão para adição de potássio e cálcio (via menor) e a suplementação direta de quelato de ferro (via menor).

   Os projetos de sistemas aquapônicos dissociados, como os que estão sendo amplamente adotados atualmente na Europa, contam com uma mistura de nutrientes para alimentos para peixes e suplementação externa ativa para fornecer os nutrientes necessários para o crescimento das plantas (Suhl et al. 2016). Uma vez que os desenhos dissociados não devolvem a água do componente vegetal para o componente de peixe, é possível personalizar o perfil de nutrientes dentro da água especificamente para o requisito da planta (Goddek et al. 2016). Portanto, projetos aquapônicos dissociados quase sempre dependem de suplementação substancial de nutrientes externos para atender às necessidades da planta e colocar muito menos ênfase em fornecer o máximo de nutrição possível para as plantas a partir dos resíduos de peixes. Além disso, a quantidade de suplementação externa é substancial quando comparada com abordagens totalmente recirculantes (Lennard 2017) com frações externas regularmente 50% ou mais da necessidade total de nutrientes da planta ou maior (Goddek 2017). Os nutrientes externos suplementados a sistemas aquapônicos desacoplados são, na maioria das vezes, análogos ou derivados do sal de nutrientes hidropônicos (Delaide et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). Esta dependência de uma fonte de nutrientes adicionais substanciais que não os que provêm de resíduos de peixes (alimentos para peixes) que são de natureza hidropônica, para o fornecimento de plantas da abordagem dissociada europeia, afetou mesmo diretamente a definição de aquaponia que a comunidade aquaponica europeia atualmente aplica-se, com o EU COST, EU Aquaponics Hub, definindo a aquapônica como “... um sistema de produção de organismos aquáticos e plantas onde a maioria (\ > 50%) dos nutrientes que sustentam as plantas deriva de resíduos provenientes da alimentação dos organismos aquáticos” (Goddek 2017; COST FA 1305, 2017) em comparação com Lennard ( 2017), que define a aquapônica como exigindo pelo menos 80% de suprimento de nutrientes dos resíduos de peixes. Alguns também argumentam se um método que se baseia em 50% dos nutrientes necessários para o crescimento das plantas provenientes de fontes externas que não os alimentos para peixes é realmente aquapônico por natureza ou melhor, um método hidropônico com alguns peixes integrados ou adicionados (Lennard 2017)?

   Outra fonte proposta de fornecimento de nutrientes para sistemas aquapônicos é a da suplementação externa de nutrientes através da aplicação de sprays foliares de plantas (Tyson et al. 2008; Roosta e Hamidpour 2011; Roosta e Hamidpour 2013; Roosta 2014). Estes sprays foliares são novamente, uma entrega aquática de sais de nutrientes hidropônicos padrão ou derivados. A diferença é que, nos exemplos dissociados acima, os sais de nutrientes são adicionados diretamente à água de cultura e, portanto, são acessados pelas plantas via absorção radicular (Resh 2013), enquanto os pulverizadores foliares, como o nome indica, adicionam sais de nutrientes dissolvidos às folhas da planta e a absorção é alcançada através da planta acesso estomático ou cutícula foliar (Fernandez et al. 2013).

   Existem, portanto, diversas fontes de nutrientes importantes aplicadas na aquapônica: alimentos para peixes, sistemas tampões (através de espécies básicas de sal de ajuste de pH adicionadas à coluna de água), adições de sal de nutrientes (sais de nutrientes hidropônicos adicionados à coluna de água) e sprays foliares (sais de nutrientes hidropônicos adicionados à folha superfície). Todos os quais fornecem nutrientes ao sistema aquapônico para a saúde e crescimento dos peixes e plantas cultivados.

8. 5.8 A Aquapônica como Abordagem Ecológica

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   A aquapônica, até recentemente, tem sido dominada por abordagens de design totalmente recirculantes (ou acopladas) que compartilham e recirculam constantemente o recurso hídrico entre os dois principais componentes (peixe e cultura vegetal) (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Além disso, as abordagens tecnológicas de baixa a média historicamente aplicadas à aquapônica têm impulsionado o desejo de remover componentes dispendiosos, de modo a aumentar o potencial de um resultado econômico positivo. Um dos componentes de filtração quase sempre aplicados às tecnologias padrão RAS e à cultura de hidropônicos/substratos, o da esterilização aquática, não foi regularmente incluído pelos designers aquánicos.

   A esterilização num contexto de cultura RAS e hidropônico/substrato é aplicada universalmente porque as altas densidades dos peixes ou das plantas cultivadas geralmente atraem pressão de organismos aquáticos patogénicos que reduzem substancialmente as taxas de produção globais (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). A principal razão para este aumento da pressão de pragas aquáticas em ambas as tecnologias é que cada uma se concentra em fornecer recursos bióticos e ecológicos mínimos e, portanto, permite considerável “espaço ecológico” dentro da água do sistema para a colonização biótica. Nestas condições biológicas “abertas”, as pragas e as espécies patogénicas proliferam e tendem a colonizar rapidamente para aproveitar as espécies presentes (ou seja, peixes e plantas) (Lennard 2017). Neste contexto, a esterilização ou desinfecção da água de cultura tem sido historicamente vista como uma abordagem projetada para contrariar a questão (Van Os 1999; Timmons et al. 2002). Isto significa que tanto as indústrias de cultura hidropônico/substrato adotam uma abordagem de esterilização para controlar os organismos patogênicos dentro da água de cultura associada.

   A Aquapônica sempre colocou ênfase na importância da microbiologia associada para a realização de importantes serviços biológicos. Em todos os projetos aquapônicos acoplados de Rakocy e sua equipe UVI, um filtro biológico não foi incluído porque eles demonstraram que a cultura da jangada, o componente hidropônico forneceu uma área de superfície mais do que suficiente para suportar o tamanho da colônia de bactérias nitrificantes para tratar todo o amoníaco produzido pelos peixes como um produto residual dissolvido e convertê-lo em nitrato (Rakocy et al. 2006, 2011). Rakocy e sua equipe, portanto, não defenderam a esterilização aplicada da água do sistema porque pode ter afetado as colônias bacterianas nitrificantes. Esta perspectiva histórica UVI/RAKOCY ditou o design do sistema aquapônico para o futuro. Outras vantagens da não inclusão da esterilização aquática em sistemas aquánicos foram identificadas e discutidas, especialmente no contexto da microbiota vegetal assistiva (Savidov 2005; Goddek et al. 2016).

   O pensamento atual na pesquisa e indústria aquánica é que não aplicar qualquer forma de esterilização aquática ou desinfecção permite que a água do sistema desenvolva uma ecologia aquática complexa que consiste em muitas formas de vida microbiológicas diferentes (Goddek et al. 2016; Lennard 2017). Isto produz uma situação semelhante a um ecossistema natural em que uma elevada diversidade de microflora interage entre si e com as outras formas de vida associadas dentro do sistema (isto é, peixes e plantas). O resultado proposto é que essa diversidade leva a uma situação em que nenhum organismo patogênico pode dominar devido à presença de toda a outra microflora e, portanto, não pode causar efeitos devastadores para a produção de peixes ou vegetais. Foi demonstrado que os sistemas aquapônicos contêm uma elevada diversidade de microflora (Eck 2017) e, através do mecanismo de diversidade ecológica proposto acima, a assistência tanto à saúde dos peixes como às plantas e ao crescimento é prestada através desta diversidade microbiana (Lennard 2017).

   A abordagem não esterilizada e ecologicamente diversa da aquapônica tem sido historicamente aplicada a projetos aquapônicos acoplados ou totalmente recirculantes (Rakocy et al. 2006), enquanto uma analogia hidropônica esterilizada foi proposta para algumas abordagens de projeto aquapônico dissociadas (Monsees et al. 2016; Priva 2009; Goddek 2017). No entanto, parece que mais designers dissociados estão agora aplicando princípios que levam em consideração uma abordagem ecológica e não esterilizada (Goddek et al. 2016; Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016) e, portanto, reconhecem que há um efeito positivo associado a uma microflora aquapônica diversificada (Goddek et al. 2016; Lennard 2017).

9. 5.9 Vantagens da Aquaponics

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   Uma vez que existem duas tecnologias distintas, existentes e análogas que produzem peixes e plantas a altas taxas (cultura de peixe RAS e produção de plantas de cultura hidropônico/substrato), uma razão para a sua integração parece pertinente. A RAS produz peixes a taxas produtivas em termos de ganho de biomassa individual, para o peso da ração adicionado, que rivaliza, se não melhores, outros métodos de aquicultura (Lennard 2017). Além disso, as altas densidades de peixes que o RAS permite levar a maiores ganhos coletivos de biomassa (Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). Hidroponia e cultura de substratos possuem, dentro de um contexto ambiental controlado, taxas de produção avançadas de plantas que melhoram a maioria dos outros métodos de agricultura e horticultura (Resh 2013). Portanto, inicialmente, há um requisito para a aquapônica produzir peixes e plantas a taxas iguais a essas duas tecnologias produtivas separadas; caso contrário, qualquer perda de esforço produtivo contará contra qualquer argumento de integração. Se a taxa produtiva dos peixes e das plantas num sistema aquapônico puder iguar, ou melhor, as indústrias RAS e hidropônicas, então pode ser feito outro caso para outras vantagens que possam ocorrer devido ao processo de integração.

   A hidroponia padrão ou a cultura de substrato tem sido diretamente comparada com a aquapônica em termos das taxas de crescimento das plantas das duas tecnologias. Lennard (2005) comparou a produção de alface do sistema aquapônico com um controle hidropônico em vários experimentos de laboratório replicados. Ele demonstrou que a produção de alface aquapônica foi estatisticamente menor em aquapônica (4,10 kg/msup2/sup) quando comparada aos hidropônicos (6,52 kg/msup2/sup) quando se aplicou uma abordagem padrão para o projeto e manejo do sistema aquapônico de leito de mídia. No entanto, ele então realizou uma série de experimentos que isolaram parâmetros específicos do projeto (por exemplo, entrega de água subunidade hidropônica recíproca vs constante, aplicou caudal de água à subunidade hidropônica e comparando diferentes subunidades hidropônicas) ou comparando drivers específicos de manejo (por exemplo, tamponamento metodologias e espécies e as concentrações globais de nutrientes iniciais) para obter optimização e, em seguida, demonstrou que a aquaponia (5,77 kg/msup2/sup) era estatisticamente idêntica à produção de alface hidropônica (5,46 kg/msup2/sup) após optimização do sistema aquapónico com base nas melhorias sugerido por seus experimentos anteriores, o resultado sugerindo que melhorias em projetos aquapônicos acoplados ou totalmente recirculantes podem igualar taxas de produção de plantas hidropônicas padrão. Lennard (2005) também demonstrou a sobrevivência dos peixes, o SGR, a RCF e as taxas de crescimento iguais às exibidas no RAS padrão e na aquicultura extensiva para as espécies de peixes testadas (Australian Murray Cod).

   Pantanella et al. (2010) também demonstraram resultados estatisticamente semelhantes na produção de alface em sistemas aquapônicos de alta densidade de peixes (5,7 kg/msup2/sup alface) e baixa densidade de peixes (5,6 kg/msup2/sup alface) em comparação com um controle hidropônico padrão (6,0 kg/msup2/sup).

   Lennard (Nichols e Lennard 2010) demonstrou resultados estatisticamente iguais ou melhores para todas as variedades de alface e quase todas as produções de variedades de ervas testadas em um sistema aquapônico da técnica de película de nutrientes (NFT) quando comparado a um sistema hidropônico NFT dentro da mesma estufa.

   Delaide et al. (2016) compararam a água de produção de RAS complementada com nutrientes (nutrientes foram adicionados para combinar uma mistura de nutrientes de água e um exemplo de força por Rakocy — denotado como um análogo aquapônico), água de produção RAS totalmente complementada com nutrientes (água de produção RAS com sais de nutrientes hidropônicos adicionados a encontrar uma mistura de nutrientes hídricos e uma força usada para hidroponia padrão — denotada como um análogo dissociado) e um controle hidropônico (solução-padrão de nutrientes hidropônicos) em termos de taxa de crescimento vegetal e mostrou que o análogo aquapônico da água igualava o controle hidropônico e a água analógica dissociada melhorou o controle hidropônico. No entanto, deve notar-se que estes sistemas não eram totalmente operacionais aquapônicos contendo peixes (e o conteúdo microbiano associado, completo e ativo) que foram comparados, mas simplesmente água removida de uma RAS operacional e complementada, em seguida, comparada com uma água hidropônica de controle.

   Rakocy e sua equipe UVI demonstraram, com vários estudos, que as taxas de crescimento do peixe de Tilapia spp. são iguais aos padrões industriais estabelecidos pelas práticas de produção aquícola padrão (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2004a, b, 2006, 2011).

   Estes e outros estudos demonstraram que a aquaponia, independentemente da configuração (acoplada e dissociada), tem potencial para produzir taxas de produção de plantas iguais ou melhores do que a hidroponia padrão e taxas de produção de peixe de um padrão semelhante ao RAS. Por conseguinte, o requisito acima referido para a aquaponia igualar os seus análogos da indústria (RAS e hidroponia) parece ter sido devidamente comprovado, pelo que as outras vantagens da aquapônica devem ser consideradas.

   O uso eficiente da água é regularmente atribuído à aquapônica. Lennard (2005) afirmou que a economia de água associada a um sistema de teste aquapônico otimizado (laboratório) foi de 90% ou maior quando comparada a um sistema padrão de controle de aquicultura RAS, no qual a água foi trocada para controlar as acumulações de nitratos, enquanto as plantas nos aquánicos realizaram o mesmo requisito. Por conseguinte, demonstrou que a aquaponia proporciona um benefício substancial de poupança de água em comparação com a aquicultura RAS padrão. Curiosamente, este valor de 90% de poupança de água foi posteriormente declarado amplamente dentro da comunidade aquapônica global em um contexto de uso de plantas (por exemplo, a aquapônica usa 90% menos água do que a produção de plantas à base de solo (Graber e Junge 2009)) — um exemplo de como o argumento científico pode ser incorretamente adotado pela participantes não científicos da indústria.

   McMurtry (1990) demonstrou uma taxa de consumo de água em seu sistema aquapônico de aproximadamente 1% do exigido em um sistema similar de cultura de lagoas. Rakocy (1989) demonstrou taxas de consumo de água semelhantes de 1% em comparação com a aquicultura baseada em lagoas. Rakocy e Hargreaves (1993) afirmaram que a taxa diária de substituição de água para o sistema aquapônico UVI foi de aproximadamente 1,5% do volume total do sistema e Love et al. (2015a, b) afirmaram uma taxa aproximada de 1% do volume de água do sistema por dia para seu sistema de pesquisa aquapônica.

   A comparação da aquapônica com a RAS pode realizar economias substanciais de água e a aquapônica usa pequenas quantidades de água de substituição diariamente. Um sistema aquapônico bem projetado procurará usar a água da forma mais eficiente possível e, portanto, apenas substituirá a água perdida por evapotranspiração vegetal (Lennard 2017). De fato, foi proposto que a água possa até ser recuperada daquela perdida devido à evapotranspiração vegetal através da utilização de alguma forma de esquema ou tecnologia de coleta de conteúdo de água do ar (Kalantari et al. 2017). Os sistemas aquapônicos acoplados parecem fornecer um maior potencial para conservar e reduzir o uso da água (Lennard 2017). Se a dinâmica de nutrientes entre a produção de peixe e o uso da planta pode ser equilibrada, a única perda de água é através da evapotranspiração vegetal, e porque a água é integralmente compartilhada entre os componentes do peixe e da planta, os volumes diários de água de maquiagem simplesmente representam toda a água perdida das plantas do sistema (Lennard 2017 ). Os desenhos aquapônicos dissociados apresentam uma proposta mais difícil, pois os dois componentes não estão integralmente ligados e o uso diário de água do componente peixe não corresponde ao uso diário de água do componente vegetal (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). Portanto, o uso de água e as taxas de substituição para sistemas aquapônicos não estão completamente resolvidos e provavelmente nunca serão devidos às grandes diferenças nas abordagens de projeto do sistema.

   A utilização eficiente de nutrientes é atribuída ao método aquapônico e citada como uma vantagem da abordagem aquapônica (Rakocy et al. 2006; Blidariu e Grozea 2011; Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2015). Isto ocorre geralmente porque a aquicultura padrão RAS utiliza os nutrientes dentro da ração de peixes para cultivar o peixe, sendo o restante enviado para resíduos. Os peixes metabolizam grande parte da alimentação alimentada, mas utilizam apenas cerca de 25 a 35% dos nutrientes adicionados (Timmons et al. 2002; Lennard 2017). Isto significa que até 75% dos nutrientes adicionados à RAS exclusivamente para peixes são desperdiçados e não utilizados. A Aquaponics procura utilizar os nutrientes desperdiçados na RAS para a produção vegetal e, portanto, diz-se que a aquapônica utiliza os nutrientes adicionados de forma mais eficiente porque duas culturas são produzidas a partir de uma única fonte de entrada (Rakocy e Hargreaves 1993; Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006; Lennard 2017). A extensão do uso de nutrientes de resíduos de peixes difere entre os vários métodos aquapônicos. O modelo UVI totalmente recirculante não utiliza a maioria dos resíduos de peixes sólidos gerados na componente de peixe e os envia para resíduos (Rakocy et al. 2006), o modelo Lennard totalmente recirculante leva isso um passo adiante, utilizando todos os resíduos gerados pelo componente de peixe (resíduos dissolvidos diretamente e sólidos através de remineralização microbiana externa com substituição do sistema principal) (Lennard 2017). Muitas abordagens dissociadas também tentam utilizar todos os resíduos gerados pela componente de peixe, através da utilização direta de resíduos dissolvidos e, novamente, através da remineralização microbiana externa com substituição do sistema principal (Goddek et al. 2016; Goddek e Keesman 2018). Todos estes métodos e abordagens demonstram que o principal condutor para o método aquapónico consiste em utilizar o maior número possível de nutrientes adicionados e, portanto, tentar utilizar os nutrientes adicionados da forma mais eficiente possível.

   A independência do solo tem sido citada como uma vantagem do método aquapônico (Blidariu e Grozea 2011; Love et al. 2015a, b). A vantagem percebida é que, como o solo não é necessário, o sistema ou instalação aquapônica pode estar localizado onde o operador escolher, e não onde o solo adequado está presente (Love et al. 2015a, b). Portanto, o método aquapônico é independente da localização baseada na disponibilidade do solo, o que é uma vantagem sobre a agricultura baseada no solo.

   Tem sido argumentado que a aquaponia oferece uma vantagem ao imitar sistemas naturais (Blidariu e Grozea 2011; Love et al. 2014). Isso é apoiado pela natureza ecológica da abordagem aquapônica, conforme descrito na Seção 5.7 acima, com as vantagens associadas relacionadas a comunidades microflorais diversificadas e densas (Lennard 2017).

   A aquicultura tem um potencial impacto ambiental direto devido à liberação de águas residuais ricas em nutrientes para o ambiente circundante — geralmente, ambientes aquáticos (Boyd e Tucker 2012). Alguns métodos hidropônicos também podem possuir esse potencial. No entanto, a aquaponia pode exibir impacto ambiental direto reduzido ou negado de fluxos de resíduos ricos em nutrientes porque o principal componente gerador de resíduos (ou seja, o peixe) está integrado a um componente de uso de nutrientes (isto é, as plantas) (Rakocy et al. 2006; Blidariu e Grozea 2011; Goddek et al. 2015; Lennard 2017) . No entanto, alguns métodos aquapônicos produzem resíduos (por exemplo, o modelo UVI), mas estes são geralmente tratados e reutilizados para outras práticas agrícolas no local da instalação aquapônica (Timmons et al. 2002; Rakocy et al. 2006). Muitos métodos aquánicos dependem do uso de alimentos para aquicultura padrão, que contêm concentrações variáveis de sódio, geralmente através do uso de farinha de peixe ou óleo de peixe como ingrediente (Timmons et al. 2002). O sódio não é utilizado pelas plantas e, portanto, pode acumular-se ao longo do tempo em sistemas aquapônicos, o que pode levar à necessidade de alguma forma de substituição da água, de modo que o sódio não se acumula para concentrações que afetam as plantas (Lennard 2017). No entanto, foi relatado que algumas espécies de alface tiveram a capacidade de absorver sódio, quando foram expostas à água de aquicultura (Goddek e Vermeulen 2018).

   Sistemas aquapônicos acoplados ou totalmente recirculantes compartilham integralmente o recurso hídrico entre os dois componentes principais (peixe e planta). Devido a esta natureza aquática totalmente conectada e recirculante, os sistemas aquapônicos acoplados exibem um mecanismo de autocontrole em termos de incapacidade de aplicar com segurança herbicidas e pesticidas às plantas; se forem aplicados, sua presença pode afetar negativamente os peixes (Blidariu e Grozea 2011). Defensores totalmente recirculantes vêem esta incapacidade de aplicar pesticidas e herbicidas como uma vantagem, o argumento é que garante um produto sem pulverização (Blidariu e Grozea 2011). Defensores da aquapônica dissociada também buscam não aplicar herbicidas ou pesticidas; no entanto, devido ao fato de que a água não é recirculada de volta para os peixes das plantas, a capacidade de aplicar agrotóxicos e herbicidas às plantas está presente (Goddek 2017). Portanto, a aplicação ou a falta de aplicação de agrotóxicos e herbicidas ao componente vegetal de desenhos aquapônicos é vista de forma diferente por grupos que defendem diferentes abordagens de desenho.

   Existe a percepção de que a presença de peixes e plantas no mesmo sistema aquático proporciona efeitos sinérgicos positivos para a saúde dos peixes e da fitossanidade (Blidariu e Grozea 2011). Isso tem sido demonstrado indiretamente pela capacidade da aquapônica em alguns estudos para produzir taxas de crescimento de plantas superiores às observadas em hidroponia padrão (Nichols e Lennard 2010; Delaide et al. 2016). No entanto, não foi estabelecido qualquer nexo de causalidade directo entre a presença de peixes e plantas e qualquer resultado positivo para o peixe ou a fitossanidade.