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Capítulo 7 Sistemas Aquapônicos Acoplados

1. 7.1 Introdução

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

   

   ** Fig. 7.1** Diagrama do primeiro sistema por Naegel (1977) cultivando Tilapia e carpa comum em combinação com alface e tomate em um sistema fechado de recirculação

   A combinação do cultivo de peixes e plantas em aquapônica acoplada remonta ao primeiro projeto de Naegel (1977) na Alemanha, usando um sistema de escala de passatempos de 2000 L (Fig. 7.1) localizado em uma estufa de ambiente controlado. Este sistema foi desenvolvido para verificar a utilização de nutrientes provenientes de águas residuais de peixes em condições de recirculação de água totalmente controladas destinadas à produção de plantas, incluindo um sistema de lamas duplas (tratamento aeróbico/anaeróbio de águas residuais). Naegel baseou seu conceito no sistema aquapônico de lagoa aberta da Carolina do Sul Agricultural Experiment Station, nos EUA, onde o excesso de nutrientes dos lagoas, abastecido com bagre de canal (Ictalurus punctatus), foram eliminados pela produção hidropônica de castanhas aquáticas (Eleocharis dulcis) ( Loyacano e Grosvenor 1973). Ao incluir tanques de nitrificação e desnitrificação para aumentar a concentração de nitrato dentro de seu sistema, Naegel (1977) tentou uma oxidação completa de todos os compostos nitrogenados, atingindo concentrações de nitrato de 1200 mg/L e demonstrando a eficácia da etapa de nitrificação. Embora o sistema tenha sido estocado em baixa densidade (20 kg/msup3/sup cada) utilizando tilápia (Tilapia mossambica) e carpa (Cyprinus carpio), os tomates (Lycopersicon esculentum) e alface iceberg (Lactuca scariola) cresceram bem e produziram rendimento colhível. Esses primeiros resultados da pesquisa levaram ao conceito de sistemas aquapônicos acoplados, em que as plantas eliminam os resíduos produzidos pelos peixes, gerando crescimento adequado, demonstrando uso de água altamente eficiente em ambas as unidades. O princípio da aquapônica acoplada foi descrito pela primeira vez por Huy Tran na Conferência Mundial de Aquacultura em 2015 (Tran 2015).

   Os sistemas aquánicos acoplados não utilizam necessariamente a filtragem mecânica de partículas no sentido clássico e mantêm um fluxo de nutrientes consistente entre a aquicultura e as unidades hidropônicas. O principal desafio é como gerenciar a carga fecal no sistema aquapônico acoplado, onde as plantas absorvem os nutrientes e os resíduos de partículas podem ser removidos do sistema por prensas filtrantes ou geotêxteis.

   O desenvolvimento da agricultura moderna, o crescimento da população humana e a redução dos recursos em todo o mundo, promoveram o desenvolvimento de sistemas aquapônicos acoplados. Uma vez que a piscicultura é consideravelmente mais eficiente na produção de proteínas e no consumo de água em comparação com outros animais de criação e uma vez que os sistemas fechados são largamente independentes do local, os sistemas aquapónicos acoplados puderam desenvolver-se a nível mundial (Graber e Junge 2009), em condições áridas (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016) e até mesmo em ambientes urbanos (König et al. 2016). Os sistemas mais descritos pertencem a instalações domésticas, de pequena escala e semi-comerciais (Palm et al. 2018) que são conduzidas por aquaristas de passatempos, entusiastas ou pequenas empresas start-up. Novos resultados de pesquisas, resumidos neste capítulo, demonstram tanto os potenciais como os constrangimentos em relação ao desenvolvimento contínuo desses sistemas em aquapônica comercial, sendo capazes de contribuir significativamente para a futura produção de alimentos.

2. 7.2 Desenvolvimento Histórico da Aquapônica Acoplada

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

   A maior parte dos esforços de investigação originais sobre sistemas aquapónicos acoplados realizaram-se nos EUA, com uma presença crescente na UE, em parte iniciada pela Acção COST FA1305, o Hub Aquaponics da UE e noutros centros de investigação europeus. Hoje em dia, projetos de sistemas aquapônicos totalmente recirculantes dominam quase completamente a indústria aquapônica americana, com estimativas de que mais de 90% dos sistemas aquapônicos existentes nos EUA são de um projeto totalmente recirculante (Lennard, pers. comm.). A primeira pesquisa aquaponica acoplada americana foi realizada no Illinois Fisheries and Aquaculture Center (anteriormente o SIU Cooperative Fisheries Research Laboratory) e no Departamento de Zoologia, com foco em sistemas aquapônicos acoplados abastecidos com peixe-gato de canal (Ictalurus punctatus) em combinação com tomates (Lycopersicon esculentum) (Lewis et al. 1978). Os autores observaram que um crescimento ideal das plantas só é possível quando todos os macro e micronutrientes essenciais estão disponíveis na água de processo, e, portanto, a suplementação de nutrientes é necessária em caso de deficiências de nutrientes. Os autores também demonstraram uma deficiência de ferro disponível na planta, restringindo o crescimento da planta, que poderia ser resolvido através da suplementação de ironquelato. Outros estudos iniciais nos EUA focaram na análise da funcionalidade tecnológica e da qualidade do peixe-gato e tomate do canal colhido (Lewis et al. 1978; Sutton e Lewis 1982). Os sistemas aquánicos em escala laboratorial examinaram parâmetros, tais como a eficiência dos recursos no que diz respeito aos materiais, custos, consumo de água e energia, e examinaram a utilização de outras espécies de peixes, como Tilapia spp. nas Ilhas Virgens Americanas (UVI) (Watten e Busch 1984). Dr. James Rakocy da UVI desenvolveu o primeiro sistema aquapônico acoplado comercial, um sistema de jangada que combinou a produção de Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus) e alface (Lactuca sativa), e posteriormente investigou a produção de outras espécies vegetais (Rakocy 1989, 2012; Rakocy et al. 2000, 2003, 2004, 2006, 2011). Esta instalação comercial de média escala aproveitou o clima local onde as estufas não eram necessárias e as condições de mercado das Ilhas Virgens para gerar lucro. O sistema aquapônico UVI foi posteriormente adotado em diferentes países no que diz respeito às respectivas necessidades de diferentes plantas e à adequação da tecnologia, por exemplo, no Canadá por Savidov (2005) e na Arábia Saudita por Al-Hafedh et al. (2008). Este é o caso também na Europa, onde os sistemas aquapônicos acoplados evoluíram a partir do design UVI original, por exemplo, o sistema aquapônico vertical do Aquaponics Research Lab., Universidade de Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018). Vários outros departamentos de investigação investigaram a viabilidade tecnológica da produção aquaponica fechada — ou “acoplada” — utilizando várias espécies de peixes e plantas, bem como subsistemas hidropônicos para aumentar os rendimentos e reduzir diferentes parâmetros de emissão (Graber e Junge 2009). Por exemplo, na Universidade de Rostock (Alemanha), a pesquisa se concentrou na estabilidade de sistemas de quintal (Palm et al. 2014a), combinando diferentes espécies de peixes, bagre africano (Clarias gariepinus) e tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus), com diferentes plantas (Palm et al. 2014b, 2015). Em 2015, foi construído no campus da Universidade de Rostock (Palm et al. 2016) um moderno sistema aquapônico experimental semi-comercial, o 'FishGlassHouse'. No entanto, o sistema foi projetado permitindo operações acopladas e dissociadas. Outras instalações notáveis foram construídas na Universidade de Ciências Aplicadas de Zurique (ZHAW) em Waedenswil, na Suíça (Graber e Junge 2009; Graber et al. 2014), ambas as instalações de pesquisa acopladas e dissociadas da empresa islandesa Svinna-verkfraedi Ltd. (Thorarinsdottir 2014; Thorarinsdottir et al. 2015), o sistema aquapônico de água fria NIBIO Landvik em Grimstad (Skar et al. 2015; Thorarinsdottir et al. 2015), o PAFF Box (Plant And Fish Farming Box) sistema aquapônico de um loop na Gembloux Agro-Bio Tech University of Liège, em Gembloux, Bélgica (Delaide et al. 2017), a parede viva combinada e agricultura vertical sistema aquapônico na Universidade de Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018), bem como o sistema aquaponico acoplado pesquisa-doméstico (alterado de dissociado para acoplado em 2018, Morgenstern e Dapprich 2018, pers. comm.) na Universidade de Ciências Aplicadas do Sul Westphalia, i.Green Institute for Green Green Green Green Tecnologia e Desenvolvimento Rural.

3. 7.3 Acoplada Aquapônica: Projeto Geral do Sistema

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

   O princípio da aquapônica acoplada combina três classes de organismos: (1) organismos aquáticos, (2) bactérias e (3) plantas que se beneficiam umas das outras em um corpo de água fechado recirculado. A água serve como meio de transporte de nutrientes, principalmente a partir de resíduos de peixes dissolvidos, que são convertidos em nutrientes para o crescimento de plantas por bactérias. Estas bactérias (por exemplo, Nitrosomonas spec., Nitrobacter spec.) oxidam o amónio ao nitrito e, finalmente, ao nitrato. Portanto, é necessário que as bactérias recebam quantidades substanciais de amônio e nitrito para estabilizar o crescimento das colônias e a quantidade de produção de nitratos. Consequentemente, em um sistema aquapônico acoplado, os volumes são extremamente importantes, i) a unidade de aquicultura seguindo os princípios de sistemas de aquicultura recirculantes (RAS), ii) o substrato de crescimento bacteriano e iii) o espaço para as unidades vegetais e a quantidade de plantas a serem cultivadas. Juntos, eles formam a unidade aquapônica (Fig. 7.2).

   

   Fig. 7.2 Princípio do sistema aquapônico acoplado com peixes, bactérias e plantas em uma recirculação de água totalmente fechada

   Os componentes biológico-químicos específicos da água de processo têm particular importância para sistemas aquapônicos acoplados. Com alimentos ou partículas de alimentação não consumidas, os resíduos orgânicos de peixe e as bactérias dentro da água de processo, uma emulsão de nutrientes combinada com enzimas e bactérias digestivas suportam o crescimento de peixes e plantas. Há evidências de que, em comparação com sistemas autônomos, como aquicultura (peixe) e hidroponia (plantas), o crescimento de organismos aquáticos e culturas em uma aquapônica acoplada pode ser semelhante ou mesmo maior. Rakocy (1989) descreveu um rendimento ligeiramente superior de tilápia (Tilapia nilotica, 46,8 kg) em aquapônica acoplada em contraste com a cultura de peixe autônoma (41,6 kg) e ligeiros aumentos na produção de alface Summer Bibb (385,1 kg) em comparação com a produção hidropônica vegetal (380,1 kg). Knaus et al. (2018b) registraram que a aquapônica aumentou o crescimento da biomassa de O. basilicum, aparentemente devido ao aumento da geração foliar das plantas (3550 folhas em aquaponia) em comparação com hidroponia convencional (2393 folhas). Delaide et al. (2016) demonstraram que os tratamentos aquapônicos e hidropônicos de alface apresentaram crescimento vegetal semelhante, enquanto que o peso da parte aérea da solução aquapônica complementada com nutrientes teve melhor desempenho. Observações semelhantes foram feitas por Goddek e Vermeulen (2018). Lehmonen e Sireeni (2017) observaram aumento do peso radicular, área foliar e cor foliar na salada Batavia (Lactuca sativa var. capitata) e alface icebergue (L. sativa) com água aquaponica de C. gariepinus combinada com fertilizante adicional. Certas plantas como alface (Lactuca sativa), pepinos (Cucumis sativus) ou tomates (Solanum lycopersicum) podem consumir nutrientes mais rapidamente e, como resultado, florescer mais cedo em aquapônicos em comparação com hidropônicos (Savidov 2005). Além disso, Saha et al. (2016) relataram maior rendimento de biomassa vegetal em O. basilicum em combinação com lagostins Procambarus spp. e baixa fertilização inicial do sistema aquapônico.

   O projeto básico do sistema aquaponico acoplado consiste em um ou mais tanques de peixes, uma unidade de sedimentação ou clarificador, substratos para o crescimento de bactérias ou biofiltros adequados e uma unidade hidropônica para o crescimento de plantas (Fig. 7.3). Estas unidades são conectadas por tubos para formar um ciclo de água fechado. Muitas vezes, após a filtração mecânica e o biofiltro, é utilizado um reservatório de bomba (uma bomba ou um sistema de loop) que, como ponto mais profundo do sistema, bombeia a água de volta para os tanques de peixes de onde flui por gravidade para a unidade hidropônica.

   

   Fig. 7.3 Projeto técnico básico de um sistema aquapônico acoplado com aquário, sedimentador, biofiltro, unidade hidropônica e um reservatório onde a água é bombeada ou transportada de volta para os tanques de peixes e flui por gravidade ao longo dos componentes

   Sistemas aquapônicos acoplados são usados em diferentes escalas. O princípio de circuito fechado pode ser usado em sistemas domésticos (mini/hobby/backyard-acoplado), unidades de demonstração (por exemplo, paredes vivas acopladas), aquapônica comercial e aquapônica (com solo) que variam de sistemas pequenos/semi-comerciais a grandes escalas (Palm et al. 2018). Um desenvolvimento recente na aquapônica incluiu fertilização parcial, que depende da tolerância das espécies de peixes. Isso, no entanto, pode resultar em um pico de nutrientes a curto prazo no sistema, mas pode ser compensado através da retenção de nutrientes pelas plantas. Na aquapônica acoplada, deve ser alcançada uma relação óptima entre a área de produção (ou volumes de peixe) da unidade aquícola e a procura de alimentos daí resultante, bem como uma quantidade adequada de plantas a cultivar na unidade hidropônica (área de produção vegetal). (Para discussões sobre o papel da evapotranspiração e da radiação solar nos sistemas, ver Chaps. 8 e 11). Para a aquapônica de cascalho, Rakocy (2012), como primeira tentativa, sugeriu “princípios da relação de componentes”, com um volume de criação de peixe de 1 msup3/sup de volume de tanque de peixes para 2 msup3/sup meio hidropônico de 3 a 6 cm de cascalho de ervilha como regra geral. Em última análise, a quantidade de peixe determina o rendimento das culturas em aquapônica acoplada. Além disso, as condições técnicas da unidade de criação de peixes devem ser adaptadas de acordo com as necessidades das espécies aquáticas cultivadas.

4. 7.4 Unidade de Aquicultura

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   Os tanques de criação de peixes (tamanho, número e projeto) são selecionados em função da escala de produção e das espécies de peixes em uso. Rakocy et al. (2006) utilizaram quatro grandes tanques de pesca para a produção comercial de O. niloticus no sistema aquaponico UVI (EUA). Com a produção de espécies de peixes onívoros ou piscívoros, como C. gariepinus, vários tanques devem ser utilizados devido à triagem das classes de tamanho e à produção escalonada (Palm et al. 2016). Os tanques de peixes devem ser projetados de modo que os sólidos que se instalam no fundo dos tanques possam ser efetivamente removidos através de um efluente na parte inferior. Esta remoção de resíduos sólidos é a primeira etapa crucial de tratamento de água na aquapônica acoplada, como é o caso da aquicultura e da aquapônica dissociada. Os resíduos são provenientes de alimentos não consumidos, fezes de peixe, biomassa bacteriana e floculantes produzidos durante a produção aquícola, aumentando a CBO e reduzindo a qualidade da água e a disponibilidade de oxigênio em relação às unidades aquícolas e hidropônicas. Na aquicultura, os resíduos sólidos consistem em grande medida em carbono orgânico, que é usado por bactérias heterotróficas para produzir energia através do consumo de oxigênio. Quanto melhor for a remoção de resíduos sólidos, melhor será o desempenho geral do sistema para peixes e plantas, ou seja, com níveis ideais de oxigenação e sem acumulação de partículas na rizosfera que inibam a absorção de nutrientes, e com tanques redondos ou ovais que se revelem particularmente eficientes (Knaus et al. 2015).

   A produção de peixe em aquapônica acoplada na FishGlasshouse, na Alemanha, foi testada em diferentes escalas, a fim de verificar a relação custo-eficácia. Isto foi feito de forma eficaz como extensa (máx. 50 kg, 35 peixes msup-3/sup) ou intensiva (máx. 200 kg, 140 peixes msup-3/sup) produção de bagres africanos. A produção semi-intensiva (máx. 100 kg, 70 peixes msup-3/sup) não pode ser recomendada devido a uma relação custo-benefício negativa. No modo de produção semi-intensiva, a manutenção do sistema, a mão-de-obra e os alimentos para animais estavam em produção intensiva, mas com redução da produção de peixe e biomassa vegetal, e quaisquer ganhos económicos na unidade de aquicultura não foram compensados (Palm et al. 2017). Isso resultou das altas demandas bioquímicas de oxigênio (CBO), alta desnitrificação devido à redução da disponibilidade de oxigênio, taxas de troca de água relativamente altas, mineralização predominantemente anaeróbica com precipitação distinta, baixos níveis P e K, bem como baixos valores de pH com muito menos produção de peixe em comparação com as condições intensivas. Em contraste, a extensa produção de peixe permitiu maior disponibilidade de oxigênio com menos taxas de troca de água e melhor disponibilidade de nutrientes para o crescimento das plantas. Assim, nas condições acima referidas, deve evitar-se uma unidade de produção de peixe RAS para a aquapônica acoplada ou funciona em condições de produção extensiva ou intensiva de peixe e em condições intermédias.

   7.4.1 Filtragem

   Clarificadores, às vezes também chamados de sedimentadores ou separadores de redemoinhos (ver também Cap. 3), são os dispositivos mais utilizados para a remoção de resíduos sólidos em aquapônicos acoplados (Rakocy et al. 2006; Nelson and Pade 2007; Danaher et al. 2013, 2013, Fig. 7.4). As partículas maiores devem ser removidas do sistema para evitar zonas anóxicas com efeitos desnitrificantes ou o desenvolvimento de Hsub2/subs. A maioria dos clarificadores usa lamelas ou pastilhas para auxiliar na remoção de sólidos. Os fundos cônicos suportam a concentração de lodo na parte inferior durante a operação e a limpeza, enquanto os fundos planos exigem grandes quantidades de água para liberar e remover o lodo. Durante a operação, os sólidos afundam na parte inferior do clarificador para formar lodo. Dependendo da entrada de alimentação e do tempo de retenção, esse lodo pode se acumular para formar camadas relativamente grossas. A atividade microbiana dentro das camadas de lodo muda gradualmente para condições anaeróbias, estimulando a desnitrificação microbiana. Este processo reduz o nitrato disponível na planta e deve ser evitado, especialmente se a água de processo for usada para a produção de plantas hidropônicas. Consequentemente, a desnitrificação pode ser contraproducente em aquapônica acoplada.

   A densidade dos resíduos sólidos removidos pelo clarificador é bastante baixa, em comparação com outras tecnologias, a manutenção é demorada e a limpeza do clarificador com água doce é responsável pela principal perda de água de todo o sistema. A quantidade necessária de água é afetada pelo seu design geral, a forma inferior e a acessibilidade dos defletores de PVC à água de descarga (Fig. 7.4a, b). O aumento das densidades de estoque de peixes requer maior troca de água (todos os dias na semana em condições intensas) para manter a qualidade ideal da água para a produção de peixes, o que pode resultar na perda de grandes quantidades de água de processo, perdendo também quantidades substanciais de nutrientes necessários para as plantas crescimento. Além disso, a substituição por água doce introduz carbonatos de cálcio e magnésio que podem então precipitar com fosfatos. Portanto, o uso desses clarificadores operados manualmente torna quase impossível prever a composição da água do processo em relação ao crescimento ideal da planta (Palm et al. 2019). Seria mais eficaz seguir o exemplo de Naegle (1977) de separação de lodo aeróbio e anaeróbio e descarga de nitrogênio gasoso com um sistema de lodo duplo.

   

   Fig. 7.4 Princípio da filtração aquapônica com sedimentador (a-b) e filtro de disco (c) (Pal-AquaKulur GmbH, Abtshagen, Alemanha) de peixe-gato africano comercial (Clarias gariepinus) RAS na FishGlaschouse (Universidade de Rostock, Alemanha)

   A remoção de resíduos sólidos mais eficaz pode ser conseguida através de filtros automáticos de tambore- ou discos que fornecem barreiras mecânicas que retêm sólidos, que são então removidos através de enxaguamento. Novos desenvolvimentos visam reduzir o uso de água de enxaguamento através de tecnologias de limpeza a vácuo, permitindo a concentração de sólidos totais nas lamas até 18% (Dr. Günther Scheibe, Pal-Aquakultur GmbH, Alemanha, comunicação pessoal, Fig. 7.4c). Essa remoção eficaz de resíduos tem uma influência positiva na composição das lamas, melhorando o controle da água dos efluentes para melhor atender aos requisitos hortícolas. Outra opção é a aplicação de múltiplos clarificadores (sedimentadores) ou componentes de remoção de lamas seguidos.

   Os biofiltros são outra parte essencial da RAS, uma vez que convertem o nitrogênio de amônia via oxidação microbiana em nitrato (nitrificação). Embora as raízes das plantas e o próprio sistema forneçam superfícies para bactérias nitrificantes, a capacidade de controlar a qualidade da água é limitada. Os sistemas que não possuem biofiltração estão restritos a mini instalações ou instalações de hobby com baixas entradas de alimentação. Assim que a biomassa dos peixes e os alimentos para animais aumentarem, é necessária uma capacidade adicional de biofiltro para manter a qualidade adequada da água para a cultura de peixes e para fornecer quantidades suficientes de nitratos para o crescimento das plantas.

   Para a aquapônica doméstica e de pequena escala, os meios vegetais (cascalho ou argila expandida, por exemplo) podem ser suficientes como biofiltros eficazes. No entanto, devido ao alto potencial de entupimento e, portanto, ao requisito de limpeza e manutenção manuais regulares, esses métodos não são adequados para a aquapônica comercial de maior escala (Palm et al. 2018). Além disso, Knaus e Palm (2017a) demonstraram que o uso de um biofiltro simples em uma derivação já aumentou a possível entrada diária de alimentação em um sistema aquapônico acoplado em cerca de 25%. Biofiltros modernos que são utilizados em RAS intensivos são eficazes no fornecimento de capacidade de nitrificação suficiente para a produção de peixes e plantas. Devido ao aumento dos custos de investimento, tais componentes são mais aplicáveis em sistemas aquánicos comerciais de média e maior escala.

   7.4.1.1 Hidroponia em Aquapônica Acoplada

   Em aquapônica acoplada, uma ampla gama de subsistemas hidropônicos pode ser usada (ver também Cap. 4) dependendo da escala de operação (Palm et al. 2018). A menos que a mão-de-obra não tenha um impacto significativo no rendimento (ou no lucro) e o sistema não seja demasiado grande, podem ser utilizados simultaneamente diferentes subsistemas hidropónicos. Isso é comum em aquapônica doméstica e de demonstração que muitas vezes usam sistemas de substrato de leito de mídia (areia, cascalho, perlita, etc.) em calhas de fluxo e fluxo, canais DWC (cultura de águas profundas ou sistemas de jangada) e até mesmo canais de filme nutriente auto-fabricados (NFT). A maior parte da mão-de-obra são as camas de substrato médio (areia/cascalho) em calhas de refluxo e fluxo, que podem entupir devido à deposição de detritos e muitas vezes precisam ser lavadas (Rakocy et al. 2006). Devido ao manuseio dos substratos, esses sistemas geralmente são limitados em tamanho. Por outro lado, os subsistemas hidropônicos DWC requerem menos mão-de-obra e são menos propensos a manutenção, permitindo que sejam adotados para áreas de plantação maiores. Por esta razão, os subsistemas DWC são encontrados principalmente em sistemas domésticos a pequenos/semicomerciais, no entanto, geralmente não em sistemas aquapônicos de grande escala. Para uma maior produção aquapónica comercial, a proporção de mão-de-obra e manutenção no sistema DWC continua a ser demasiado elevada. Mesmo a utilização de recursos hídricos e de energia para bombagem também são desfavoráveis para sistemas de grande escala.

   Se os sistemas aquánicos fechados forem concebidos para uma produção orientada para o lucro, a utilização da mão-de-obra deve diminuir, enquanto a área de produção tem de aumentar. Isto só é possível através da simplificação da produção de peixe combinada com a aplicação de subsistemas hidropónicos de fácil utilização. A técnica do filme nutriente (NFT) pode, atualmente, ser considerada o sistema hidropônico mais eficiente, combinando baixa mão-de-obra com grandes áreas de cultivo de plantas e uma boa proporção de custos de água, energia e investimento. No entanto, nem todas as plantas aquapônicas crescem bem em sistemas NFT e, portanto, é necessário encontrar a escolha certa das plantas para cada subsistema hidropônico, que, por sua vez, se correlaciona com o fornecimento de nutrientes de uma espécie específica de peixe integrada em um projeto específico de subsistema hidropônico. Para a aquapônica acoplada, a carga de partículas por vezes maior na água pode ser problemática ao entupir gotejamentos, tubos e válvulas em instalações NFT. Assim, grandes sistemas aquánicos têm de conter gestão profissional da água com filtração mecânica eficaz para evitar bloqueios de recirculação. Quando o fornecimento contínuo de água é assegurado através dos tubos, o sistema NFT pode ser utilizado em todos os tipos de sistemas aquapônicos acoplados, mas é mais recomendado para produção em sistemas pequenos/semi-comerciais e sistemas de grande escala (Palm et al. 2018).

5. 7.5 Sistemas Aquapônicos Acoplados

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   O sistema aquapônico acoplado típico varia de sistemas de pequena a média escala e de maiores dimensões (Palm et al. 2018). O upscaling continua a ser um dos desafios futuros porque requer testes cuidadosos das possíveis combinações de peixes e plantas. Tamanhos ideais de unidade podem ser repetidos para formar sistemas multiunitários, independentemente da escala de produção. De acordo com Palm et al. (2018), a gama de sistemas aquapônicos foi categorizada em (1) mini, (2) hobby, (3) doméstico e quintal, (4) pequeno/semi-comercial e (5) grandes (r) -escala, conforme descrito abaixo:

   

   Fig. 7.5 Princípio de um mini sistema aquapônico acoplado doméstico (\ 2 m<sup2/sup, após Palm et al. 2018) com aeração (a) e uma bomba (b), os hidropônicos (c) agem como um biofiltro

   As mini instalações (Fig. 7.5) geralmente consistem em um pequeno reservatório de peixes, como um aquário ou aquário, no qual as plantas crescem na superfície ou dentro de um pequeno leito hidropônico. Filtros convencionais de aquário, aeração e bombas são geralmente usados. Mini sistemas são geralmente 2 msup2/sup ou menos em tamanho (Palm et al. 2018). Estes pequenos sistemas aquapônicos podem ser usados em casa com apenas poucas plantas para consumo doméstico e plantados com plantas como tomates, ervas ou plantas ornamentais. Tais sistemas acrescentam novos valores ao espaço de vida humano, adicionando “natureza” de volta à área da vida familiar, que é especialmente popular nas grandes cidades. Alguns mini-sistemas consistem apenas em um vaso vegetal e um ou mais peixes sem filtro e bomba. No entanto, esses sistemas são apenas de curto prazo para operar porque falta uma filtração regulamentada.

   

   Fig. 7.6 Princípio de um sistema aquapônico doméstico acoplado (2—10 msup2/sup após Palm et al. 2018) com (a) aquário e aeração, (b) sedimentador ou clarificador alterado após Nelson e Pade (2007), (c) leito hidropônico, por exemplo, cascalho com diferentes culturas que atua como biofiltro e (d) o bomba

   Os sistemas aquapônicos de hobby são categorizados para atingir um tamanho máximo de 10 msup2/sup (Palm et al. 2018). Com uma maior densidade de estoque de peixes, mais alimentação e aeração, é necessária uma unidade de sedimentação mecânica (sedimento/clarificador) (Fig. 7.6). O sedimentador remove do sistema as partículas — “lamas”, tais como fezes e alimentos não consumidos, sem utilizar energia. A água flui por gravidade do tanque de peixes para o sedimentador e, em seguida, através dos tanques hidropônicos e, em seguida, cai em um cárter de onde uma bomba ou elevador de ar bombeia a água de volta para os tanques de peixes. Em instalações de hobby, os leitos de plantas atuam como um filtro microbiano natural e muitas vezes são usados substratos de leito de mídia, como areia, cascalho fino ou perlita. Os sistemas aquapônicos de passatempos são mais a categoria de truques que não visam a produção de alimentos. Eles preferem desfrutar da funcionalidade do sistema integrado. Os sistemas de hobby, como o nome indica, são geralmente instalados por amadores que estão interessados em cultivar uma variedade de organismos aquáticos e plantas para seu próprio uso e para “diversão”.

   Aquapônica doméstico/quintal tem como objetivo a produção de uso doméstico externo de peixes e plantas caracterizadas como tendo uma área de produção máxima de 50 msup2/sup (Palm et al. 2018). Estes sistemas são construídos por entusiastas. A construção é tecnicamente diferenciada com uma maior produção de peixe, arejamento adicional e maior entrada de alimentação. O princípio da aquapônica acoplada é aplicado com o uso de uma única bomba que recirculas a água de um reservatório (ponto mais baixo) para tanques de peixes de pé superior e, em seguida, por gravidade através de sedimentador e um biofiltro (com aeração e substratos de bactérias) para o unidades hidropônicas (Fig. 7.7).

   

   Fig. 7.7 Princípio de um sistema aquaponico de quintal doméstico acoplado, 10—50 msup2/sup (de Palm et al. 2018) com (a) aquário e aeração, (b) sedimentador ou clarificador alterado após Nelson e Pade (2007), (c) biofiltro com substratos e aeração, (d) unidade hidropônica que poderia consistir em jangada combinada ou canais DWC, (e) sistema de substrato de meio de cascalho ou areia, (f) técnica de filme nutriente canais NFT e (g) um reservatório com uma bomba

   Para a biofiltração, filtros de leito convencionais também podem ser usados conforme descrito em Palm et al. (2014a, b, 2015). Em aquapônica de quintal, hidroponia poderia consistir isoladamente ou em conjunto de jangada ou DWC (cultura de águas profundas) calhas, subsistemas de substrato como caixas de fluxo e fluxo de cascalho grosseiro/areia ou canais de técnica de filme nutriente (NFT). No hemisfério norte, nas instalações externas, a produção é limitada aos períodos de primavera, verão e início do outono devido às condições climáticas. Com esta escala de funcionamento, os peixes e as plantas podem ser produzidos para consumo privado (e a produção pode ser alargada através de pequenas produções de estufa), mas também são possíveis vendas directas em pequenas quantidades.

   Os sistemas aquapônicos da escala Small e semi-commercial são caracterizados por serem de até 100 msup2/sup (Palm et al. 2018) com produção focada no mercado varejista. Mais tanques, muitas vezes com maior densidade de estoque, filtros adicionais e sistemas de tratamento de água e uma área hidropônica maior com projetos mais diversos caracterizam esses sistemas.

   Operações comerciais de grande escala (r) acima de 100 msup2/sup (Palm et al. 2018) e atingindo muitos milhares de metros quadrados atingem a mais alta complexidade e exigem um planejamento cuidadoso do fluxo de água e dos sistemas de tratamento (Fig. 7.8). Os componentes gerais são múltiplos tanques de peixes, concebidos como sistemas de aquicultura de recirculação intensiva (RAS), um ponto de transferência de água ou um reservatório que permite a troca de água entre os peixes e as plantas, e unidades de produção de plantas comerciais (aquaponics s./s.l.). Como a produção de peixe é destinada a densidades intensas de estoque, componentes como filtração adicional com a ajuda de filtros de tambor, fornecimento de oxigênio, tratamentos de luz UV para controle microbiano, alimentação controlada automática e informatização, incluindo controle automático de qualidade da água, classificam esses sistemas.

   Estes sistemas têm um projeto multiunitário capaz de upscaling sob recirculação de água totalmente fechada, o que também permite a produção escalonada, o cultivo paralelo de diferentes plantas que requerem diferentes subsistemas hidropônicos e um melhor controle das diferentes unidades em caso de surto de doenças e plantas controlo de pragas.

6. 7.6 Aquapônica Salina/Água Salobra

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

   Um campo de pesquisa relativamente novo é a avaliação de diferentes salinidades da água de processo para o crescimento das plantas. Uma vez que a água doce em todo o mundo está em constante aumento da procura e a preços elevados, tem sido dada alguma atenção à utilização de recursos salinos/salobra para a agricultura, a aquicultura e também a aquapônica. O uso de água salobra é significativo, já que muitos países, como Israel, possuem recursos hídricos subterrâneos e mais da metade da água subterrânea do mundo é salina. Embora a quantidade de água salina subterrânea seja estimada apenas em 0,93% do total de recursos hídricos do mundo em 12.870.000 kmsup3/sup, isso é mais do que as reservas subterrâneas de água doce (10.530.000 kmsup3/sup), o que representa 30,1% de todas as reservas de água doce (USGS).

   

   Fig. 7.8 Esquema (supervisão) de um módulo de aquapônica em larga escala adotado após a FishGlassHouse da Universidade de Rostock (Alemanha) (1000 msup2/sup área de produção total, Palm et al. 2018) com (a) unidade aquícola independente, (b) sistema de transferência de água e (c) unidade hidropônica independente; F1-F9 peixes tanques, S) sedimentador, bomba P-I um (bomba de biofiltro), bomba P-II dois (bomba de recirculação de aquicultura), T) filtro de gotejamento, Su) cárter. No meio, sistema de transferência de água de nutrientes com Wt-I) tanque de transferência de água da unidade de aquicultura, P-III) bomba três, que bombeia a água rica em nutrientes da aquicultura para C) unidade hidropônica à direita com Nu) tanque de nutrientes e um sistema de recirculação hidropônica independente e mesas de plantio (ou NFT) ; P-IV) bomba quatro, que bombeia o nutriente baixo nível de água da unidade hidropônica de volta para WT-II) tanque de transferência de água dois e para a unidade de aquacultura para condições aquapônicas acopladas (ou dissociadas se não utilizadas)

   A primeira pesquisa publicada sobre o uso de água salobra em aquapônica foi realizada em 2008-2009 no Deserto de Negev de Israel (Kotzen e Appelbaum 2010). Os autores estudaram o potencial para a aquapônica de água salobra que poderia utilizar a estimativa de 200-300 bilhões de msup3/sup localizada entre 550 e 1000 metros subterrâneos na região. Este e outros estudos utilizaram até 4708—6800 μS/cm (4000—8000 μS/cm = moderadamente salino, Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016) em sistemas aquapônicos acoplados com Tilapia sp. (estirpe vermelha de híbridos de tilápia do Nilo Oreochromis niloticus x azul Tilapia O. aureus), combinada com sistemas de jangadas flutuantes de cultura de águas profundas e cascalho. Os sistemas foram espelhados com sistemas de água potável como controle. Uma ampla gama de ervas e hortaliças foram cultivadas, com resultados muito bons e comparativos em sistemas salobra e água doce. Em ambos os sistemas, a saúde e o crescimento dos peixes foram tão bons quanto o crescimento vegetal de alho-poró (Allium ampeloprasum), aipo (Apium graveolens) (Fig. 7.9), couve-rábano (Brassica oleracea v. gongylodes), repolho (Brassica oleracea v. capitata), alface (Actuce) Ca sativa), couve-flor (Brassica oleracea v. botrytis), suíço acelga (Beta vulgaris vulgaris), cebolinha (Allium fistulosum), manjericão (Ocimum basilicum) e agrião (Nasturtium officinale) (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016).

   

   Fig. 7.9 Planta de aipo maduro cultivada em água salobra

   Um “relatório de missão” de van der Heijden et al. (2014) sobre a integração da agricultura e da aquicultura com água salobra no Egito sugere que Tilapia vermelha (provavelmente estirpes vermelhas de Oreochromis mossambicus) tem alto potencial combinado com legumes como ervilhas, tomates e alho que podem tolerar salinidade moderada. As plantas que são conhecidas por terem tolerância salina incluem a família do repolho (Brassicas), como repolho (Brassica oleracea), brócolis (Brassica oleracea italica), couve (Brassica oleracea var. sabellica), família Beta, como Beta vulgaris (beterraba), espinafre perpétua) Beta vulgaris subsp. Vulgaris), pimentões (Capsicum annuum) e tomates (Solanum lycopersicum). Uma planta candidata óbvia para a aquapônica de água salobra é o samphire do pântano (Salicornia europaea) e potencialmente outros “vegetais da cadeia”, tais como a couve do mar (Crambe maritima), o áster-marinho (Tripolium pannonicum) e a purslane (Atriplex portulacoides). Gunning (2016) observou que, nas regiões mais áridas da palavra, o cultivo de halófitos como alternativa às culturas convencionais está ganhando popularidade significativa e a Salicornia europea está se tornando cada vez mais popular nos menus de restaurantes e nos balcões de peixarias e lojas de alimentos saudáveis em todo o o país. É o mesmo que acontece em todo o Reino Unido e na UE, onde a maior parte dos produtos são exportados de Israel e agora também do Egipto. Uma vantagem distinta do cultivo de samphire de pântano é que se trata de uma cultura de “corte e volta”, o que significa que pode ser colhida em intervalos de cerca de 1 mês. No seu ambiente natural ao longo dos estuários salinos, a Salicornia europaea cresce ao longo de um gradiente salino de solução salina a salobra (Davy et al. 2001). Nos ensaios realizados pela Gunning (2016), as plantas foram cultivadas a partir de sementes, enquanto Kotzen cultivava suas plantas experimentais a partir de caules cortados comprados no balcão de peixes do supermercado. Outros estudos em condições salinas foram realizados por Nozzi et al. (2016), que estudaram os efeitos da infecção por dinoflagelado (Amyloodinum ocellatum) no robalo (Dicentrarchus labrax) em diferentes níveis de salinidade. Pantanella (2012) estudou o crescimento da halófita Salsola soda (repolho salgado) em combinação com a salmoura cinzenta (Mugil cephalus) sob condições marinhas de aumento do teor de sal em uma fazenda experimental na Universidade da Toscia (Itália). Os recursos hídricos marinhos também têm sido utilizados com sucesso em aquánicos acoplados com a produção de robalo europeu (Dicentrarchus labrax) e plantas tolerantes ao sal (halófitos), como Salicornia dolichostachya, Plantago coronopus e Tripolium pannonicum em uma aquicultura marinha terrestre interior (Waller et al. 2015).

7. 7.7 Opções de peixes e plantas

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

   7.7.1 Produção de peixe

   Em maior escala aquapônica comercial, o peixe e a produção de plantas precisam atender às demandas do mercado. A produção de peixe permite a variação das espécies, de acordo com o respectivo desenho do sistema e mercados locais. A escolha do peixe também depende do seu impacto no sistema. A produção problemática de peixes aquapônicos acoplados devido a concentrações inadequadas de nutrientes, afetando negativamente a saúde dos peixes, pode ser evitada. Se os sistemas aquapônicos acoplados tiverem proporções equilibradas entre peixes e plantas, nutrientes tóxicos serão absorvidos pelas plantas que estão limpando a água. Uma vez que a aceitação de substâncias tóxicas depende das espécies, a escolha das espécies de peixes tem uma influência decisiva no sucesso económico. Portanto, é importante encontrar a combinação e a relação corretas entre os peixes e as plantas, especialmente das espécies de peixes com menos atividades poluentes da água e das plantas com alta capacidade de retenção de nutrientes.

   Os benefícios de ter uma determinada família de peixes em sistemas aquapônicos acoplados não são claramente compreendidos no que diz respeito às suas necessidades específicas em termos de qualidade da água e de cargas de nutrientes aceitáveis. Naegel (1977) constatou que não houve impacto negativo notável no crescimento de peixes e peixes em seu uso de Tilapia (Tilapia mossambica) e carpa comum (Cyprinus carpio). O peixe-gato do canal (Ictalurus punctatus) também foi usado por Lewis et al. (1978) e Sutton e Lewis (1982) nos EUA. Demonstrou-se que a qualidade da água aquapônica atendia prontamente às demandas das diferentes espécies de peixes, especialmente através do uso de espécies de peixes “fáceis de produzir” como o azul Tilapia (Oreochromis aureus, anteriormente Sarotherodon aurea) em Watten e Busch (1984); Tilápia do Nilo (Oreochromis niloticus), que foi frequentemente utilizado em estudos com diferentes espécies de plantas como espécie-modelo de peixe (Rakocy 1989; Rakocy et al. 2003, 2004; Al-Hafedh et al. 2008; Rakocy 2012; Villarroel et al. 2011; Simeonidou et al. 2012; Palm et al. 2014a, 2014b; Diem et al. 2017); e também estirpe híbrido-vermelho de tilapia_ (_ Oreochromis niloticus_ x tilápia azul O. aureus híbridos), investigados em ambientes áridos do deserto (Kotzen e Appelbaum 2010; Appelbaum e Kotzen 2016).

   Tem havido uma expansão nos tipos de espécies de peixes utilizados na aquapônica, pelo menos na Europa, que se baseia no uso de espécies de peixes indígenas, bem como naqueles que têm maior aceitação do consumidor. Isso inclui bagre africano (Clarias gariepinus) que foi cultivado com sucesso em condições aquapônicas acopladas por Palm et al. (2014b), Knaus e Palm (2017a) e Baßmann et al. (2017) no norte da Alemanha. A vantagem de C. gariepinus é uma maior aceitação de parâmetros adversos da água, como amônio e nitrato, bem como não há necessidade de fornecimento adicional de oxigênio devido à sua fisiologia especial da respiração do ar. As boas taxas de crescimento de C. gariepinus em condições aquánicas acopladas foram descritas na Itália por Pantanella (2012) e na Malásia por Endut et al. (2009). Uma expansão da produção de bagres africanos sob aquapônica acoplada pode ser esperada, devido à produção e gestão sem problemas, alta qualidade dos produtos e crescente demanda do mercado em muitas partes do mundo.

   Na Europa, outras espécies de peixes com elevado potencial de mercado e valor económico tornaram-se recentemente o foco da produção aquapónica, com especial ênfase nas espécies piscívicas, como o pikeperch europeu “zander” (Sander lucioperca). A produção de pikeperch, uma espécie de peixe relativamente sensível aos parâmetros da água, foi testada na Roménia em aquaponia acoplada. Blidariu et al. (2013a, b) apresentaram níveis significativamente maiores de Psub2/subosub5/sub (pentóxido fósforo) e nitrato em alface (Lactuca sativ) utilizando pikeperch em comparação com a produção convencional, sugerindo que a produção de pikeperch em aquapônica acoplada é possível sem efeitos negativos sobre os peixes crescimento por toxicidade de nutrientes. Os Cyprinidae (Cypriniformes), como a carpa, têm sido comumente usados em aquapônicos acoplados e têm geralmente mostrado melhor crescimento com densidades reduzidas de estoque e taxas mínimas de fluxo de água de processo aquapônico (uso eficiente da água) durante experimentos em Índia. A densidade de estoque ideal da carpa koi (Cyprinus carpio var. koi) foi de 1,4 kg/m (Hussain et al. 2014), e o melhor ganho de peso e rendimento de Beta vulgaris var. bengalensis (espinafre) foi encontrada com caudal de água de 1,5 l/min (Hussain et al. 2015). Bom crescimento de peixes e rendimento vegetal de espinafre (Ipomoea aquatica) com uma porcentagem máxima de remoção de nutrientes (NoSub3/sub-N, PoSub4/sub-P e K) foi relatado a um caudal mínimo de água de 0,8 L/min com carpa koi policultivada (Cyprinus carpio var. koi) e peixe dourado (Carassius auratus) por wansi et al. (2016). É interessante notar que o crescimento de plantas e a remoção de nutrientes na produção de koi (Cyprinus carpio var. koi) e peixes dourados (Carassius auratus) (Hussain et al. 2014, 2015) com Beta vulgaris var. bengalensis (espinafre) e espinafre (Ipomoea aquatica) aumentaram linearmente com uma diminuição no fluxo de água de processo entre 0,8 L/min e 1,5 L/min. Estes resultados sugerem que, para a cultura de peixes ciprinídeos, recomenda-se um menor fluxo de água, uma vez que este não tem impactos negativos no crescimento dos peixes. Em contraste, porém, Sete et al. (2016) descreveram um caudal maior de 500 L hsup-1/sup (aprox. 8 l/min) para a produção de carpas e hortelã comuns (Mentha arvensis), indicando a necessidade de diferentes caudais de água para diferentes espécies vegetais. Outro ciprinídeo, o tenco (Tinca tinca), foi testado com sucesso por Lobillo et al. (2014) em Espanha e apresentou altas taxas de sobrevivência de peixes (99,32%) com baixas densidades de estoque de 0,68 kg msup-3/sup sem dispositivos de remoção de sólidos e boas taxas de sobrevivência de alface (98%). Globalmente, os membros da família Cyprinidae contribuem muito para a produção aquícola mundial (FAO 2017); muito provavelmente isso também seria verdade em condições aquánicas e produtividade, mas a situação econômica deve ser testada separadamente para cada país.

   Outros organismos aquáticos, como o camarão e o lagostim, foram introduzidos na produção aquaponica acoplada. Mariscal-Lagarda et al. (2012) investigaram a influência da água de processo de camarão branco (Litopenaeus vannamei) no crescimento de tomates (Lycopersicon esculentum) e encontraram bons rendimentos em aquaponia com um duplo efeito de poupança de água sob produção integrada. Outro estudo comparou a produção aquapônica semi-intensiva combinada de camarões de água doce (Macrobrachium rosenbergii — o camarão malaio) com manjericão (Ocimum basilicum) versus cultivo tradicional de plantas hidropônicas com solução nutritiva (Ronzón-Ortega et al. 2012). No entanto, a produção de manjericão na aquapônica foi inicialmente menos efetiva (25% de sobrevivência), mas com o aumento da biomassa dos camarões, a biomassa vegetal também aumentou de modo que os autores chegaram a uma conclusão positiva com a produção de manjericão com M. rosenbergii. Sace e Fitzsimmons (2013) relataram um melhor crescimento vegetal em alface (Lactuca sativa), repolho chinês (Brassica rapa pekinensis) e pakchoi (Brassica rapa) com M. rosenbergii em policultura com o Nilo Tilapia (O. niloticus). O cultivo com camarões estabilizou o sistema em termos de parâmetros físico-químicos, que por sua vez melhoraram o crescimento das plantas, embora devido ao aumento do pH, ocorreram deficiências de nutrientes no repolho chinês e na alface. Em geral, esses estudos demonstram que a produção de camarão em condições aquapônicas é possível e pode até exercer um efeito estabilizador no circuito fechado — ou no princípio aquapônico acoplado.

   7.7.2 Produção vegetal

   O cultivo de muitas espécies de plantas, ervas aromáticas, frutificações e hortaliças de folhas têm sido descritos em aquapônica acoplada. Em muitos casos, o teor de nutrientes da água do processo aquapônico foi suficiente para um bom crescimento das plantas. Uma revisão de Thorarinsdottir et al. (2015) resumiu informações sobre a produção vegetal sob condições de produção aquapônica de diversas fontes. A alface (Lactuca sativa) foi a principal planta cultivada em aquapônica e foi frequentemente usada em diferentes variações, como alface crosta (iceberg), alface (bibb nos EUA), alface romana e alface folhada em baixa noite (3—12° C) e temperaturas diurnas mais altas (17—28° C) (Somerville et al. 2014). Muitos experimentos foram realizados com alface em aquapônica (por exemplo, Rakocy 1989) ou como comparação do crescimento da alface entre aquapônica, hidropônica e aquapônica complementada (Delaide et al. 2016). Alface romana (Lactuca sativa longifolia cv. Jericho) também foi investigado por Seawright et al. (1998) com bons resultados de crescimento semelhantes aos hidropônicos autônomos e aumento do acúmulo de K, Mg, Mn, P, Na e Zn com aumento da biomassa de peixes do Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus). As concentrações de Fe e Cu não foram afetadas. A produção de alface foi insignificante com diferentes densidades de peixes (151 g, 377 g, 902 g, 1804 g) e biomassa vegetal entre 3040 g (151 g de peixe) e 3780 g (902 g de peixe). A alface também foi cultivada, por exemplo, por Lennard e Leonard (2006) com Murray Cod (Maccullochella peelii peelii), e por Lorena et al. (2008) com o esturjão 'bester' (híbrido de Huso huso feminino e Acipenser ruthenus masculino) e por Pantanella (2012) com tilápia do Nilo (O. us). Como cultura de água morna, o manjericão (Ocimum basilicum) foi relatado como uma boa erva para cultivo sob aquapônica acoplada e foi relatado como a cultura mais plantada por 81% dos entrevistados em achados de uma pesquisa internacional (Love et al. 2015). Rakocy et al. (2003) investigaram manjericão com rendimentos comparáveis em lote e produção escalonada (2,0; 1,8 kg/msup2/sup) em contraste com o cultivo de campo com um rendimento comparativamente baixo (0,6 kg/msup2/sup). Somerville et al. (2014) descreveram o manjericão como uma das ervas mais populares para a aquapônica, especialmente em sistemas de grande escala devido ao seu crescimento relativamente rápido e bom valor econômico. Diferentes cultivares de manjericão podem ser cultivadas sob temperaturas mais altas entre 20 e 25° C em camas de mídia, NFT (técnica de filme nutriente) e sistemas hidropônicos DWC (cultura de águas profundas). O manjericão cultivado em leitos de cascalho pode atingir 2,5 vezes maior rendimento combinado com juvenis de tilápia (O. niloticus, 0,30 g) em contraste com C. gariepinus (0,12 g) (Knaus e Palm 2017a).

   Tomates (Lycopersicon esculentum) foram descritos por Somerville et al. (2014) como um “excelente vegetal de frutificação de verão” em aquapônica e podem lidar com a exposição total ao sol e temperaturas abaixo de 40° C dependendo do tipo de tomate. No entanto, a sustentabilidade econômica em aquapônica acoplada é disputada devido à redução da competitividade da produção de tomate aquapônica em comparação com a produção hidropônica convencional de alta engenharia em estufas em, por exemplo, o Centro de Melhoria Neerlandesa de DLV GreenQ em Bleiswijk com rendimento de tomate de 100,6 kg msup-2/sup (Hortidaily 2015), ou mesmo superior (Heuvelink 2018). Investigações anteriores incidiram sobre o cultivo desta planta principalmente em comparação com a produção de campo. Lewis et al. (1978) relataram quase o dobro da cultura de tomate sob aquapônica em comparação com a produção de campo e a deficiência de ferro que ocorreu foi fixada pelo uso do ácido etileno diamina tetra-acético. Os tomates também foram produzidos em diferentes sistemas aquapônicos ao longo das últimas décadas, por Sutton e Lewis (1982) com bons rendimentos de plantas a temperaturas de água de até 28° C combinados com peixe-gato do Canal (Ictalurus punctatus), por Watten e Busch (1984) combinados com tilápia (Sarotherodon aurea) e um calculado rendimento total comercializável de frutos de tomate de 9,6 kg/msup2/sup, aproximadamente 20% dos rendimentos registados para a aquapônica dissociada (47 kg/msup2/sup/y, Geelen 2016). McMurtry et al. (1993) combinaram tilápia híbrida (Oreochromis mossambicus x Oreochromis niloticus) com tomates em biofiltros de areia associados que apresentaram ótimo “rendimento da planta/alto rendimento total da planta” de 1:1 .5 relação tanque/biofiltro (leito de filtro de areia) e McMurtry et al. (1997) com aumento da planta de fruta total rendimento com aumento da relação biofilter/tanque. Deve afirmar-se que a produção de tomates é possível sob aquapônica acoplada. Seguindo o princípio do cultivo de plantas sem solo em aquaponics sensu stricto após Palm et al. (2018), é vantajoso fertilizar parcialmente certos nutrientes como fósforo, potássio ou magnésio para aumentar os rendimentos (veja os desafios abaixo).

   O cultivo de outras espécies de plantas também é possível e os testes de novas culturas estão sendo constantemente relatados. No Reino Unido, Kotzen e Khandaker testaram vegetais asiáticos exóticos, com um sucesso especial com cabaça amarga, também conhecida como kerala ou melão amargo (Momordica charantia) (Kotzen pers. comm.). Taro (Colocasia esculenta) é outra espécie que é facilmente cultivada com sucesso relatado tanto por suas grandes folhas de “orelha de elefante”, como por suas raízes (Kotzen pers. comm.). Somerville et al. (2014) observaram que culturas como couve-flor, berinjela, pimentão, feijão, ervilha, repolho, brócolis, acelga suíça e salsa têm potencial para cultivo sob aquapônica. Mas há muitos mais (por exemplo, aipo, brócolis, couve-rábano, pimentões, etc.), incluindo plantas que preferem ter condições de raízes molhadas, incluindo espinafre de água (Ipomoea aquatica) e hortelã (Menta sp.), bem como algumas plantas halofíticas, como samphire de pântano (Salicornia europaea).

   Plantas ornamentais também podem ser cultivadas, isoladas ou em conjunto com outras culturas (consórcio), por exemplo, Hedera helix (hera comum) cultivadas na Universidade de Rostock pela Palm & Knaus em um sistema aquapônico acoplado. Os ensaios utilizaram 50% menos nutrientes que normalmente seriam fornecidos às plantas em condições normais de viveiro com uma taxa de sucesso de 94,3% (Fig. 7,10).

   

   Fig. 7.10 Três categorias de qualidade de hera (Hedera helix), cultivadas em um sistema aquapônico acoplado indicando a qualidade que o comércio de viveiro exige (a) muito boa e diretamente comercializável, (b) boa e comercializável e (c) não de qualidade suficientemente alta

   Além da planta escolhida e variante, existem dois grandes obstáculos que dizem respeito à produção de plantas aquaponicas sob os dois estados sugeridos de produção de peixe, extensa e intensiva. Em condições extensas, a disponibilidade de nutrientes dentro da água de processo é muito menor do que sob a produção de plantas comerciais, nutrientes como K, P e Fe são deficientes, e a condutividade está entre 1000 e 1500 μS/cm, que é muito menor do que aplicado sob a produção hidropônica regular de comercial plantas regularmente entre 3000 e 4000 μS/cm. Plantas que são deficientes em alguns nutrientes podem apresentar sinais de necrose foliar e ter menos clorofila em comparação com plantas fertilizadas de forma otimizada. Consequentemente, a adição seletiva de alguns nutrientes aumenta a qualidade da planta necessária para produzir produtos competitivos.

   Em conclusão, a produção vegetal comercial de aquapônica acoplada sob produção intensiva de peixe tem dificuldade em competir com a produção regular de plantas e hidroponia comercial em grande escala. A composição não ótima e de acordo com Palm et al. (2019) imprevisível dos nutrientes causados pelo processo de produção de peixe deve competir contra condições ótimas de nutrientes encontradas em sistemas hidropônicos. Não há dúvida de que é necessário desenvolver soluções que permitam o crescimento ideal das plantas e, ao mesmo tempo, proporcionar a qualidade da água necessária para os peixes.

   7.7.3 Opções de combinação de peixes e plantas

   A combinação de peixes e plantas em aquapônica fechada pode gerar um melhor crescimento vegetal (Knaus et al. 2018b) combinado com benefícios para o bem-estar dos peixes (Baßmann et al. 2017). Dentro da água de processo, grandes variações de micronutrientes e macronutrientes podem ocorrer com efeitos negativos nas necessidades nutricionais das plantas (Palm et al. 2019). Uma análise geral dos sistemas aquapônicos acoplados mostrou que há baixos níveis de nutrientes dentro dos sistemas (Bittsanszky et al. 2016) em comparação com as soluções hidropônicas de nutrientes (Edaroyati et al. 2017). As plantas não toleram uma suboferta ou excesso de nutrientes sem efeitos no crescimento e na qualidade, e a alimentação diária do sistema aquapônico precisa ser ajustada às necessidades de nutrientes da planta. Isto pode ser conseguido através da regulação da densidade populacional dos peixes, bem como da alteração da alimentação dos peixes. Somerville et al. (2014) classificaram as plantas em aquapônica de acordo com suas necessidades de nutrientes da seguinte forma:

   1. Plantas com baixas necessidades de nutrientes (por exemplo, manjericão, Ocimum basilicum)

   2. Plantas com necessidades nutricionais médias (por exemplo, couve-flor, Brassica oleracea var. Botrytis)

   3. Plantas com necessidades elevadas em nutrientes, tais como espécies de frutificação (por exemplo, morangos, Fragaria spec.).

   Nem todas as plantas podem ser cultivadas em todos os subsistemas hidropônicos com o mesmo rendimento. A escolha da planta depende do subsistema hidropônico se forem utilizados sistemas aquánicos convencionais sem solo (por exemplo, DWC, NFT, refluxo e fluxo; aquaponics sensu stricto — s.s. — no sentido estreito). Na agricultura aquaponica (“aquaponics sensu lato” — s.l. — em um sentido mais amplo, Palm et al. 2018), o uso de solo inerte ou com adição de fertilizante aplica técnicas de jardinagem da horticultura, aumentando a possível variedade de espécies.

   Sob condições hidropônicas, as estruturas componentes dos subsistemas têm uma influência decisiva nos parâmetros de crescimento da planta. De acordo com Love et al. (2015), a maioria dos produtores aquapônicos utilizava sistemas de jangada e de leito de mídia e em menor quantidade NFT e torres verticais. Lennard e Leonard (2006) estudaram o crescimento de alface de carvalho verde (Lactuca sativa) e registraram a relação Cascalho\ > Balsa flutuante\ > NFT em termos de desenvolvimento de biomassa e rendimento em combinação com o bacalhau de Murray (Maccullochella peelii peelii) na Austrália. A Knaus & Palm (2016—2017, dados inéditos) testaram diferentes subsistemas hidropônicos, como NFT, jangada flutuante e substrato de cascalho sobre o crescimento de diferentes plantas na FishGlassHouse em um projeto experimental aquapônico dissociado, exigindo testes subsequentes sob condições acopladas. Com o aumento da densidade de produção de bagres africanos (C. gariepinus, aprox. 20—168 kg/msup3/sup), a maioria das culturas cultivadas como pepinos (Cucumis sativus), manjericão (Ocimum basilicum) e pak choi (Brassica rapa chinensis) tendiam a crescer melhor, em contraste com Lennard e Leonard (2006), em cascalho e NFT aquaponics (GRAVEL\ > NFT\ > RAFT; Wermter 2016; Pribbernow 2016; Lorenzen 2017) e hortelã marroquina (Mentha spicata) apresentaram o desempenho de crescimento oposto (RAFT = NFT\ > GRAVEL) com maior número de folhas em NFT (Zimmermann 2017). Isso demonstra uma vantagem das condições de cascalho e pode ser usado figurativamente também em vasos de plantas convencionais com substrato de solo sob condições aquapônicas acopladas. Este tipo de aquapônica foi designado como “horticultura — aquapônica _ (s.l.) _” devido ao uso de substratos do setor hortícola (solo, fibra de coco, turfa, etc.) (ver Palm et al. 2018). Isso envolve todas as técnicas de cultivo de plantas que permitem que as plantas cresçam em vasos, pelo que o substrato no próprio vaso pode ser considerado equivalente a um substrato de cascalho clássico para a aquapônica. Pesquisas de Knaus & Palm (dados inéditos) mostraram variância na qualidade dos vegetais comumente cultivados e, portanto, sua adequação para o cultivo deste tipo de aquapônica com solo (Fig. 7.11, Tabela 7.1). Neste tipo de aquapônica, feijão, cordeiro alface e rabanete fizeram bem.

   

   Fig. 7.11 Experimentos com uma variedade de vegetais comumente cultivados, em condições de inverno no inverno 2016/2017 na FishGlassHouse (Universidade de Rostock, Alemanha)

   Quadro 7.1 Recomendação para o uso de plantas de jardinagem na agricultura aquapônica com o uso de 50% do fertilizante regular em vasos com solo

   tabela cabeça tr class="cabeçalho” Thname/th ThLat. Nome/th oPossível para aquapônica/th Thmark/th Regime nutriente/th /tr /cabeça tbody tr class="ímpar” TDBeans/TD td iPhaSeolus vulgaris/i /td TDY/TD td1/td Tdextensive/TD /tr tr class="mesmo” TDPEAS/TD td iPISum sativum/i /td TDNO/TD td2/td TDIntensive/TD /tr tr class="ímpar” TDBeet/TD td IBeta vulgaris/i /td TDNO/TD td2/td TDBoth/td /tr tr class="mesmo” TDTomatos/TD td Isolanum lycopersicum/i /td TDNO/TD td2.3/td TDBoth/td /tr tr class="ímpar” Alface de TDLamb td iValerianella locusta/i /td TDY/TD td1/td TDBoth/td /tr tr class="mesmo” Tdradish/TD td IraPhanus sativus/i /td TDY/TD td1/td TDBoth/td /tr tr class="ímpar” TDTrigo/TD td iTriticum aestivum/i /td TDNO/TD td2/td TDBoth/td /tr tr class="mesmo” TDlettuce/TD td iLActuca sativa/i /td TDY/TD td1/td TDIntensive/TD /tr /tbody /tabela

   A escolha das plantas (espécies e estirpes) e especialmente o subsistema hidropônico e/ou substrato, incluindo turfa, substitutos de turfa, fibras de coco, compostagens, argila, etc., ou uma mistura delas (ver Somerville et al. 2014), tem um impacto significativo no sucesso económico do empreendimento. A eficiência de alguns substratos deve ser testada em subunidades hidropônicas (por exemplo, a utilização de areia (McMurtry et al. 1990, 1997), cascalho (Lennard e Leonard 2004) e perlite (Tyson et al. 2008). O uso de outros substratos como cascalhos vulcânicos ou rochas (tuff/tufa), cascalho calcário, cascalho do leito do rio, pedra-pomes, plásticos reciclados, substratos orgânicos como fibra de coco, serradura, musgo de turfa e tronco de arroz foram descritos por Somerville et al. (2014). Estudos comparativos qualitativos com recomendações, no entanto, são muito raros e sujeitos de pesquisas futuras.

   7.7.4 Polyponics

   A combinação de diferentes organismos aquáticos em um único sistema aquapônico pode aumentar o rendimento total. Aplicado pela primeira vez por Naegel (1977), este princípio de produção multiespécies foi cunhado a partir do termo policultura combinado com aquapônica em sistemas acoplados como 'polipônico' (policultura + aquapônica) por Knaus e Palm (2017b). Assim como o IMTA (aquicultura multitrófica integrada), a polipônica expande a diversidade dos sistemas de produção. O uso de múltiplas espécies em um sistema tem vantagens e desvantagens, uma vez que (a) a diversificação permite ao produtor responder às demandas do mercado local, mas (b) por outro lado, o foco é distribuído por uma série de produtos, o que requer maior habilidade e melhor gestão. A informação publicada sobre polipônicos é escassa. No entanto, Sace e Fitzsimmons (2013) relataram melhor crescimento vegetal de alface, repolho chinês e pakchoi em policultura com camarão de água doce (Macrobrachium rosenbergii) e tilápia do Nilo (O. niloticus) em aquapônica acoplada. Alberts-Hubatsch et al. (2017) descreveram o cultivo de lagostins nobres (Astacus astacus), robalo listrado híbrido (Morone saxatilis x M. chrysops), microalgas (Nannochloropsis limnetica) e agrião (Nasturtium officinale), onde o crescimento do lagostim foi superior ao esperado, alimentando-se de raízes de agrião, fezes de peixe e uma dieta projetada por pikeperch.

   Investigações iniciais na Universidade de Rostock mostraram diferenças no crescimento de plantas em duas unidades aquánicas acopladas de 25msup2/sup com a produção de bagres africanos (Clarias gariepinus) e Nilo Tilapia (Oreochromis niloticus, Palm et al. 2014b). Os rendimentos das plantas de alface (Lactuca sativa) e pepino (Cucumis sativus) foram significativamente melhores em combinação com O. niloticus. Este efeito também foi observado por Knaus e Palm (2017a) com um rendimento 2,5 vezes maior em manjericão (Ocimum basilicum) e duas vezes mais biomassa de salsa (Petroselinum crispum) combinada com O. niloticus. Outra comparação entre O. niloticus e carpa comum (Cyprinus carpio) mostrou duas vezes maior biomassa bruta por planta (g plantsup-1/sup) de tomates (Solanum lycopersicum) com tilápia e uma biomassa bruta ligeiramente aumentada de pepinos (Cucumis sativus) com carpa, no entanto, com maior frutas peso na unidade aquapônica O. niloticus (Knaus e Palm 2017b). O rendimento da hortelã (Mentha x piperita) foi aproximadamente 1,8 vezes maior na unidade de tilápia, mas a salsa foi 2,4 vezes maior combinada com a carpa (Knaus et al. 2018a). Os resultados destas experiências seguiram a ordem de crescimento das plantas: O. niloticus\ > C. carpio\ > C. gariepinus, enquanto o crescimento dos peixes mostrou uma ordem inversa com: C. gariepinus\ > O. niloticus\ > C. carpio.

   De acordo com esses resultados, a escolha do peixe influencia o rendimento da planta e uma combinação de diferentes espécies de peixes e seu respectivo desempenho de crescimento permite o ajuste de um aquapônico acoplado para o rendimento ideal de peixes e plantas. Durante experimentos consecutivos (somente O. niloticus, somente C. gariepinus), observou-se uma maior produtividade de biomassa de manjericão (O. basilicum) de 20,44% (Diferença de Crescimento da Planta — PGD) para O. niloticus em contraste com o rendimento do manjericão com C. gariepinus (Knaus et al. 2018b). Assim, O. niloticus pode ser usado para aumentar o rendimento da planta em um sistema C. gariepinus geral. Este chamado efeito de impulso de Tilapia aumenta a produção global do sistema e compensa i) o crescimento mais pobre das plantas com um elevado crescimento de peixes de C. gariepinus, bem como ii) um crescimento de peixes mais pobre em O. niloticus com um aumento do rendimento da planta. Uma primeira fazenda polipônica comercial foi inaugurada em Bali, Indonésia, produzindo tilápia combinada com bagres asiáticos (Clarias batrachus) e produtos agrícolas convencionais.

8. 7.8 Problemas de Planejamento e Gerenciamento do Sistema

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

   A aquapônica acoplada depende dos nutrientes fornecidos pelas unidades de peixe, seja um RAS intensivo comercial ou tanques abastecidos em condições extensas em operações menores. A densidade de peixes neste último é muitas vezes de 15 a 20 kg/msup3/sup (tilápia, carpa), mas a extensa produção de bagres africanos pode ser maior até 50 kg/msup3/sup. Tais diferentes densidades de estoque têm influência significativa nos fluxos de nutrientes e na disponibilidade de nutrientes para as plantas, na exigência de controle e ajuste da qualidade da água, bem como nas práticas de manejo apropriadas.

   A qualidade da água de processo no que diz respeito às concentrações de nutrientes depende principalmente da composição dos alimentos para animais e das respectivas taxas de volume de negócios dos peixes. A diferença entre a alimentação alimentada e os nutrientes alimentares, assimilados no interior dos peixes ou perdidos através da manutenção do sistema, equivale ao potencial máximo dos nutrientes disponíveis para as plantas provenientes da aquicultura. Como mencionado acima, as concentrações de nutrientes devem ser ajustadas aos níveis, o que permite que as plantas cresçam eficazmente. No entanto, nem todas as espécies de peixes são capazes de suportar tais condições. Consequentemente, espécies de peixes resilientes, como o bagre africano, Tilapia ou carpa, são preferenciais candidatos aquánicos. Na Universidade de Rostock, foram analisados bagre inteiro e sua dieta padrão como valores de produção e entrada para identificar as taxas de rotatividade dos macronutrientes N, P, K, Ca, Mg e S e os micronutrientes Fe, Mn, Mo, Cu, Zn e Se. Com exceção de P, mais de 50% dos nutrientes alimentares fornecidos aos peixes não são retidos em seu corpo e podem ser considerados potencialmente disponíveis como nutrientes vegetais (Strauch et al. 2018; Fig. 7.12). No entanto, esses nutrientes não são igualmente distribuídos dentro da água do processo e dos sedimentos. Especialmente macronutrientes (N, P, K) se acumulam na água de processo, bem como dentro da fração sólida, enquanto os micronutrientes, como o ferro, desaparecem na fração sólida separada pelo clarificador. A Figura 7.13 mostra a saída de nutrientes por limpeza do clarificador após 6 dias de coleta de lodo em um peixe-gato africano intensivo RAS. As proporções de nutrientes essenciais das plantas que se ligam nos sólidos em relação às respectivas quantidades que aparecem dissolvidas são significativas: N = 48%, P = 61%, K = 10%, Ca = 48%, Mg = 16%, S = 11%, Fe = 99%, Mn = 86%, Mo = 100%, Zn = 48% e Cu = 55%.

   

   Fig. 7.12 Nutrientes não utilizados na aquicultura de bagres africanos que estão potencialmente disponíveis para produção de plantas aquapônicas (dados originais)

   

   Fig. 7.13 Distribuição de macro e micronutrientes dentro da água de processo e dos sólidos. (Dados de Strauch et al. (2018))

   Um fator importante de gerenciamento é a disponibilidade de oxigênio dentro do sistema, o que é crucial para manter a concentração de nitrato disponível na água do processo alta. Os clarificadores convencionais que são aplicados em muitos RAS removem resíduos sólidos ricos em carbono da recirculação, mas os deixarão em contato com a água do processo até o próximo intervalo de limpeza do tanque de sedimentação. Durante este tempo, a matéria orgânica rica em carbono é utilizada como fonte de energia por desnitrificação de bactérias, contabilizando perdas significativas de nitrato. Ele desgasta como nitrogênio na atmosfera e está perdido. Em condições de produção intensiva, grandes quantidades de lodo orgânico se acumularão dentro dos tanques de sedimentação, com consequências para a manutenção, substituição por água doce e, posteriormente, para a composição de nutrientes dentro da água de processo. A figura 7.14 ilustra as concentrações de nutrientes nos tanques de exploração do peixe-gato africano RAS sob três densidades diferentes (extensas: 35 peixes/tanque, semi-intensivo: 70 peixes/tanque, intensivo: 140 peixes/tanque). Quanto maior a densidade de estoque e menor o teor de oxigênio resultante dentro do sistema, menor será o nitrato disponível na planta por kg de alimentação dentro do sistema.

   

   Fig. 7.14 N-orçamento por kg de ração e nível de oxigênio na aquicultura africana de bagre sob três densidades de estoque diferentes (dados originais)

   Em geral, com o aumento da intensidade dos peixes, a disponibilidade de oxigênio no interior do sistema diminui devido ao consumo do oxigênio pelos peixes e à digestão de lodo aeróbio dentro do clarificador e dos subsistemas hidropônicos. Os níveis de oxigênio podem ser mantidos em níveis mais altos, mas isso requer investimento adicional para monitoramento e controle de oxigênio. Esta questão é de tremenda importância para a aquapônica acoplada, desde o início da fase de planejamento dos sistemas, pois os diferentes cenários são decisivos para a produção de peixe planejada, a qualidade resultante da água de processo para as unidades de produção da planta e, consequentemente, para sustentabilidade. Quatro princípios principais de sistemas de produção aquapônica acoplados com consequências de manejo em termos de projeto do sistema, procedimentos de manutenção e disponibilidade de nutrientes para o crescimento da planta, com transições entre eles, podem ser definidos da seguinte forma:

   • Produção extensiva, peixe resistente ao oxigénio (por exemplo, tilápia, carpa), sem controlo do oxigénio, OSub2/sub superior a 6 mg/L, pouca utilização de água com concentrações elevadas de nutrientes, pequeno investimento, baixa CBO, elevado nitrato por kg de alimento.

   • Produção intensiva, peixe resistente ao oxigénio (por exemplo, bagre africano), sem controlo do oxigénio, OSub2/sub inferior a 6 mg/L, elevada utilização de água, médio investimento, elevada CBO, baixos nitratos por kg de alimento, concentrações elevadas de nutrientes.

   • Produção extensiva, peixes que exigem oxigénio (por exemplo, truta), controlo de oxigénio, OSub2/sub acima de 6—8 mg/L, elevada utilização de água, médio investimento, baixa CBO, elevado nitrato por kg de alimento, baixas concentrações de nutrientes.

   • Produção intensiva, peixe que exige oxigénio (por exemplo, truta, pikeperch), controlo de oxigénio, OSub2/sub superior a 6—8 mg/L, elevado consumo de água, elevado investimento, baixa CBO, nitrato médio por kg de alimento.

   Além da densidade de estoque e da quantidade média de oxigênio dentro do sistema, o regime de produção vegetal, ou seja, o cultivo em lote ou escalonado, tem consequências para os nutrientes disponíveis na planta dentro da água de processo (Palm et al. 2019). Este é o caso especialmente com peixes de crescimento rápido, onde o aumento de ração durante o ciclo de produção pode ser tão rápido que precisa haver uma maior taxa de troca de água e, portanto, a diluição de nutrientes pode aumentar, com consequências para a composição e manejo dos nutrientes.

   Os mesmos processos óxicos ou anóxicos que ocorrem na RAS como parte do sistema aquapônico acoplado também ocorrem dentro dos subsistemas hidropônicos. Portanto, a disponibilidade de oxigênio e possivelmente a aeração da água da planta podem ser cruciais para otimizar a qualidade da água para um bom crescimento da planta. O oxigênio permite que as bactérias heterotróficas convertam nutrientes orgânicos ligados à fase dissolvida (isto é, nitrogênio protéico em amônia) e as bactérias nitrificantes convertem a amônia em nitrato. A disponibilidade de oxigénio na água também reduz o metabolismo microbiano anóxico (isto é, bactérias redutoras de nitratos e/ou sulfatos, Comeau 2008), processos que podem ter efeitos tremendos na redução das concentrações de nutrientes. A aeração das raízes também tem a vantagem de que a água e os nutrientes são transportados para a superfície radicular e que as partículas que se instalam na superfície radicular são removidas (Somerville et al. 2014).

9. 7.9 Algumas Vantagens e Desvantagens da Aquapônica Acoplada

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

   A discussão a seguir revela uma série de prós e desafios fundamentais da aquapônica acoplada da seguinte forma:

   Pro: Sistemas aquapônicos acoplados têm muitos benefícios na produção de alimentos, especialmente economizando recursos em diferentes escalas de produção e em uma ampla gama de regiões geográficas. O principal objetivo deste princípio de produção é o uso mais eficiente e sustentável de recursos escassos, como alimentos para animais, água, fósforo como um nutriente vegetal limitado e energia. Embora a aquicultura e a hidroponia (como autônoma), em comparação com a aquapônica são mais competitivas, a aquapônica acoplada pode ter a vantagem em termos de sustentabilidade e, portanto, uma justificação desses sistemas especialmente quando visto no contexto, por exemplo, das alterações climáticas, da diminuição dos recursos, dos cenários que pode mudar a nossa visão de agricultura sustentável no futuro.

   Pro: A aquapônica de pequena escala e de backyard-acoplada destina-se a apoiar a produção de alimentos local e comunitária por famílias e agricultores. Eles não são capazes de conter altos custos de investimento e exigem tecnologias simples e eficientes. Isto aplica-se às combinações testadas de peixes e plantas em aquapônica acoplada.

   

   Fig. 7.15 Desenvolvimento de sistemas aquánicos acoplados de (a) zonas húmidas construídas por resíduos domésticos (CW) e (b) CW em combinação com sistemas aquícolas recirculantes (RAS) para (c) unidades hidropônicas em sistemas aquánicos acoplados

   Pro: As plantas na aquapônica acoplada contemporânea têm o papel semelhante no tratamento de resíduos como as zonas húmidas construídas fazem na remoção de resíduos da água (Fig. 7.15). As plantas da unidade hidropônica em aquapônica acoplada cumprem, portanto, a tarefa de purificar a água e podem ser consideradas uma “unidade biológica avançada de purificação da água”, a fim de reduzir o impacto ambiental da aquicultura.

   Desafio: Tem sido amplamente aceito que usar apenas alimentos para peixes como alimento para a nutrição das plantas é muitas vezes qualitativa e quantitativamente insuficiente em comparação com os sistemas convencionais de produção agrícola (por exemplo, esterco hidropônico N-P-K) (Goddek et al. 2016), limitando o crescimento de certas culturas em aquapônica acoplada.

   Pro: Sistemas aquapônicos acoplados têm uma influência positiva no bem-estar dos peixes. Estudos mais recentes demonstram que, em combinação com pepino e manjericão, o comportamento agonístico do peixe-gato africano (C. gariepinus) foi reduzido (Baßmann et al. 2017, 2018). Mais importante ainda, comparando lesões e padrões comportamentais com o controle, a aquaponia com alta densidade de manjericão influenciou ainda mais positivamente os peixes-gato africanos. As plantas liberam substâncias na água de processo como fosfatases (Tarafdar e Claassen 1988; Tarafdar et al. 2001) que são capazes de hidrolisar compostos bioquímicos fosfatases em torno da área radicular e exalar ácidos orgânicos (Bais et al. 2004). Além disso, os microrganismos nas superfícies radiculares desempenham um papel importante através da excreção de substâncias orgânicas aumentando a solubilização de minerais tornando-os disponíveis para a nutrição das plantas. É evidente que o ambiente da rizosfera, o “exsudado radicular”, consiste em muitos compostos orgânicos, tais como aniões ácidos orgânicos, fitosideróforos, açúcares, vitaminas, aminoácidos, purinas, nucleósidos, íons inorgânicos, moléculas gasosas, enzimas e células de fronteira radiculares (Dakora e Phillips 2002), que podem influenciam a saúde dos organismos aquáticos em sistemas aquapônicos acoplados. Esta relação simbiótica não está disponível em aquacultura pura ou aquapônica dissociada. No entanto, ainda há que realizar uma investigação considerável para compreender os factores responsáveis para um melhor bem-estar dos peixes.

   Pro: Aquaponics pode ser considerado como uma forma otimizada da produção agrícola convencional, especialmente nas áreas onde fatores de produção causados pelas condições ambientais são particularmente desafiadores, por exemplo, em desertos ou áreas urbanas altamente povoadas (cidades). Os sistemas aquapônicos acoplados podem ser facilmente ajustados às condições locais, em termos de projeto do sistema e escala de operação.

   Desafio: O aquapônico acoplado também apresenta desvantagens, devido às condições frequentemente inadequadas da relação de componentes do peixe e da produção vegetal. A fim de evitar consequências para o bem-estar dos peixes, os sistemas aquapônicos acoplados devem equilibrar a entrada de alimentos, a densidade de estoque, bem como a dimensão das unidades de tratamento de água e hidroponia. Até agora, o conhecimento das razões de componentes em aquapônica acoplada ainda é limitado, e modelagem para superar este problema está no início. Rakocy (2012) sugeriu 57 g de ração por dia por metro quadrado de área de cultivo de alface e uma relação composta de 1 msup3/sup de tanque de criação de peixe para 2 msup3/sup de cascalho de ervilha que permite uma produção de 60 kg/msup3/sup tilápia. Com base no sistema UVI, as razões de tamanho propriamente ditas foram consideradas uma desvantagem, uma vez que uma proporção relativamente grande entre a área de cultivo vegetal e a superfície dos peixes de pelo menos 7:3 deve ser alcançada para uma produção adequada das plantas. Por outro lado, os projetos de sistemas acoplados são altamente variáveis, muitas vezes não comparáveis, e as experiências feitas não podem ser facilmente transferidas para outro sistema ou local. Por conseguinte, são necessários muito mais dados de investigação a fim de identificar os melhores rácios de produção possíveis, por fim, que permitam também aumentar a escala dos sistemas aquapónicos acoplados através da multiplicação de módulos básicos concebidos óptimos (ver também capítulo 11).

   Desafio: Foram declarados parâmetros adversos de qualidade da água que afetam negativamente a saúde dos peixes. Como Yavuzcan Yildiz et al. (2017) apontaram, a retenção de nutrientes das plantas deve ser maximizada para evitar efeitos negativos da qualidade da água no bem-estar dos peixes. É importante selecionar espécies de peixes adequadas que possam aceitar maiores cargas de nutrientes, como o peixe-gato africano (C. gariepinus) ou o Nilo Tilapia (O. niloticus,). Espécies mais sensíveis, como o Zander ou o pikeperch (Sander lucioperca), podem também ser aplicadas em aquaponia porque preferem massas de água enriquecidas com nutrientes ou eutróficas com maior turbidez (Jeppesen et al. 2000; Keskinen e Marjomäki 2003; ver [Seção 7.7.1. Produção de peixe]). Até agora, há escassos dados que permitem declarações precisas sobre as deficiências do bem-estar dos peixes. Com as plantas que geralmente precisam de altas concentrações de potássio entre 230 e 400 mg/L dentro da água de processo, 200—400 mg/L de potássio não mostrou influência negativa no bem-estar dos peixes-gato africanos (Presas Basalo 2017). Da mesma forma, 40 e 80 mg/L OrtoP na água de criação não tiveram impacto negativo no desempenho de crescimento, eficiência alimentar e características de bem-estar dos peixes-gato africanos juvenis (Strauch et al. 2019).

   Desafio: Outra questão é a potencial transmissão de doenças em termos de segurança alimentar, às pessoas através do consumo de plantas que estiveram em contato com resíduos de peixes. Em geral, a ocorrência de zoonoses é menor porque aquapônica fechada são sistemas totalmente controlados. No entanto, os germes podem se acumular na água de processo dos componentes do sistema ou no intestino do peixe. Escherichia coli e Salmonella spp. (bactérias entéricas zoonóticas) foram identificadas como indicadores de contaminação fecal e qualidade microbiana da água, no entanto, foram detectadas em aquaponia apenas em quantidades muito pequenas (Munguia-Fragozo et al. 2015). Outra comparação de folhas verdes de textura lisa entre aquapônica, hidroponia e produção à base de solo não mostrou diferenças significativas na contagem de placas aeróbias (APC, bactérias aeróbias), Enterobacteriaceae, E. coli e Listeria não patogênicos, sugerindo um nível de contaminação comparável com patógenos ( Barnhart et al. 2015). Listeria spp. foi mais frequente (40%) em hidroponia com plantas desenraizadas (plantas aquapônicas com raízes 0%, plantas aquapônicas sem raízes\ < 10%), mas não necessariamente as espécies nocivas de _L. monocitógenos _. Sugeriu-se que a fonte das bactérias pode ser devido à falta de manejo da higiene, com pouca relevância para a aquaponia enquanto tal. Outra bactéria infecciosa, _Fusobacteria (Cetobacterium) _, foi detectada por Schmautz et al. (2017) nas fezes de peixes com alta prevalência de até 75%. Representantes de Fusobacteria são responsáveis por doenças humanas (germe hospitalar, abscessos, infecções), reproduzindo em biofilmes ou como parte dos intestinos de peixe. Infecções humanas com Fusobacteria de aquapônica ainda não foram registradas, mas podem ser possíveis negligenciando os protocolos de higiene necessários.

   Em geral, há pouca informação sobre doenças causadas pelo consumo de peixes e plantas provenientes de sistemas aquapônicos acoplados. Em Wilson (2005), o Dr. J.E. Rakocy afirmou que não havia nenhum surto de doença humana registrado em 25 anos de produção aquapônica acoplada. No entanto, um procedimento de lavagem dos produtos vegetais deve ser usado para reduzir o número de bactérias como precaução. Um banho de cloro (100 ppm) seguido de um enxaguamento de água potável foi recomendado por Chalmers (2004). Se esta metodologia for utilizada e o contato das plantas ou produtos vegetais com a água do processo de recirculação for evitado, a probabilidade de contaminação com bactérias patogênicas humanas pode ser fortemente reduzida. Esta é uma precaução necessária não só para acoplados, mas também para todas as outras formas de aquapônica.