Source material

Capítulo 9 Ciclismo de nutrientes em sistemas aquapônicos

1. 9.1 Introdução

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

   Os sistemas Aquaponic oferecem várias vantagens quando se trata de produzir alimentos de forma inovadora e sustentável. Além dos efeitos sinérgicos do aumento da concentração aérea de COSub2/sub para culturas em estufa e da diminuição do consumo total de energia térmica ao cultivar peixes e culturas no mesmo espaço (Körner et al. 2017), a aquapônica tem duas vantagens principais para a ciclagem de nutrientes. Em primeiro lugar, a combinação de um sistema de aquicultura recirculante com a produção hidropônica evita a descarga de efluentes aquícolas enriquecidos em azoto dissolvido e fósforo em águas subterrâneas já poluídas (Buzby e Lin 2014; Guangzhi 2001; van Rijn 2013) e, em segundo lugar, permite a fertilização de as culturas sem solo com o que pode ser considerado uma solução orgânica (Goddek et al. 2015; Schneider et al. 2004; Yogev et al. 2016) em vez de usar fertilizantes de origem mineral feitos a partir de esgotamento dos recursos naturais (Schmautz et al. 2016; Chap. 2. Além disso, a aquapônica produz crescimento vegetal comparável em comparação com a hidropônica convencional, apesar das concentrações mais baixas de nutrientes na água da aquicultura (Graber e Junge 2009; Bittsanszky et al. 2016; Delaide et al. 2016), e a produção pode ser ainda melhor do que no solo (Rakocy et al. 2004). Considera-se que o aumento das concentrações de COSub2/sub no ambiente aéreo e as alterações nos biomas da zona radicular são as principais razões para isso. Além disso, o teor mineral e a qualidade nutricional dos tomates cultivados aquaponicamente têm sido reportados como equivalentes ou superiores ao teor mineral dos cultivados convencionalmente (Schmautz et al. 2016).

   Apesar de possuir dois ativos atrativos (ou seja, a reciclagem de efluentes de aquicultura e a utilização de fertilizantes orgânicos), o uso de efluentes de aquicultura aumenta o desafio de monitorar os nutrientes dentro da solução. Com efeito, é mais difícil controlar a composição de uma solução onde os nutrientes se originam de uma degradação biológica da matéria orgânica do que acompanhar a evolução da concentração dos nutrientes numa solução hidropônica doseada com precisão à base de compostos minerais (Bittsanszky et al. 2016; Timmons e Ebeling 2013). Além disso, as necessidades nutricionais de uma planta variam durante o período de crescimento de acordo com os estágios fisiológicos, e é necessário atender a essas necessidades para maximizar os rendimentos (Bugbee 2004; Zekki et al. 1996; Cap. 4).

   Para reciclar efluentes de aquicultura para produzir biomassa vegetal, é necessário otimizar as taxas de reciclagem de fósforo e nitrogênio (Goddek et al. 2016; Graber e Junge 2009; Chap. 1). Vários fatores podem influenciar isso, como a espécie de peixe, a densidade dos peixes, a temperatura da água, o tipo de plantas e a comunidade microbiana (ibid.). Portanto, é de primordial importância compreender o funcionamento dos ciclos de nutrientes em aquaponics (Seawright et al. 1998). Este capítulo tem como objetivo explicar as origens dos nutrientes em um sistema aquapônico, descrevendo os ciclos de nutrientes e analisando as causas das perdas de nutrientes.

2. 9.2 Origem dos Nutrientes

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

   As principais fontes de nutrientes num sistema aquapónico são os alimentos para peixes e a água adicionada (contendo Mg, Ca, S) (ver secção 9.3.2.) no sistema (Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2016) conforme elaborado em Cap. 13. No que diz respeito aos alimentos para peixes, existem dois tipos principais: alimentos à base de peixe e alimentos à base de plantas. A farinha de peixe é o tipo clássico de ração usado na aquicultura, onde lipídios e proteínas dependem de farinha de peixe e óleo de peixe (Geay et al. 2011). No entanto, há algum tempo, as preocupações com a sustentabilidade desses alimentos têm sido levantadas e a atenção para as dietas à base de plantas (Boyd 2015; Davidson et al. 2013; Hua and Bureau 2012; Tacon e Metian 2008). Uma meta-análise realizada por Hua and Bureau (2012) revelou que o uso de proteínas vegetais na ração de peixes pode influenciar o crescimento de peixes se incorporados em proporções elevadas. De facto, as proteínas vegetais podem ter um impacto na digestibilidade e nos níveis de factores anti-nutricionais da ração. Em especial, o fósforo proveniente de plantas e, portanto, sob a forma de fitatos não beneficia, por exemplo, o salmão, a truta e várias outras espécies de peixes (Timmons e Ebeling 2013). Não é surpreendente que esta observação seja altamente dependente da espécie de peixe e da qualidade dos ingredientes (Hua e Bureau 2012). No entanto, pouco se sabe sobre o impacto da composição variada da ração de peixes na produção de culturas (Yildiz et al. 2017).

   A ração clássica para peixes é composta por 6—8 macro ingredientes e contém 6—8% de nitrogênio orgânico, 1,2% de fósforo orgânico e 40—45% de carbono orgânico (Timmons e Ebeling 2013) com cerca de 25% de proteína para peixes herbívoros ou onívoros e cerca de 55% de proteína para peixes carnívoros (Boyd 2015). Os lipídios também podem ser baseados em peixes ou plantas (Boyd 2015).

   

   Fig. 9.1 Fluxo ambiental de azoto e fósforo em% para (a) produção de gaiolas do Nilo Tilapia (após Neto e Ostrensky 2015) e (b) produção de RAS (a partir de diversas fontes)

   Uma vez que a ração para peixes é adicionada ao sistema, uma parte substancial dela é consumida pelos peixes e utilizada para o crescimento e metabolismo ou excretada como fezes solúveis e sólidas, enquanto o resto da ração dada decai nos tanques (Goddek et al. 2015; Schneider et al. 2004) (Fig. 9.1). Neste caso, os restos de alimentos e produtos metabólicos são parcialmente dissolvidos na água aquapônica, permitindo assim que as plantas absorvam nutrientes diretamente da solução aquapônica (Schmautz et al. 2016).

   Na maioria dos sistemas de cultivo (Chaps. 7 e 8, podem ser adicionados nutrientes para complementar a solução aquapônica e garantir uma melhor correspondência com as necessidades das plantas (Goddek et al. 2015). De fato, mesmo quando o sistema é acoplado, é possível adicionar ferro ou potássio (que muitas vezes faltam) sem prejudicar o peixe (Schmautz et al. 2016).

   9.2.1 Alimentos para peixes com sobras e fezes de peixe

   Idealmente, todos os alimentos fornecidos devem ser consumidos pelos peixes (Fig. 9.1). No entanto, uma pequena parte (menos de 5% (Yogev et al. 2016)) é frequentemente deixada para se decompor no sistema e contribui para a carga nutritiva da água (Losordo et al. 1998; Roosta e Hamidpour 2013; Schmautz et al. 2016), consumindo oxigênio dissolvido e liberando dióxido de carbono e amônia (Losordo et al. 1998) , entre outras coisas. A composição das sobras de alimentos para peixes depende da composição da ração.

   Logicamente, a composição das fezes de peixe depende da dieta do peixe, que também tem impacto na qualidade da água (Buzby e Lin 2014; Goddek et al. 2015). No entanto, a retenção de nutrientes na biomassa dos peixes é altamente dependente das espécies de peixes, dos níveis de alimentação, da composição da ração, do tamanho dos peixes e da temperatura do sistema (Schneider et al. 2004). Em temperaturas mais elevadas, por exemplo, o metabolismo dos peixes é acelerado e, assim, resulta em mais nutrientes contidos na fração sólida das fezes (Turcios e Papenbrock 2014). A proporção de nutrientes excretados também depende da qualidade e digestibilidade da dieta (Buzby e Lin 2014). A digestibilidade dos alimentos para peixes, o tamanho das fezes e o rácio de sedimentação devem ser cuidadosamente considerados para garantir um bom equilíbrio no sistema e maximizar o rendimento das culturas (Yildiz et al. 2017). Com efeito, embora seja uma prioridade que os alimentos para peixes sejam cuidadosamente escolhidos para atender às necessidades dos peixes, os componentes dos alimentos para animais também podem ser selecionados de acordo com as necessidades da planta quando não faz diferença para os peixes (Goddek et al. 2015; Licamele 2009; Seawright et al. 1998).

3. 9.3 Processos microbiológicos

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

   9.3.1 Solubilização

   A solubilização consiste na quebra das moléculas orgânicas complexas que compõem os resíduos de peixes e alimentam os restos em nutrientes sob a forma de minerais iónicos que as plantas podem absorver (Goddek et al. 2015; Somerville et al. 2014). Tanto na aquicultura (Sugita et al. 2005; Turcios e Papenbrock 2014) como na aquapônica, a solubilização é conduzida principalmente por bactérias heterotróficas (van Rijn 2013; Cap. 6) que ainda não foram totalmente identificadas (Goddek et al. 2015). Alguns estudos começaram a decifrar a complexidade dessas comunidades de bactérias (Schmautz et al. 2017). Na aquicultura atual, as bactérias mais comumente observadas são Rhizobium sp., Flavobacterium sp., Sphingobacterium sp., Comamonas sp., Acinetobacter sp., Aeromonas sp. e Pseudomonas sp. (Munguia-Fragozo et al. 2015; Sugita et al. 2005). Um exemplo do papel importante das bactérias na aquapônica poderia ser a transformação de fitatos insolúveis em fósforo (P) disponibilizados para absorção vegetal através da produção de fitases particularmente presentes em γ-proteobacteria (Jorquera et al. 2008). (Mais pesquisas precisam ser feitas nesta área). Outros nutrientes além de P também podem ser presos como sólidos e evacuados do sistema com o lodo. Assim, estão sendo feitos esforços para remineralizar este lodo com reatores UASB-EGSB, a fim de reinjetar nutrientes no sistema aquapônico (Delaide 2017; Goddek et al. 2016; Cap. 10). Além disso, diferentes minerais não são liberados ao mesmo ritmo, dependendo da composição da ração (Leteliergordo et al. 2015), o que leva a um monitoramento mais complicado da sua concentração na solução aquapônica (Seawright et al. 1998).

   9.3.2 Nitrificação

   A principal fonte de nitrogênio em um sistema aquapônico é a alimentação de peixes e as proteínas que contém (Goddek et al. 2015; Ru et al. 2017; Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017). Idealmente, 100% deste alimento deve ser comido pelos peixes. No entanto, observou-se que os peixes utilizam apenas cerca de 30% do azoto contido nos alimentos para animais (Rafiee e Saad 2005). O alimento ingerido é parcialmente utilizado para assimilação e metabolismo (Wongkiew et al. 2017), enquanto o resto é excretado através das brânquias ou como urina e fezes (Ru et al. 2017). O nitrogênio que é excretado através das brânquias é principalmente na forma de amônia, NHsub3/sub (Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017), enquanto urina e fezes são compostas de nitrogênio orgânico (Wongkiew et al. 2017) que é transformado em amônia por proteases e desaminases (Sugita et al. 2005). Em geral, os peixes excretam azoto sob a forma de TAN, ou seja, NHsub3/sub e NHsub4/subsup+/Sup. O equilíbrio entre NHsub3/sub e NHsub4/subsup+/Sup depende principalmente do pH e temperatura. O amoníaco é o principal resíduo produzido pelo catabolismo de peixes das proteínas alimentares (Yildiz et al. 2017).

   A nitrificação é um processo em duas etapas durante o qual o NHsub3/Sub de amónio ou NHsub4/subsup+/Sup de amónio excretado pelos peixes é transformado primeiro em nitrito Nosub2/subsup-/Sup e, em seguida, em nitrato Nosub3/subsup-/Sup por bactérias autotróficas aeróbias quimiosintéticas específicas. Uma alta disponibilidade de oxigênio dissolvido é necessária como nitrificação consome oxigênio (Carsiotis e Khanna 1989; Madigan e Martinko 2007; Shoda 2014). O primeiro passo desta transformação é realizado por bactérias oxidantes de amônia (AOB), tais como Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus e Nitrosovibrio. O segundo passo é conduzido por bactérias oxidantes de nitrito (NOB) como Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira e Nitrospina (Rurangwa e Verdegem 2013; Timmons and Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Nitrospira é atualmente deduzido como um nitrificador completo, ou seja, estar envolvido na produção tanto de nitrito como de nitrato (Daims et al. 2015). As mesmas bactérias podem ser encontradas tanto na aquicultura como nos sistemas aquapônicos (Wongkiew et al. 2017). Estas bactérias são encontradas principalmente em biofilmes fixados ao meio que compõe o biofiltro, mas também podem ser observadas nos outros compartimentos do sistema (Timmons e Ebeling 2013).

   A nitrificação é de primordial importância na aquapônica, uma vez que o amoníaco e o nitrito são bastante tóxicos para os peixes: 0,02—0,07 mg/L de amônia—nitrogênio são suficientes para observar danos em peixes de água morna, e nitrito-nitrogênio deve ser mantido abaixo de 1 mg/L (Losordo et al. 1998; Timmons e Ebeling 2013). A amônia afeta o sistema nervoso central dos peixes (Randall e Tsui 2002; Timmons e Ebeling 2013), enquanto o nitrito induz problemas de fixação de oxigênio (Losordo et al. 1998). No entanto, o nitrogênio é tolerado pelos peixes até 150—300 mg/L (Goddek et al. 2015; Graber and Junge 2009; Yildiz et al. 2017).

   A nitrificação ocorre principalmente em biofiltros (Losordo et al. 1998; Timmons e Ebeling 2013). Portanto, ao iniciar um sistema, recomenda-se executar o sistema sem peixes para permitir que a população de bactérias nitrificantes cresça lentamente (Timmons e Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Também é necessário evitar, na medida do possível, a presença de matéria orgânica nos biofiltros, a fim de evitar o crescimento de bactérias heterotróficas altamente competitivas (Timmons e Ebeling 2013). Alternativamente, misturas comerciais de bactérias nitrificantes podem ser adicionadas ao sistema, antes do estocamento, para acelerar o processo de colonização (Kuhn et al. 2010). No entanto, também existem pequenos sistemas aquapônicos sem biofiltro. Nestes sistemas, bactérias nitrificantes formam biofilmes das superfícies disponíveis (por exemplo, paredes do compartimento hidropônico, meios inertes quando se utiliza a técnica do leito de mídia) (Somerville et al. 2014).

4. 9.4 Balanço de Massa: O que acontece com os nutrientes uma vez que eles entram no Sistema Aquapônico?

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

   9.4.1 Contexto

   O funcionamento dos sistemas aquapônicos baseia-se em um equilíbrio dinâmico dos ciclos de nutrientes (Somerville et al. 2014). Por conseguinte, é necessário compreender estes ciclos para optimizar a gestão dos sistemas. Plantas que crescem hidroponicamente têm requisitos específicos, que devem ser atendidos durante seus vários estágios de crescimento (Resh 2013). Portanto, as concentrações de nutrientes nos diferentes compartimentos do sistema devem ser monitoradas de perto e os nutrientes devem ser complementados para evitar deficiências (Resh 2013; Seawright et al. 1998) na água do sistema ou via aplicação foliar (Roosta e Hamidpour 2011).

   De acordo com Delaide et al. (2016), em alguns casos, a suplementação de uma solução aquapônica com nutrientes minerais para atingir as mesmas concentrações de nutrientes que na hidropônica pode levar a rendimentos mais elevados do que os obtidos na hidropônica. O primeiro passo a dar para um sistema equilibrado é o design correto e o dimensionamento relativo dos compartimentos (Buzby e Lin 2014). Se o compartimento hidropônico for muito pequeno em comparação com os tanques de peixes, então os nutrientes se acumularão na água e poderão atingir níveis tóxicos. O rácio da taxa de alimentação (isto é, a quantidade de alimentos para peixes no sistema com base na superfície vegetal e no tipo de planta) é frequentemente utilizado para a primeira calibragem do sistema (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). No entanto, de acordo com Seawright et al. (1998), não é possível alcançar uma relação planta/peixe que permita uma melhor correspondência das necessidades das plantas se apenas a alimentação dos peixes for utilizada como fonte de alimentação. Para garantir que o sistema esteja bem equilibrado e funcione corretamente, os métodos de monitoramento são geralmente baseados no ciclo do nitrogênio (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), mas para garantir o ótimo funcionamento do sistema, é necessário monitorar mais de perto o equilíbrio dos outros macronutrientes ( N, P, K, Ca, Mg, S) e micronutrientes (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld e Voogt 2009). Estudos recentes (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) começaram a abordar este tema. Schmautz et al. (2015, 2016) compararam o impacto de três diferentes layouts hidropônicos (técnica de filme nutriente (NFT), jangada flutuante e irrigação por gotejamento) na absorção de nutrientes de tomates aquapônicos. A irrigação por gotejamento foi o sistema que produziu rendimentos ligeiramente melhores com tomates. O teor mineral dos frutos (P, K, Ca, Mg) foi equivalente aos valores convencionais, embora os teores de ferro e zinco tenham sido maiores. No entanto, as folhas apresentaram níveis mais baixos de P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu e Zn do que na agricultura convencional. Delaide et al. (2016) acompanharam os ciclos de macro e micronutrientes em um sistema aquapônico acoplado. Eles observaram que K, P, Fe, Cu, Zn, Mn e Mo estavam faltando em sua solução aquapônica, enquanto N, Ca, B e Na foram rapidamente acumulados. Graber e Junge (2009) observaram que sua solução aquapônica continha três vezes menos nitrogênio e dez vezes menos fósforo do que uma solução hidropônica. Quanto ao potássio (K), foi 45 vezes menor em comparação com a hidropônica. No entanto, obtiveram rendimentos como rendimentos semelhantes, embora a qualidade tenha sido mais pobre devido à falta de potássio (K).

   Fatores que influenciam os Ciclos de Nutrientes

   A intensidade da luz, a temperatura da zona radicular, a temperatura do ar, a disponibilidade de nutrientes, o estágio de crescimento e a taxa de crescimento influenciam a absorção de nutrientes de uma planta (Buzby e Lin 2014). Os experimentos realizados por Schmautz et al. (2016) e Lennard e Leonard (2006) mostraram que o método hidropônico também pode desempenhar um papel na capacidade de absorção de nutrientes de uma planta, sendo, portanto, necessário combinar o sistema de cultivo com o tipo de hortaliças cultivadas. A NFT e a DWC (cultura de águas profundas — jangada) são, portanto, adequadas para folhas verdes, enquanto a irrigação por gotejamento em lajes de lã de rocha é mais adequada para vegetais frutados (Resh 2013).

   9.4.2 Ciclos de macronutrientes

   **Carbono (C) **

   O carbono é fornecido aos peixes através da alimentação animal (Timmons e Ebeling 2013) e às plantas através da fixação CoSub2/Sub. Os peixes podem utilizar 22% do carbono contido na alimentação dos peixes para aumentar a biomassa e o metabolismo. O restante do carbono ingerido é expirado sob a forma de CoSub2/Sub (52%) ou excretado numa forma dissolvida (0,7— 3%) e sólida (25%) (Timmons e Ebeling 2013). O CoSub2/Sub expirado também pode ser usado por plantas para sua própria fonte de carbono (Körner et al. 2017). A parte não consumida do carbono alimentar é deixada para se decompor no sistema. O tipo de hidratos de carbono encontrados nos alimentos para peixes (por exemplo, amido ou polissacáridos não amiláceos) pode também influenciar a digestibilidade dos alimentos para animais e a biodegradabilidade dos resíduos num sistema aquícola ou aquapónico (Meriac et al. 2014).

   **Nitrogênio (N) **

   O nitrogênio é absorvido pelas plantas na forma de nitrato ou amônio (Sonneveld e Voogt 2009; Xu et al. 2012) dependendo da concentração e fisiologia da planta (Fink e Feller 1998 citados por Wongkiew et al. 2017). As associações entre plantas e microrganismos não devem ser negligenciadas, pois as plantas afetam a presença dos microrganismos na aquapônica, e os microrganismos podem desempenhar um papel significativo na capacidade de absorção de nitrogênio das plantas (Wongkiew et al. 2017). A absorção de nitrogênio pelas plantas é afetada pela concentração de dióxido de carbono ambiente (Zhang et al. 2008 citado por Wongkiew et al. 2017).

   **Fósforo (P) **

   O fósforo é um dos elementos essenciais para o crescimento das plantas e pode ser absorvido sob sua forma de ortofosfato iônico (Hsub2/subposub4/subsup-/sup, HPOsub4/subsup2-/sup, POsub4/subsup3-/sup) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). Pouco se sabe sobre a dinâmica do fósforo em aquaponia. A principal entrada de fósforo no sistema é a alimentação de peixes (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), e em sistemas não suplementados (Chap. 7, o fósforo tende a ser limitante e, assim, pode impedir o crescimento vegetal (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998). De acordo com Rafiee e Saad (2005), os peixes podem utilizar até 15% do fósforo contido na ração. Em um sistema de cultivo de alface, Cerozi e Fitzsimmons (2017) perceberam que a quantidade de fósforo fornecida pela ração de peixe pode ser suficiente ou insuficiente dependendo do estágio de crescimento. Até 100% do fósforo presente na água dos peixes podem ser reciclados na biomassa vegetal, dependendo do projeto do sistema. Graber e Junge (2009) observaram 50% de reciclagem, enquanto Schmautz et al. (2015) relataram que 32% do fósforo poderia ser encontrado na fruta e 28% nas folhas. A solubilidade do fósforo depende do pH, e um pH maior fomentará a precipitação do fósforo, tornando-o indisponível para as plantas (Yildiz et al. 2017). O fósforo pode precipitar como estruvita (fosfato de magnésio amônio) (Le Corre et al. 2005) e/ou hidroxiapatita (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Estes complexos insolúveis são removidos através de lodo de peixe sólido do sistema. Schneider et al. (2004) relataram que 30-65% do fósforo contido na ração dos peixes permanece indisponível para as plantas, pois é fixado nas excreções sólidas que são então removidas por filtração mecânica. Yogev et al. (2016) estimaram que essa perda pode ser de até 85%. Uma opção para evitar esta perda maciça de P através de lodo sólido é adicionar um compartimento de digestão ao sistema aquapônico. Durante a digestão aeróbica ou anaeróbica, o P é liberado na digestação e pode ser reintroduzido na água circulante (Goddek et al. 2016).

   **Potássio (K) **

   Delaide et al. (2017) descobriram que a principal fonte de K em seu sistema foi a alimentação de peixes. Os peixes podem utilizar até 7% do K contido nos alimentos para peixes (Rafiee e Saad 2005). No entanto, o potássio não é necessário para os peixes, o que leva a uma composição baixa de potássio da ração dos peixes e a níveis ainda mais baixos de potássio disponíveis para as plantas (Graber and Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Para fornecer potássio, um tampão de pH KOH é frequentemente usado, pois o pH geralmente diminui na aquapônica devido à nitrificação (Graber e Junge 2009). Em um sistema aquapônico plantado com tomate, o potássio acumulou-se principalmente nos frutos (Schmautz et al. 2016).

   **Magnésio (Mg), Cálcio (Ca) e Enxofre (S) **

   A principal fonte de Mg, Ca e S é a água da torneira que facilita a absorção pelas plantas, já que os nutrientes já estão disponíveis (Delaide et al. 2017). No entanto, o cálcio está presente em níveis insuficientes em aquapônicos (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) e é adicionado sob a forma de hidróxido de cálcio Ca (OH) sub2/sub (Timmons e Ebeling 2013). De acordo com Rafiee e Saad (2005), os peixes podem utilizar, em média, 26,8% do cálcio e 20,3% do magnésio presente na ração. O enxofre está frequentemente em níveis baixos em sistemas aquapônicos (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998).

   9.4.3 Ciclos de micronutrientes

   O ferro (Fe), o manganês (Mn) e o zinco (Zn) derivam principalmente da ração dos peixes, enquanto o boro (B) e o cobre (Cu) derivam da água da torneira (Delaide et al. 2017). Na aquapônica, os micronutrientes chave estão frequentemente presentes, mas em níveis muito baixos (Delaide et al. 2017), e a suplementação a partir de fontes externas de nutrientes é então necessária (Cap. 8). As deficiências de ferro ocorrem muito frequentemente na aquapônica (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons e Posadas; 1997 citado por Licamele 2009), principalmente devido à indisponibilidade da forma de íon férrico. Esta deficiência pode ser resolvida pelo uso de sideróforos bacterianos (isto é, compostos orgânicos quelantes de ferro) produzidos por gêneros como Bacillus ou Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) ou pela suplementação de ferro com ferro quelatado químico para evitar a precipitação de ferro.

   9.4.4 Perdas de nutrientes

   Reduzir a perda de nutrientes é um desafio constante que os praticantes de aquaponia enfrentam. A perda de nutrientes ocorre de várias formas, por exemplo, a liquidação das lamas (37% das fezes e 18% dos alimentos não consumidos) (Neto e Ostrensky 2015), perdas de água, desnitrificação, volatilização do amoníaco, etc. (Wongkiew et al. 2017). A título de exemplo, Rafiee e Saad (2005) observam que 24% do ferro, 86% do manganês, 47% do zinco, 22% do cobre, 16% do cálcio, 89% do magnésio, 6% do nitrogênio, 6% do potássio e 18% do fósforo contido na ração dos peixes estavam contidos nas lamas. O lodo pode conter até 40% dos nutrientes presentes na alimentação (Yogev et al. 2016).

   A desnitrificação pode levar a uma perda de 25 a 60% do azoto (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). A desnitrificação também está ligada a condições anóxicas (Madigan e Martinko 2007; van Lier et al. 2008) e baixos níveis de carbono e é responsável pela transformação do nitrato em nitrito, óxido nítrico (NO), óxido nitroso (NSub2/Subo) e, eventualmente, gás nitrogenado (NSub2/sub) com fluxos para a atmosfera (ibid. ). A desnitrificação é conduzida por várias bactérias heterotróficas facultativas, tais como Achromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus e Micrococcus sp. (Gentile et al. 2007; Michaud et al. 2006; Wongkiew et al. 2017). Algumas bactérias podem realizar nitrificação e desnitrificação se os níveis de oxigênio dissolvido estiverem abaixo de 0,3 mg/L (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). A perda de nitrogênio também pode ocorrer por oxidação anaeróbica de amônio (ANAMMOX), ou seja, a oxidação do amônio em gás dinitrogênio na presença de nitrito (Hu et al. 2011).

   Outra importante perda de nitrogênio que deve estar disponível para as plantas é o consumo do nitrogênio pelas bactérias aeróbias heterotróficas presentes nos sistemas aquapônicos. De fato, o nitrogênio usado por essas bactérias é perdido para bactérias nitrificantes, e a nitrificação é assim impedida (Blancheton et al. 2013). Estas bactérias estão particularmente presentes quando a relação C/N aumenta à medida que são mais competitivas e mais capazes de colonizar os meios do que as bactérias nitrificantes autotróficas (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).

   9.4.5 Dinâmica dos Sistemas de Balanço Nutri

   A concentração de nutrientes dos dois principais subsistemas num sistema aquapónico, isto é, os tanques de peixes (aquicultura) e a solução hidropônica, tem de ser equilibrada em função de cada uma das suas necessidades. Em sistemas aquapônicos fechados, os nutrientes são transportados de peixes para plantas mais ou menos diretamente através de filtros (geralmente um filtro de tambor ou um colono e, em seguida, um biofiltro) para nitrificação. No entanto, as necessidades de nutrientes das culturas e os nutrientes fornecidos pelo subsistema aquapónico não estão em equilíbrio. Em sistemas multi-loop e desacoplados (Cap. 8), é mais fácil fornecer condições ideais para as seções de peixes e plantas. Através da modelagem dos sistemas (Cap. 11), o tamanho ideal da área hidropônica para os tanques de peixes, biofiltros e outros equipamentos pode ser calculado (Goddek e Körner 2019). Isto é particularmente importante com os sistemas multi-loop dissociados que compreendem vários tipos de equipamentos. Por exemplo, UASB (cobertor de lodo anaeróbio ascendente) (Goddek et al. 2018) ou unidades de dessalinização (Goddek e Keesman 2018) precisam ser dimensionadas cuidadosamente conforme discutido em Cap. 8. A inadequação básica dos nutrientes fornecidos pelo ambiente dos peixes e as necessidades das culturas tem de ser corrigida e equilibrada. Para a concentração dos nutrientes, Goddek e Keesman (2018) descreveram uma unidade de dessalinização adequada (Cap. 8). Esta abordagem, no entanto, apenas resolve uma parte do problema, uma vez que o sistema perfeitamente equilibrado é impulsionado por uma taxa de evaporação não dinâmica alcançável apenas em câmaras fechadas e plantas que funcionam perfeitamente. A realidade, no entanto, é que a evapotranspiração da cultura (ETSubc/Sub) em sistemas aquapônicos baseados em estufa é altamente dependente de múltiplos fatores, como clima físico e variáveis biológicas. O ETsubc/sub é calculado por área da superfície do solo coberta pela cultura e é calculado para diferentes níveis no dossel (z), integrando fluxos líquidos irradiativos, resistência da camada limite, resistência aos estomatos e déficitsub da pressão de vapor, /sub no dossel (Körner et al. 2007) utilizando o Equação de Monteith. Esta equação, no entanto, apenas calcula o fluxo de água através da cultura. A absorção de nutrientes pode ser calculada simplesmente assumindo que todos os nutrientes diluídos na água são absorvidos pela cultura. Na realidade, porém, a absorção de nutrientes é uma questão altamente complicada. Diferentes nutrientes têm estados diferentes, mudando com parâmetros como o pH. Enquanto isso, a disponibilidade de nutrientes para as plantas depende fortemente do pH e das relações dos nutrientes entre si (por exemplo, disponibilidade de K/Ca). Além disso, o microbioma na zona radicular desempenha um papel importante (Orozco-Mesquita et al. 2018) que ainda não está implementado em modelos, embora alguns modelos diferenciem entre vias de phloema e xilema. Assim, a grande quantidade de nutrientes não é modelada em detalhes para balanceamento de nutrientes aquapônicos e dimensionamento de sistemas. A forma mais fácil de estimar a absorção de nutrientes é o pressuposto de que os nutrientes são absorvidos/absorvidos como dissolvidos na água de irrigação e aplicam-se à abordagem de cálculo ETsubc/sub explicada acima e assumindo que não existem resistências químicas, biológicas ou físicas específicas de elementos. Consequentemente, para manter o equilíbrio, todos os nutrientes absorvidos pela cultura como contidos na solução nutritiva precisam ser adicionados de volta ao sistema hidropônico.

5. 9.5 Conclusões

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

   9.5.1 Desvantagens atuais da ciclagem de nutrientes em Aquaponics

   Na hidroponia, a solução nutritiva é determinada com precisão e a entrada de nutrientes no sistema é bem compreendida e controlada. Isso torna relativamente fácil adaptar a solução nutritiva para cada espécie vegetal e para cada estágio de crescimento. Na aquaponia, de acordo com a definição (Palm et al. 2018), os nutrientes têm de se originar pelo menos 50% de alimentos para peixes não consumidos, fezes sólidas de peixe e excreções solúveis em peixes, dificultando assim a monitorização das concentrações de nutrientes disponíveis para a captação das plantas. Uma segunda desvantagem é a perda de nutrientes através de várias vias, tais como remoção de lodo, renovação de água ou desnitrificação. A remoção de lodo induz uma perda de nutrientes, uma vez que vários nutrientes essenciais, como o fósforo, frequentemente precipitam e são então presos no lodo sólido evacuado. A renovação da água, que deve ocorrer mesmo em pequenas proporções, também contribui para a perda de nutrientes do circuito aquapônico. Finalmente, a desnitrificação ocorre devido à presença de bactérias desnitrificantes e condições favoráveis aos seus metabolismos.

   9.5.2 Como melhorar a ciclagem de nutrientes?

   Para concluir, a ciclagem de nutrientes ainda precisa ser melhorada, a fim de otimizar o crescimento da planta na aquapônica. Diversas opções são, portanto, exploradas atualmente em Chap. 8. Para evitar a perda de nutrientes capturados nas lamas, foram desenvolvidas unidades de remineralização de lamas (Cap. 10). O objetivo dessas unidades é extrair os nutrientes capturados em forma sólida no lodo e reinjetá-los no sistema sob uma forma que as plantas possam absorver (Delaide 2017). Uma outra técnica para reduzir a perda de nutrientes seria promover a absorção das plantas através da concentração da solução aquapônica (isto é, a remoção de uma fração da água para manter a mesma quantidade de nutrientes, mas em um menor volume de água). Essa concentração poderia ser alcançada através da adição de uma unidade de dessalinização como parte do sistema aquapônico (Goddek e Körner 2019; Goddek e Keesman 2018). Finalmente, o uso de sistemas dissociados/multi-loop permite condições ideais de vida e crescimento para todos os peixes, plantas e microrganismos. Embora algumas pesquisas tenham sido realizadas neste campo, mais pesquisas devem ser conduzidas para entender melhor a ciclagem de nutrientes em aquapônica. De fato, mais informações sobre os ciclos exatos de cada macronutriente (que forma, como ele pode ser transformado ou não por microrganismos, como ele é absorvido pelas plantas em aquapônica) ou a influência das espécies de plantas e peixes e dos parâmetros de água nos ciclos de nutrientes poderiam ajudar muito a compreensão de sistemas aquapônicos.