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Capítulo 6 Relações Bacterianas em Aquapônica: Novas Direções de Pesquisa

1. 6.1 Introdução

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

   A água de recirculação na porção aquícola de um sistema aquaponico contém partículas e matéria orgânica dissolvida (POM, DOM) que entram no sistema principalmente através de alimentos para peixes; a porção de alimento que não é consumida ou metabolizada pelos peixes permanece como resíduo na água do sistema de aquicultura de recirculação (RAS) , quer na forma dissolvida (por exemplo, amoníaco) quer sob a forma de sólidos suspensos ou assentados (por exemplo, lamas). Uma vez que a maioria das lamas é removida por separação mecânica, a matéria orgânica dissolvida restante ainda deve ser removida de um sistema RAS. Tais processos dependem da microbiota em vários biofiltros para manter a qualidade da água para os peixes e para converter resíduos inorgânicos/orgânicos em formas de nutrientes biodisponíveis para as plantas. As comunidades microbianas do sistema aquaponico incluem bactérias, archaea, fungos, vírus e protistas em assemblagens que flutuam na composição com base em um fluxo e fluxo de nutrientes e mudanças nas condições ambientais, como pH, luz e oxigênio. As comunidades microbianas desempenham um papel significativo nos processos de desnitrificação e mineralização (ver Cap. 10 e, portanto, têm papéis fundamentais na produtividade geral do sistema, incluindo peixes bem-estar e fitossanidade.

   Os desafios dentro de qualquer sistema aquaponico são controlar insumos — água, alevinos, ração, plantlets — e sua microbiota associada para maximizar os benefícios da matéria orgânica e sua quebra em formas biodisponíveis para os organismos alvo. Dado que os parâmetros óptimos de crescimento ambiental e os nutrientes diferem para peixes e plantas (ver Cap. 8), vários sistemas de separação e aeração, e biofiltros contendo conjuntos microbianos relevantes, devem estar situados em pontos estratégicos do abastecimento de água, a fim de ajudar a manter os níveis de nutrientes, pH e oxigênio dissolvido (OD) dentro dos intervalos desejados para peixes alvo e espécies vegetais. De fato, os parâmetros de qualidade da água, incluindo temperatura, OD, condutividade elétrica, potencial redox, níveis de nutrientes, dióxido de carbono, iluminação, alimentação e caudais, afetam o comportamento e a composição das comunidades microbianas dentro de um sistema aquaponico (Junge et al. 2017). Nesse sentido, é importante refinar a configuração e a operação para que cada unidade contribua quantidades adequadas de formas biodisponíveis de nutrientes para o seu sucessor, em vez de permitir a proliferação de patógenos ou micróbios oportunistas que possam consumir a maior parte dos macronutrientes necessários a jusante.

   Várias técnicas para a análise de comunidades microbianas podem produzir informações importantes sobre mudanças na estrutura e função da comunidade ao longo do tempo em diferentes configurações aquapônicas. Ao correlacionar essas alterações com a biodisponibilidade de nutrientes e parâmetros operacionais, é possível reduzir a sobreprodução ou subprodução de nutrientes essenciais ou a produção de subprodutos nocivos. Por exemplo, maximizar a recuperação de nutrientes benéficos das plantas a partir de resíduos de matéria orgânica no componente de peixe depende principalmente da capacidade da microbiota para facilitar a degradação de nutrientes dentro de uma série de biofiltros e digestores de lodo, cujo desempenho é baseado em uma série de parâmetros operacionais tais como caudais, tempo de residência e pH (Van Rijn 2013). Uma vez que nem todos os sistemas aquapônicos incluem digestores de lodo, abordaremos este aspecto mais detalhadamente na última metade desta revisão enquanto remetemos o leitor para Chap. 3 para obter mais detalhes sobre técnicas de separação sólida e Chaps. 7 e 8 para discussões sobre o sistema aquaponico acoplado vs dissociado. Se considerarmos aqui apenas partículas dissolvidas e suspensas na água (e não lodo), todos os sistemas aquaponicos empregam uma gama de biofiltros diferentes que expõem os microrganismos ligados à matéria orgânica que passa pelo filtro e fornecem um substrato adequado e uma área de superfície suficiente para ligação microbiana e formação de biofilmes. A degradação desta matéria orgânica fornece energia às comunidades microbianas, que, por sua vez, liberam macronutrientes (por exemplo, nitrato, ortofosfato) e micronutrientes (por exemplo, ferro, zinco, cobre) de volta ao sistema em formas utilizáveis (Blancheton et al. 2013; Schreier et al. 2010; Vilbergsson et al. 2016a).

   Há uma investigação agrícola considerável sobre o papel da microbiota no enraizamento das plantas, no crescimento e na saúde. A preponderância desta pesquisa centra-se em sistemas baseados em solo, no entanto, pesquisas sobre hidroponia também têm aumentado nos últimos anos (Bartelme et al. 2018). A microbiota na aquicultura também tem sido igualmente bem caracterizada, onde o papel dos micróbios na saúde dos peixes e na digestão tem recebido considerável atenção à medida que os pesquisadores tentam caracterizar melhor o papel da saúde intestinal na assimilação de nutrientes. Dada a importância da biofiltração em sistemas RAS, as bactérias envolvidas no processo de nitrificação para RAS também foram comparativamente bem estudadas e, portanto, não são abordadas aqui (ver Chaps. 10 e 12). No entanto, tem havido pesquisas relativamente limitadas sobre micróbios no sistema aquaponico, especialmente as interações cruciais da microbiota entre vários compartimentos do sistema. Esta falta de pesquisa atualmente limita o escopo e a produtividade de tais sistemas, onde há considerável potencial de aprimoramento com pré e probióticos, bem como outras oportunidades para melhorar a saúde do sistema aquaponico através de uma melhor compreensão e, portanto, melhor capacidade de controle, o vasto conjunto de microbiota não caracterizada que afetam a saúde e o desempenho do sistema.

   Como tal, este capítulo centra-se principalmente em estudos recentes que revelam como e onde as comunidades microbianas determinam a produtividade dentro dos compartimentos, enquanto também destaca o número relativamente pequeno de estudos que ligam essas comunidades microbianas às interações entre componentes e sistema geral produtividade. Tentamos identificar lacunas em que o conhecimento adicional sobre comunidades microbianas possa lidar com desafios operacionais e fornecer insights importantes para aumentar a eficiência e a confiabilidade.

2. 6.2 Ferramentas para o estudo de comunidades microbianas

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   Novas tecnologias para estudar como as comunidades microbianas mudam ao longo do tempo, e quais grupos de organismos predominam sob condições ambientais particulares, têm oferecido cada vez mais oportunidades para antecipar resultados adversos dentro dos componentes do sistema e, assim, levar ao projeto de melhores sensores e testes para A monitorização eficaz das comunidades microbianas em culturas de peixes ou vegetais. Por exemplo, várias tecnologias 'ômicas' — metagenômica, metatranscriptomics, proteômica comunitária, metabolômica — estão cada vez mais permitindo aos pesquisadores estudar a diversidade de microbiota em sistemas RAS, biofiltros, hidropônicos e digestor de lamas, onde a amostragem inclui conjuntos microbianos inteiros em vez de um dado genoma. A análise da diversidade procariótica, em particular, tem sido muito ajudada nas últimas décadas por técnicas metagenômicas e metatranscrómicas. Em particular, a amplificação e a análise de sequência do gene 16S rRNA, com base na conservação intraespecífica de sequências genéticas neutras que acompanham operões ribossomais em ADN bacteriano, tem sido considerada o “padrão ouro” para a classificação taxonómica e identificação de espécies bacterianas. Tais dados também são utilizados em microbiologia para rastrear epidemias e distribuições geográficas e estudar populações bacterianas e filogenias (Bouchet et al. 2008). A metodologia pode ser intensiva em mão-de-obra e dispendiosa, mas os sistemas automatizados recentes, embora não necessariamente discriminatórios ao nível da espécie e da estirpe, oferecem oportunidades de aplicação em ambientes aquapônicos (Schmautz et al. 2017). Revisões recentes resumem as aplicações do 16S rRNA no que diz respeito à RAS (Martínez-Porchas e Vargas-Albores 2017; Munguia-Fragozo et al. 2015; Rurangwa e Verdegem 2015). Avanços na metagenômica de micróbios que não sejam bactérias encontradas em RAS e hidroponia dependem de metodologias semelhantes, mas utilizam 18S (eucariotas), 26S (fungos) e 16S em combinação com bibliotecas de clones RRRNA 26S (leveduras) para caracterizar essas microbiota (Martínez-Porchas e VargaSalbores 2017). Bibliotecas detalhadas de RNAs, por exemplo, também têm sido usadas em hidroponia para caracterizar comunidades microbianas na rizosfera (Oburger e Schmidt 2016). Tais bibliotecas podem ser particularmente úteis na aquapônica, uma vez que podem examinar a montagem de microrganismos como bactérias, archaea, protozoários e fungos e fornecer feedback sobre mudanças dentro do sistema.

   O desenvolvimento do sequenciamento automatizado de próxima geração (NGS) também possibilitou a análise de dados de genomas de amostras populacionais (metagenômicas) que podem ser usadas para caracterizar microbiota, revelar alterações filogenéticas temporais e traçar patógenos. As aplicações em RAS incluem o rastreamento de certas cepas bacterianas entre peixes cultivados e a eliminação de populações que transportam cepas virulentas, preservando simultaneamente portadores de outras estirpes (revisão: (Bayliss et al. 2017). As abordagens metagenômicas podem ser independentes de cultura e amplificação, o que permite que espécies anteriormente não culturáveis sejam conhecidas e investigadas por seus possíveis efeitos (Martínez-Porchas e Vargas-Albores 2017). Técnicas de sequenciamento de próxima geração são comumente usadas em microbiologia vegetal juntamente com análises metatranscriptomics de acompanhamento. Um excelente exemplo é o primeiro estudo de plantas inteiras de comunidades microbianas na rizosfera, em que os exsudatos radiculares mostraram correlacionar-se com os estágios de desenvolvimento (Knief 2014).

   A proteômica é mais útil ao estudar uma determinada espécie bacteriana ou estirpe sob condições ambientais específicas, a fim de descrever sua patogenicidade ou possível papel na simbiose. No entanto, há avanços na proteômica comunitária que se baseiam em estudos metagenômicos anteriores e utilizam várias técnicas bioquímicas para identificar, por exemplo, proteínas segregadas associadas a comunidades microbianas comensais ou simbióticas, e outras possibilidades abundam como a capacidade das tecnologias NGS avançar rapidamente (revisão: (Knief et al. 2011).

   A metabolômica caracteriza as funções dos genes, mas as técnicas não são específicas do organismo ou dependentes da sequenciação e, portanto, podem revelar a ampla gama de metabolitos que são produtos finais da bioquímica celular em organismos, tecidos, células ou compartimentos celulares (dependendo de quais amostras são analisadas). No entanto, o conhecimento sobre o metaboloma de comunidades microbianas sob determinadas condições ambientais (microcosmos) revela muito sobre o ciclo biogeoquímico de nutrientes e os efeitos das perturbações. Esse conhecimento caracteriza várias vias metabólicas e a gama de metabolitos presentes nas amostras. Análises bioquímicas e estatísticas subsequentes podem apontar para estados fisiológicos que podem, por sua vez, ser correlacionados com parâmetros ambientais que podem não ser evidentes a partir de abordagens genômicas ou proteômicas. No entanto, combinar metabolômica com estudos de função gênica tem um enorme potencial no desenvolvimento da pesquisa aquapônica; ver revisão (van Dam e Bouwmeester 2016).

3. 6.3 Considerações sobre biossegurança para a segurança alimentar e o controlo de patógenos

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   6.3.1 Segurança alimentar

   Uma boa segurança alimentar e garantir o bem-estar dos animais são grandes prioridades na obtenção de apoio público à aquaponia. Uma das questões mais frequentes levantadas pelos especialistas em segurança alimentar em relação à aquaponia é o risco potencial de contaminação por agentes patogênicos humanos ao utilizar efluentes de peixe como fertilizante para plantas (Chalmers 2004; Schmautz et al. 2017). Uma pesquisa recente na literatura para determinar os riscos zoonóticos em aquapônicos concluiu que patógenos em água de ingestão contaminada, ou patógenos em componentes de alimentos originários de animais de sangue quente, podem se tornar associados à microbiota do intestino de peixe, que, mesmo que não prejudiquem os próprios peixes, potencialmente ser passado para cima da cadeia alimentar para os seres humanos (Antaki e Jay-Russell 2015). Os mecanismos de introdução de agentes patogénicos num sistema aquaponico são, portanto, preocupantes, com a fonte mais provável de coliformes fecais ou outras bactérias patogénicas provenientes dos alimentos para animais para peixes. Do ponto de vista biológico, existem riscos potenciais de estes agentes patogénicos proliferarem quer em biofiltros, quer em sistemas de ciclo único através da introdução de agentes patogénicos transportados pelo ar a partir de componentes de plantas abertas de volta para os tanques de peixes. Embora os riscos de biossegurança sejam baixos no espaço ambiental relativamente fechado de um sistema aquaponico — em comparação, por exemplo, com a aquicultura de lagoas abertas — e sejam ainda menores no sistema aquaponico dissociado em que partes do sistema podem ser isoladas, ainda há uma percepção de que as lamas de peixes podem ser potencialmente perigoso quando aplicado a plantas para consumo humano. Escherichia coli (E. coli) é um patógeno entérico humano que causa doenças transmitidas por alimentos, que tem sido uma preocupação fundamental no que diz respeito à utilização de resíduos animais como fertilizantes na agricultura ou na aquicultura, por exemplo, sistemas integrados de peixes-suínos (Dang e Dalsgaard 2012). No entanto, geralmente não é considerado como apresentando um risco na aquaponia de plantas de peixe. Por exemplo, Moriarty et al. (2018) demonstraram anteriormente que o tratamento com radiação UV pode reduzir com sucesso E. coli, mas também observaram que os coliformes detectados no sistema aquaponico estavam em níveis de fundo e não proliferavam nas pistas de peixes ou na alface cultivada hidroponicamente dentro do e, portanto, não apresentava risco para a saúde. Há pesquisas limitadas sobre esses aspectos, mas alguns estudos preliminares têm encontrado riscos muito baixos de contaminação por coliformes, por exemplo, não mostrando diferença nos níveis de coliformes em relação aos tratamentos de água com RAS esterilizados e não esterilizados aplicados às plantas (Pantanella et al. 2015). Embora exista um risco potencial de internalização de micróbios dentro das folhas vegetais e, portanto, sua transmissão às porções consumidas de algumas plantas de folhas comestíveis cultivadas em aquapônica, outros estudos chegaram a conclusões semelhantes de que os riscos são mínimos de introdução de seres humanos potencialmente perigosos patógenos (Elumalai et al. 2017).

   No entanto, a gestão dos riscos, ou, mais importante, a gestão das percepções desses riscos, continua a ser uma alta prioridade para as autoridades governamentais e os investidores da aquapônica. Supõe-se que o controle de qualidade dos insumos de ração e o manuseio cuidadoso dos resíduos de peixes/peixes podem limitar a maioria dessas preocupações potenciais (Fox et al. 2012). De fato, nenhum incidente conhecido de saúde humana tem sido relatado atualmente em relação ao sistema aquaponico, e isso pode ser uma função do fato de que as instalações de RAS e estufas hidropônicas tipicamente têm boas medidas de biossegurança, incluindo práticas de higiene e quarentena que são rigorosamente observado. Práticas microbiológicas recomendadas para biossegurança foram avaliadas para diferentes sistemas de produção de aquicultura e recomendações formuladas nas diretrizes dos Pontos Críticos de Controle de Análise de Perigos, um sistema internacional para controle da segurança alimentar (Orriss e Whitehead 2000). No entanto, ainda há necessidade de uma melhor documentação científica sobre os riscos para a transferência de patógenos para os seres humanos e pesquisa direta sobre o manejo nesta área de produção aquaponica.

   6.3.2 Peixes e patógenos vegetais

   Existe literatura específica para disciplinas em aquacultura, hidroponia e bioengenharia que pode ajudar a informar e melhorar o desempenho microbiano na aquapônica. Por exemplo, as comunidades microbianas servem uma ampla gama de funções importantes na saúde dos peixes, inclusive desempenhando um papel fundamental na digestibilidade e assimilação da ração, bem como na imunodulação, e essas funções, bem como o papel dos probióticos no aprimoramento dos sistemas de aquicultura, são bem revisados (Akhter et al. 2015). O papel dos micróbios em sistemas RAS especificamente também está bem abrangido, incluindo o manejo microbiano de biofiltros, bem como a investigação sobre o controlo de patógenos, bem como várias técnicas para controlar os aromas derivados dos sistemas RAS (Rurangwa e Verdegem 2015). Da mesma forma, os micróbios na rizosfera das plantas são importantes para o enraizamento e o crescimento das plantas (Dessaux et al. 2016), mas também para controlar a disseminação de patógenos na produção de plantas hidropônicas; essas áreas são bem exploradas em uma revisão recente de Bartelme et al. (2018). No entanto, ainda há uma compreensão muito limitada das ligações no microbioma entre os compartimentos do sistema aquaponico, conhecimento que é crucial para maximizar a produtividade e reduzir a transferência de patógenos.

   A proliferação de patógenos oportunistas perigosos para o peixe ou a fitossanidade são considerações importantes na economia das operações aquapônicas, uma vez que qualquer uso de antibióticos ou desinfetantes pode ter um efeito potencialmente prejudicial sobre a função do biofiltro, bem como desestabilizar microbiano relações em outros compartimentos do sistema. Os protocolos de desinfecção comumente utilizados em RAS incluem o tratamento de água com luz ultravioleta (Elumalai et al. 2017), que, combinado com ozônio (e geralmente uma combinação de ambos), compreende uma abordagem abiótica de primeira linha para manter a qualidade da água. Os ovos/larvas de peixe também são frequentemente colocados em quarentena antes de serem introduzidos, e qualquer água de entrada tratada, reduzindo assim potenciais fontes diretas de entrada de agentes patogénicos dos peixes no sistema.

   A água de entrada para o RAS também é normalmente autorizada a “amadurecer” em biofiltros antes de ser alimentada no sistema de recirculação. Experimentos, por exemplo, mostraram que inocular um pré-biofiltro com uma mistura de bactérias nitrificantes, e “alimentá-lo” com matéria orgânica até que as populações bacterianas correspondam à capacidade de carga dos tanques de peixes, significa que a água do tanque de criação é menos provável de ser instável e ultrapassada por bactérias oportunistas (Attramadal et al. 2016; Rurangwa e Verdegem 2015). No entanto, caso os patógenos se tornem problemáticos, o uso de altas doses de tratamento UV, ozônio, químico ou antibiótico pode, por vezes, ser necessário, embora essa utilização seja geralmente perturbadora para outros compartimentos do sistema, especialmente os biofiltros (Blancheton et al. 2013). De fato, dependendo da dose e localização dentro do sistema, tratamentos não seletivos para patógenos podem realmente favorecer a proliferação de oportunistas. Por exemplo, altos níveis de tratamento com ozônio não só mata bactérias, protistas e vírus, mas também oxida DOM e afeta a agregação de POM, exercendo pressão de seleção sobre populações bacterianas (ibid.).

   Uma discussão detalhada sobre patógenos vegetais no sistema aquaponico e seu controle está incluída no Cap. 14 e, portanto, não é reiterada aqui. No entanto, vale a pena notar que as espécies Bacillus são rotineiramente utilizadas como probióticos comerciais na aquicultura, e há evidências crescentes de que espécies semelhantes de Bacillus também são eficazes para plantas, que já estão disponíveis em algumas soluções comerciais de probióticos hidroponia (Shafi et al. 2017). Um estudo recente estendeu esses estudos sobre Bacillus para incluir experimentação em sistema aquaponico (Cerozi e Fitzsimmons 2016b). O local onde os probióticos são introduzidos — nos peixes, plantas ou biofiltros — pode ser importante, mas não está claro, a partir do trabalho existente, se a adição de probióticos no componente de peixe, com benefícios potenciais para os peixes, também tem melhores efeitos sobre o crescimento das plantas e a saúde em relação à adição de níveis semelhantes de probióticos diretamente ao compartimento hidropônico.

   Além dos probióticos de aplicação padrão, há uma variedade de técnicas inovadoras para o biocontrole que podem no futuro se tornar cada vez mais valiosas para reduzir a presença e proliferação de micróbios nocivos. Em um estudo recente, isolados bacterianos foram selecionados a partir de um sistema aquapônico estabelecido com base em sua capacidade de exercer efeitos inibitórios tanto em patógenos fúngicos de peixes quanto em plantas. O objetivo foi cultivar esses isolados como inóulas que pudessem atuar posteriormente como controles biológicos para doenças dentro desse sistema aquaponico (Sirakov et al. 2016). Por exemplo, Sirakov et al. demonstraram que um Pseudomonas sp. isolado foi eficaz como um biocontrole para os fungos patogênicos Saprolegnia parasitica de peixes e Pythium ultimum de plantas. Os pesquisadores também relataram inibição in vitro de uma variedade de outros isolados bacterianos dos diferentes compartimentos aquapônicos, mas sem testar seus efeitos in vivo. O potencial de utilização de isolados como controles biológicos não é novo, mas as aplicações de técnicas de NGS podem agora revelar mais sobre interações de tais isolados uns com os outros e com potenciais patógenos, possibilitando assim otimizar a eficácia do parto. O uso de outras técnicas “ômicas” pode ajudar a revelar a estrutura geral da comunidade e as funções metabólicas associadas, e começar a elucidar quais organismos e funções são mais benéficos. No futuro, tais técnicas podem permitir a seleção de “linhagens auxiliares” dentro de comunidades microbianas, ou a identificação de exsudados com efeitos antimicrobianos (Massart et al. 2015).

4. 6.4 Equilíbrio Microbiano e Reforço em Unidades Aquapônicas

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   A produtividade no sistema aquaponico envolve o monitoramento e o gerenciamento de parâmetros ambientais, a fim de fornecer a cada componente, seja microbiano, animal ou vegetal, condições de crescimento ótimas. Embora isso nem sempre seja possível devido a compensações nos requisitos, um dos principais objetivos da aquapônica gira em torno do conceito de homeostase, em que manter a estabilidade do sistema envolve ajustar parâmetros operacionais para minimizar perturbações desnecessárias que causam estresse dentro de uma unidade, ou efeitos prejudiciais sobre outros componentes. Com montagens microbianas em constante mudança, a homeostase nunca implica um estado permanente de equilíbrio, mas sim um objetivo de alcançar o máximo de estabilidade possível, particularmente dentro dos parâmetros de qualidade da água.

   Um RAS acoplado a um sistema hidropônico estará em constante mudança, mas dentro dessa configuração, o componente RAS permanece relativamente estável, particularmente em sistemas dissociados (Goddek e Körner 2019). O sistema hidropônico, por outro lado, tende a ser mais errático na qualidade da água, uma vez que as culturas vegetais são frequentemente colhidas em modos de lote, e raramente em sincronia com a produção de peixe.

   Durante a fase inicial de arranque de qualquer sistema aquaponico, a qualidade da água — particularmente no que diz respeito às comunidades microbianas em biofiltros — é uma preocupação e, a fim de minimizar a proliferação de bactérias oportunistas, uma prática de rotina tem sido permitir a maturação microbiana da água de entrada antes da sua introdução no RAS, adicionando peixes somente após a capacidade dos biofiltros corresponder à capacidade de carga dos tanques de criação com uma densidade populacional específica (Blancheton et al. 2013). Uma prática semelhante é observada em hidroponia, onde pelo menos uma porção de água reciclada é usada para inocular uma nova cultura, uma vez que comunidades microbianas maduras levam tempo para se desenvolver e introduzir todos os novos resultados de água em longos períodos de atraso. Tais práticas conduzem a uma maior estabilidade nas condições de cultura e a uma maior produtividade. Por exemplo, o desempenho melhorado nos sistemas RAS foi observado quando o filtro de pré-ingestão é fornecido com alimentos para peixes pulverizados para desenvolver comunidades microbianas mais semelhantes às dos tanques de criação (Attramadal et al. 2014).

5. 6.5 Papel Bacteriano na Ciclagem de Nutrientes e Biodisponibilidade

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   Pesquisas consideráveis têm sido realizadas para caracterizar bactérias heterotróficas e autotróficas em sistemas RAS e para melhor compreender seus papéis na manutenção da qualidade da água e na ciclagem de nutrientes (para revisões, ver Blancheton et al. (2013); Schreier et al. (2010). Heterotróficos não patogênicos, tipicamente dominados por Alphaproteobacteria e Gammaproteobacteria, tendem a prosperar em biofiltros, e suas contribuições para transformações de nitrogênio são bastante bem compreendidas porque a ciclagem de nitrogênio (NC) tem sido de suma importância no desenvolvimento de cultura recirculante sistemas (Timmons e Ebeling 2013). Há muito se reconhece que a transformação bacteriana do amoníaco excretado pelos peixes em um sistema RAS deve ser comparada com as taxas de excreção, uma vez que o excesso de amoníaco torna-se rapidamente tóxico para os peixes (ver Cap. 9). Portanto, na RAS de água doce e marinha, os papéis funcionais das comunidades microbianas na dinâmica NC — nitrificação, desnitrificação, amonificação, oxidação anaeróbica de amônio e redução dissimilatória de nitrato — receberam considerável atenção de pesquisa e estão bem descritos em revisões recentes (Rurangwa e Verdegem 2015; Schreier et al. 2010). Há muito menos estudos sobre transformações de nitrogênio em aquaponia, mas uma revisão recente (Wongkiew et al. 2017) fornece um resumo junto com a discussão sobre a eficiência da utilização de nitrogênio, que é uma consideração primordial para o crescimento de plantas em hidroponia.

   Após o nitrogênio, o segundo macronutriente mais essencial na aquapônica é o fósforo, que não é um fator limitante para peixes que o adquirem da ração, mas é crucial para plantas hidropônicas. No entanto, as formas de fosfato nos resíduos de peixes não são imediatamente biodisponíveis para as plantas. As plantas devem ter quantidades adequadas de ortofosfato iónico inorgânico (Hsub2/subposub4/subsup-/sup e HPOsub4/subsup2-/sup = Pi) (Becquer et al. 2014), uma vez que esta é a única forma biodisponível para absorção e assimilação. O fosfato inorgânico se liga ao cálcio acima do pH 7,0, de modo que o sistema aquaponico deve ter cuidado para manter as condições de pH perto do pH 7,0. Como os valores de pH aumentam acima de 7,0, várias formas insolúveis de fosfato de cálcio podem acabar como precipitados em lodo (Becquer et al. 2014; Siebielec et al. 2014). Por conseguinte, as perdas RAS de P são principalmente através da remoção de lamas do sistema (Van Rijn 2013). No entanto, em algum lugar do sistema aquapônico, as partículas devem ser capturadas e deixadas mineralizar, a fim de fornecer suprimentos suficientes de nutrientes utilizáveis para as culturas na unidade hidropônica. A etapa de mineralização também liberará outros macro e micronutrientes para que haja menos deficiências, reduzindo assim a necessidade de suplementação no compartimento hidropônico. Dado que o abastecimento mundial de fertilizantes ricos em fosfato está diminuindo e a suplementação com P é cada vez mais dispendiosa, estão sendo feitos esforços para maximizar a recuperação do P do lodo RAS (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017).

   A biodisponibilidade de macro e micronutrientes é atualmente pouco compreendida. Pesquisas anteriores (Cerozi e Fitzsimmons 2016a) sugerem que a disponibilidade de nutrientes fica comprometida à medida que o pH é reduzido abaixo de 7,0 e resultou no sistema hidropônico acoplado para folhas verdes sendo operado em torno de pH 6,0. Entretanto, pesquisas recentes comparando condições aquapônicas e pH 7,0 com condições hidropônicas de pH 5,8 não mostraram diferença na produtividade (Anderson et al. 2017a, b). Nesses estudos, as condições hidropônicas com pH 7,0 reduziram a produtividade em\ ~ 22% em comparação com o pH hidropônico 5,8. Inicialmente, a hipótese era de que as diferenças de produtividade poderiam ser atribuídas à microbiota da água aquapônica, mas pesquisas subsequentes rejeitaram essa teoria (Wielgosz et al. 2017).

   Em RAS, onde as razões C:N aumentam devido à disponibilidade de matéria orgânica, bactérias desnitrificantes, especialmente Pseudomonas sp., usam carbono como doador de elétrons em condições anóxicas, para produzir NSub2/sub à custa do nitrato (Schreier et al. 2010; Wongkiew et al. 2017). Os sistemas bioflocos são, por vezes, utilizados para aumentar a alimentação dos peixes (Crab et al. 2012; Martínez-Córdova et al. 2015), e o biofloco está sendo cada vez mais utilizado no sistema aquaponico, especialmente na Ásia (Feng et al. 2016; Kim et al. 2017; Li et al. 2018). Quando o biofloco é utilizado em aquapônicos (da Rocha et al. 2017; Pinho et al. 2017), a ciclagem de nutrientes torna-se ainda mais complexa, visto que o OD, a temperatura e o pH influenciam se as comunidades microbianas heterotróficas (utilizadoras de carbono) predominam sobre os desnitrificadores autotróficos que são capazes de reduzir o sulfureto para sulfato (Schreier et al. 2010). Os heterotróficos tendem a ter uma taxa de crescimento maior do que os autotróficos na presença de fontes adequadas de carbono (Michaud et al. 2009); portanto, manipular o tipo ou regimes de alimentação, ou adicionar uma fonte de carbono orgânico diretamente, enquanto monitora os níveis de oxigênio dissolvido, pode ajudar a manter as populações equilibradas enquanto ainda fornecendo hidroponia com N de forma utilizável (Vilbergsson et al. 2016a).

   No sistema hidropônico, a ciclagem de nutrientes tem sido menos bem estudada, uma vez que os compostos inorgânicos contendo o equilíbrio necessário de nutrientes são tipicamente adicionados, a fim de garantir o crescimento adequado das plantas. No entanto, altas concentrações de nutrientes, especialmente em ambientes úmidos e quentes, como estufas, facilitam facilmente o crescimento de comunidades microbianas, especialmente fitopatógenos como fungos (Fusarium) e oomycota (Phytophthora, Pythium sp.), que podem rapidamente assentar na água circulante e podem resultar em off (Lee e Lee 2015). Os recentes esforços para entender melhor as rizobactérias hidropônicas e seus efeitos benéficos na promoção do crescimento vegetal (mas também para inibir a proliferação de patógenos) utilizaram várias técnicas 'ômicas' para analisar comunidades microbianas e suas interações com sistemas radiculares (Lee e Lee 2015).

   Por exemplo, quando bactérias probióticas, como Bacillus, estão presentes, elas mostraram aumentar a disponibilidade de P e também parecem ter um efeito promotor do crescimento vegetal adicional em um sistema de tilápia-alface (Cerozi e Fitzsimmons 2016b). No sistema aquaponico, a adição de probióticos à ração de peixes e à água RAS, bem como ao abastecimento de água hidropônica, merece mais experimentação, uma vez que as comunidades microbianas podem ter múltiplos efeitos moduladores na fisiologia vegetal. Por exemplo, as comunidades microbianas (bactérias, fungos, oomicetes) de quatro culturas alimentares foram analisadas por sequenciamento metagenômico quando mantidas em um sistema hidropônico de filme de nutrientes constante, onde as concentrações de pH e nutrientes podiam flutuar naturalmente ao longo dos ciclos de vida das plantas (Sheridan et al. 2017). Os autores concluíram que o tratamento com uma mistura comercial de micróbios promotores de crescimento vegetal (PGPMs), neste caso bactérias, micorrizas e fungos, parecia conferir maior estabilidade e semelhanças na composição comunitária após 12 a 14 semanas do que nos controles. Eles sugerem que isso poderia ser atribuído a exsudatos radiculares, que supostamente favorecem e até controlam o desenvolvimento de comunidades microbianas apropriadas a estágios sucessivos de desenvolvimento de plantas. Tendo em conta os efeitos conhecidos dos PGPMs na produção de culturas à base de solo e os poucos estudos disponíveis para sistemas sem solo, justifica-se uma investigação mais aprofundada para determinar como melhorar os PGPMs e melhorar os seus efeitos no sistema aquaponico (Bartelme et al. 2018). Se as culturas hidropônicas são mais estáveis e o crescimento das plantas é mais robusto com os PGPMs, então o objetivo deve ser caracterizar comunidades microbianas em aquaponia via metagenômica e correlacioná-las com a disponibilidade ótima de macro e micronutrientes via metabolômica e proteômica.

6. 6.6 Sólidos e Lodo Suspenso

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

   Os parâmetros para a operação aquapônica em uma determinada escala — incluindo volume de água, temperatura, vazão e alimentação, pH, idade e densidades de peixes e culturas — afetam a distribuição temporal e espacial das comunidades microbianas que se desenvolvem dentro de seus compartimentos, para revisões: RAS (Blancheton et al. 2013); hidroponia (Lee e Lee 2015).

   Além de controlar o oxigênio dissolvido, os níveis de dióxido de carbono e o pH na aquapônica, também é essencial controlar o acúmulo de sólidos no sistema RAS, pois partículas finas suspensas podem aderir às brânquias, causar abrasão e desconforto respiratório e aumentar a suscetibilidade à doença (Yildiz et al. 2017) . Mais relevante, a matéria orgânica particulada (POM) deve ser removida rápida e eficazmente dos sistemas RAS, ou então o crescimento heterotrófico excessivo causará a falha de quase todos os processos unitários. As taxas de alimentação RAS devem ser cuidadosamente gerenciadas para minimizar o carregamento de sólidos no sistema (por exemplo, evitar sobrealimentação e minimizar os custos de alimentação). As propriedades biofísicas dos alimentos para animais — tamanho das partículas, teor de nutrientes, digestibilidade, apelo sensorial, densidade e taxa de estabilização — determinam as taxas de ingestão e assimilação, que, por sua vez, têm um impacto na acumulação de sólidos e, portanto, na qualidade da água. Embora a qualidade da água seja frequentemente estudada no contexto da ciclagem de nutrientes (ver Cap. 9, também é importante obter uma melhor compreensão da composição das comunidades microbianas e das alterações nessas com base na composição dos alimentos, e como isso influencia o crescimento de comunidades bacterianas heterotróficas e autotróficas.

   Várias características dos projetos de sistemas RAS foram desenvolvidas especificamente para lidar com sólidos (Timmons e Ebeling 2013); ver também revisão: (Vilbergsson et al. 2016b). Por exemplo, alguns biofiltros funcionam para manter partes substanciais de resíduos suspensas a fim de facilitar a degradação, enquanto outros filtram mecanicamente através de telas ou meios granulares. Outros ainda dependem da sedimentação para simplesmente coletar e remover lodo. No entanto, esses métodos não são particularmente eficazes para recuperar nutrientes dentro das lamas e torná-los biodisponíveis para utilização vegetal. Historicamente, este lodo tem sido manuseado em biorreatores por seu valor metanogênico ou desidratado para ser usado como fertilizante para culturas à base de solo, mas vários projetos mais recentes têm tentado melhorar a recuperação para uso no componente hidropônico. Melhorar a recuperação destas lamas é uma importante área de investigação, uma vez que uma parte significativa dos macro e micronutrientes essenciais necessários para o crescimento das plantas está ligada à matéria orgânica particulada, que, se descartada, é perdida do sistema. Ao adicionar um ciclo adicional de reciclagem de lodo ao sistema aquaponico, os resíduos sólidos podem ser convertidos em nutrientes dissolvidos para reutilização pelas plantas em vez de serem descartados (Goddek et al. 2018). Digestores ou biorreatores remineralizantes são uma maneira de conseguir isso, no entanto, uma das principais áreas atualmente subdesenvolvidas inclui o conhecimento de como as comunidades microbianas dentro desses digestores de lodo podem ser aprimoradas (por exemplo, através da adição de micróbios) ou melhor utilizadas (por exemplo, através de melhores projeto projetado de reatores ligados) para recuperar nutrientes em formas biodisponíveis para plantas. Embora as comunidades microbianas reais dentro de digestores de lodo não tenham sido bem pesquisadas para a aquapônica, há literatura considerável sobre a microbiota de digestores de lodo para esgoto e resíduos animais na agricultura, incluindo efluentes de peixe, que pode fornecer mais informações sobre projetos ideais para Recuperação de lamas no sistema aquaponico. A pesquisa atual sobre a incorporação de lodo ao sistema aquaponico envolve a remineralização em digestores situados entre a RAS e a unidade hidropônica (Goddek et al. 2016a, 2018). Dentro de biorreatores aeróbicos ou anaeróbios, as condições ambientais favoráveis à degradação dos resíduos podem efetivamente quebrar essas lamas em nutrientes biodisponíveis, que podem ser posteriormente entregues ao sistema hidropônico sem a presença de solo (Monsees et al. 2017). Muitos sistemas aquapônicos de um ciclo já incluem digestores aeróbicos (Rakocy et al. 2004) e anaeróbicos (Yogev et al. 2016) para transformar nutrientes que estão presos no lodo de peixe e torná-los biodisponíveis para as plantas. A capacidade de dissociar estes tem uma série de vantagens que são discutidas em Chap. 8 e parece levar a taxas de crescimento mais elevadas (Goddek e Vermeulen 2018). No entanto, apesar dos muitos avanços, a tecnologia real para conseguir isso continua sendo desafiadora. Por exemplo, algumas bactérias heterotróficas desnitrificantes cultivadas em condições anóxicas ou mesmo aeróbias com lodo de RAS usarão nitrato como receptor de elétrons e fontes de carbono oxidado para energia, enquanto armazenam o excesso de P como polifosfato juntamente com íons metálicos divalentes, como Casup+2/SUP ou Cusup+2/SUP. Quando estressadas com pH alcalino, essas bactérias degradam o polifosfato e liberam ortofosfato, que é a forma necessária para a assimilação do fosfato pelas plantas (Van Rijn et al. 2006). A inserção de unidades de biorreatores de remineralização, como as de Goddek et al. (2018), poderia fornecer uma maneira de recuperar melhor P para hidroponia. Foram utilizados métodos semelhantes, por exemplo, com lamas de truta provenientes de uma RAS que foram tratadas para o teor de nitrato e de P que excedam os limites admissíveis de eliminação (Goddek et al. 2015). No entanto, as comunidades microbianas envolvidas nesses processos são sensíveis a condições de cultura como razões C:N, oxigenação, íons metálicos e pH, de modo que nitritos e outros intermediários nocivos podem se acumular. Apesar de uma vasta literatura sobre digestores de vários resíduos orgânicos, principalmente anaeróbios para produção de biogás (Ibrahim et al. 2016), há muito menos pesquisas sobre o tratamento de resíduos de RAS (Van Rijn 2013) e, no caso do sistema aquaponico, ainda menos pesquisas disponíveis sobre a relação entre nutrientes biodisponibilidade e crescimento de culturas no sistema hidropônico (Möller e Müller 2012). Neste momento, mais estudos sobre biorreatores de lodo RAS poderiam fornecer informações importantes sobre as condições de cultura para populações microbianas que produzem resultados favoráveis, por exemplo, sobre a recuperação de P, e sua introdução em unidades hidropônicas.

   Um dos desafios atuais nos esforços para avaliar a recuperação de P a partir de lodo surge ao comparar ensaios de digestores anaeróbios e aeróbicos para sua eficácia (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). Embora ambos os estudos tenham utilizado inicialmente uma composição semelhante de lodo, os resultados foram bastante diferentes. Em um estudo (Monsees et al. 2017), medidas de vários nutrientes solúveis em tratamentos aeróbicos resultaram em um aumento de 330% na concentração de P e uma diminuição de 16% na concentração de nitrato em comparação com aumentos menores em P e uma diminuição de 97% no nitrato nos tratamentos anaeróbicos. Por outro lado, resultados de um estudo semelhante (Goddek et al. 2016b) mostraram que o crescimento de plantas de alface em uma unidade hidropônica foi superior ao uso de sobrenadante anaeróbio, embora os tratamentos anaeróbio e aeróbio resultem apenas em recuperação de nitratos ligeiramente melhor a partir de condições anaeróbias e perda quase completa de POSub4/sub de ambos os tratamentos (Goddek et al. 2016b). Obviamente, fatores como composição e taxas de alimentação, suspensão versus sedimentação de sólidos, pH (mantido a 7 ± 1 com CaOHsub2/Sub no primeiro e variável 8.2—8.65 no último), amostragem e estirpes de peixes diferiram nestes dois estudos. No entanto, os resultados contrastantes para POSub4/Sub e NoSub3/Sub indicam a necessidade de mais pesquisas para otimizar a recuperação de nutrientes, com a adição de uma abordagem metagenômica para caracterizar comunidades microbianas, de modo a compreender melhor seu papel nesses processos.

7. 6.7 Conclusões

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

   Antigamente o domínio dos pequenos produtores, os avanços tecnológicos estão cada vez mais movendo a aquaponia para a produção comercial de maior escala, concentrando-se na melhoria da recuperação de macro e micronutrientes, ao mesmo tempo em que fornecem inovações técnicas para reduzir as necessidades de água e energia. No entanto, a ampliação da aquapônica para uma escala industrial requer uma compreensão e manutenção muito melhor das assemblagens microbianas, e a implementação de medidas de biocontrole fortes que favoreçam a saúde e o bem-estar dos peixes e das culturas, ao mesmo tempo que cumprem as normas de segurança alimentar para seres humanos consumo. São necessárias mais investigações sobre o biocontrolo de agentes patogénicos microbianos em aquaponia, incluindo potenciais agentes patogénicos humanos, dos peixes e das plantas, tendo em conta a sensibilidade desses sistemas às perturbações, e o facto de a utilização de produtos químicos e antibióticos poder ter efeitos profundos nas populações microbianas, nos peixes e nos , bem como a operação geral do sistema. A elucidação das interações microbianas pode melhorar a produtividade do sistema aquaponico devido aos papéis cruciais dos micróbios na conversão da matéria orgânica em formas utilizáveis que podem permitir que peixes e plantas prosperem.