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Compreendendo a aquaponia

1. Equilibrar o ecossistema aquapônico

   Original publication 2014 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   O termo “equilíbrio” é utilizado para descrever todas as medidas que um agricultor aquapónico toma para garantir que o ecossistema de peixes, plantas e bactérias se encontra num equilíbrio dinâmico. Não pode ser exagerado que a aquapônica bem sucedida é principalmente sobre a manutenção de um ecossistema equilibrado. Simplificando, isso significa que há um equilíbrio entre a quantidade de peixe, a quantidade de plantas e o tamanho do biofiltro, o que realmente significa a quantidade de bactérias. Existem razões experimentalmente determinadas entre o tamanho do biofiltro, a densidade de plantio e a densidade do estoque de peixes para a aquapônica. É imprudente, e muito difícil, operar para além destas relações óptimas sem arriscar consequências desastrosas para o ecossistema aquapónico global. Os praticantes aquapônicos avançados são convidados a experimentar e ajustar essas proporções, mas é recomendável iniciar a aquapônica seguindo essas proporções. Esta seção fornece uma breve, mas essencial, introdução ao balanceamento de um sistema. As dimensões dos biofiltros e as densidades de estocagem são cobertas em profundidade muito maior no Capítulo 8.

   Balanço de nitratos

   O equilíbrio em um sistema aquapônico pode ser comparado com uma balança de equilíbrio onde peixes e plantas são os pesos em pé em braços opostos. Os braços do equilíbrio são feitos de bactérias nitrificantes. Assim, é fundamental que a biofiltração seja robusta o suficiente para suportar os outros dois componentes. Isso corresponde à espessura da alavanca na figura 2.10. Note que os braços não eram fortes o suficiente para suportar a quantidade de resíduos de peixe e que o braço quebrou. Isto significa que a biofiltração foi insuficiente.

   Se a biomassa dos peixes e o tamanho do biofiltro estiverem em equilíbrio, a unidade aquapônica processará adequadamente o amoníaco em nitrato. No entanto, se o componente da planta estiver subdimensionado, o sistema começará a acumular nutrientes (Figura 2.11). Em termos práticos, concentrações mais elevadas de nutrientes não são prejudiciais para peixes nem plantas, mas são uma indicação de que o sistema está com um desempenho insuficiente no lado da planta.

   Um erro comum de gestão é quando são utilizadas demasiadas plantas e muito poucos peixes, como se vê no terceiro cenário apresentado na figura 2.12. Neste caso, a amônia é processada por bactérias nitrificantes, mas a quantidade de nitrato resultante e outros nutrientes é insuficiente para cobrir as necessidades das plantas. Esta condição eventualmente leva a uma redução progressiva nas concentrações de nutrientes e, consequentemente, nos rendimentos das plantas.

   

   

   A principal lição de ambos os exemplos é que alcançar a produção máxima a partir da aquapônica requer a manutenção de um equilíbrio adequado entre resíduos de peixes e demanda de nutrientes vegetais, garantindo ao mesmo tempo uma superfície adequada para cultivar uma colônia bacteriana, a fim de converter todos os resíduos de peixes. Este cenário equilibrado é apresentado na figura 2.13. Este equilíbrio entre peixes e plantas é também referido como a relação biomassa. As unidades aquapônicas bem-sucedidas possuem uma biomassa adequada dos peixes em relação ao número de plantas, ou, mais precisamente, a relação entre a alimentação dos peixes e a procura de nutrientes das plantas é equilibrada. Embora seja importante seguir as razões sugeridas para uma boa produção de alimentos aquapônicos, há uma ampla gama de razões viáveis, e os agricultores aquapônicos experientes perceberão como a aquapônica se torna um sistema de auto-regulação. Além disso, o sistema aquapônico fornece a um agricultor atento sinais de alerta à medida que o sistema começa a escorregar fora de equilíbrio, sob a forma de métricas de qualidade da água e da saúde dos peixes e plantas, todos os quais são discutidos em detalhes ao longo desta publicação.

   Relação da taxa de alimentação

   Muitas variáveis são consideradas ao equilibrar um sistema (ver Caixa 2), mas uma pesquisa extensa simplificou o método de equilibrar uma unidade em relação a uma única razão denominada “rácio da taxa de alimentação”. A razão da taxa de alimentação é uma soma das três variáveis mais importantes, que são: a quantidade diária de alimentos para peixes em gramas por dia, o tipo de planta (vegetativo vs. frutificação) e o espaço de cultivo da planta em metros quadrados. Esta proporção sugere a quantidade

   de ração diária de peixes para cada metro quadrado de espaço de crescimento. É mais útil equilibrar um sistema sobre a quantidade de alimento que entra no sistema do que calcular directamente a quantidade de peixe. Usando a quantidade de alimento, é então possível calcular quantos peixes com base no seu consumo diário médio.

   Os rácios da taxa alimentar proporcionarão um ecossistema equilibrado para os peixes, as plantas e as bactérias, desde que haja uma biofiltração adequada. Use essa proporção ao projetar um sistema aquapônico. É importante notar que a razão da taxa de avanço é apenas um guia para equilibrar uma unidade aquapônica, pois outras variáveis podem ter impactos maiores em diferentes estágios da estação, como mudanças sazonais na temperatura da água. A maior taxa de alimentação para frutificação de hortaliças é responsável pela maior quantidade de nutrientes necessários para que essas plantas produzam flores e frutas em comparação com vegetais verdes de folhas.

   Juntamente com a taxa de alimentação, existem dois outros métodos simples e complementares para garantir um sistema equilibrado: verificação de saúde e teste de nitrogênio.

   Verificação de saúde de peixes e plantas

   Peixes ou plantas não saudáveis são muitas vezes um aviso de que o sistema está fora de equilíbrio. Os sintomas de deficiências nas plantas geralmente indicam que não estão sendo produzidos nutrientes suficientes provenientes de resíduos de peixes. As deficiências de nutrientes geralmente se manifestam como crescimento fraco, folhas amarelas e desenvolvimento pobre das raízes, todos os quais são discutidos no Capítulo 6. Neste caso, a densidade do estoque de peixe, a alimentação (se consumida por peixe) e o biofiltro podem ser aumentados, ou as plantas podem ser removidas. Da mesma forma, se os peixes apresentarem sinais de estresse, como ofegante na superfície, esfregando nas laterais do tanque ou mostrando áreas vermelhas ao redor das barbatanas, olhos e brânquias, ou em casos extremos morrendo, isso é muitas vezes devido ao acúmulo de níveis tóxicos de amoníaco ou nitrito. Isso geralmente acontece quando há muito desperdício dissolvido para o componente de biofiltro processar. Qualquer um desses sintomas nos peixes ou plantas indica que o agricultor precisa investigar ativamente e corrigir a causa.

   Teste de nitrogênio

   Este método envolve testar os níveis de azoto na água utilizando kits de ensaio de água simples e baratos (figura 2.14). Se o amoníaco ou o nitrito forem elevados (\ > 1 mg/l), indica que a biofiltração é inadequada e que a superfície disponível do biofiltro deve ser aumentada. A maioria dos peixes é intolerante a estes níveis por mais de alguns dias. Um nível crescente de nitrato é desejado, e implica níveis suficientes de outros nutrientes necessários para o crescimento das plantas. Os peixes podem tolerar níveis elevados de nitrato, mas se os níveis permanecerem elevados (\ > 150 mg/l) durante várias semanas, uma parte da água deve ser removida e utilizada para irrigar outras culturas.

   

   Se os teores de nitratos forem baixos (\ < 10 mg/l) durante um período de várias semanas, a ração dos peixes pode ser ligeiramente aumentada para garantir que os produtos hortícolas sejam suficientes. No entanto, nunca deixe alimentos para peixes não consumidos no tanque de aquicultura, pelo que pode ser necessário aumentar a densidade do peixe. Alternativamente, as plantas podem ser removidas para que haja nutrientes suficientes para aqueles que permanecem. Vale a pena e recomenda-se testar os níveis de nitrogênio todas as semanas para garantir que o sistema esteja devidamente equilibrado. Além disso, os níveis de nitrato são um indicador do nível de outros nutrientes na água.

   Mais uma vez, todos os cálculos e rácios acima mencionados, incluindo a densidade do efectivo de peixes, a capacidade de plantação e a dimensão dos biofiltros, são explicados em muito maior profundidade nos capítulos seguintes (especialmente no capítulo 8). O objetivo desta seção foi fornecer uma compreensão de como é vital equilibrar o ecossistema dentro da aquapônica e destacar os métodos e estratégias simples para fazê-lo.

   *Fonte: Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, produção aquapônica de alimentos, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduzido com permissão. *

2. Componentes biológicos importantes da aquapônica

   Original publication 2014 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Como descrito no Capítulo 1, a aquapônica é uma forma de agricultura integrada que combina duas técnicas principais, a aquicultura e a hidroponia. Em uma unidade de recirculação contínua, a água de cultura sai do tanque de peixes contendo os resíduos metabólicos dos peixes. A água passa primeiro por um filtro mecânico que captura resíduos sólidos e, em seguida, passa por um biofiltro que oxida amônia em nitrato. A água então viaja através de leitos de plantas onde as plantas absorvem os nutrientes e, finalmente, a água retorna, purificada, para o tanque de peixes (Figura 2.1). O biofiltro fornece um habitat para que as bactérias convertam resíduos de peixes em nutrientes acessíveis para as plantas. Estes nutrientes, que são dissolvidos na água, são então absorvidos pelas plantas. Este processo de remoção de nutrientes limpa a água, impedindo que a água se torne tóxica com formas nocivas de nitrogênio (amônia e nitrito), e permite que os peixes, plantas e bactérias prosperem simbioticamente. Assim, todos os organismos trabalham juntos para criar um ambiente de crescimento saudável para o outro, desde que o sistema esteja devidamente equilibrado.

   

   O ciclo do nitrogênio

   O processo biológico mais importante na aquapônica é o processo de nitrificação, que é um componente essencial do ciclo geral do nitrogênio visto na natureza. O nitrogênio (N) é um elemento químico e um bloco de construção essencial para todas as formas de vida. Está presente em todos os aminoácidos, que compõem todas as proteínas que são essenciais para muitos

   

   Processos biológicos para animais, tais como a regulação enzimática, a sinalização celular e a construção de estruturas. O nitrogênio é o nutriente inorgânico mais importante para todas as plantas. O nitrogênio, em forma de gás, é na verdade o elemento mais abundante presente na atmosfera terrestre, representando cerca de 78 por cento, com oxigênio apenas representando 21 por cento. No entanto, apesar de o nitrogênio ser tão abundante, ele só está presente na atmosfera como nitrogênio molecular (N2), que é uma ligação tripla muito estável de átomos de nitrogênio e é inacessível às plantas. Por conseguinte, o azoto na sua forma N2 tem de ser alterado antes que as plantas o utilizem para o crescimento. Este processo é chamado de fixação de nitrogênio. Faz parte do ciclo do azoto (figura 2.2), observado em toda a natureza (figura 2.3). A fixação de nitrogênio é facilitada por bactérias que alteram quimicamente o N2 , adicionando outros elementos como hidrogênio ou oxigênio, criando assim novos compostos químicos, como amônia (NH3 ) e nitrato (NO3 -) que as plantas podem facilmente usar. Além disso, o nitrogênio atmosférico pode ser fixado através de um processo de fabricação intensiva de energia conhecido como o Processo Haber, usado para produzir fertilizantes sintéticos.

   O animal representado na Figura 2.3 produz resíduos (fezes e urina) que são em grande parte feitos de amônia (NH3). Outras matérias orgânicas em decomposição encontradas na natureza, como plantas mortas ou animais, são divididas por fungos e diferentes grupos de bactérias em amoníaco. Esta amônia é metabolizada por um grupo específico de bactérias, o que é muito importante para a aquapônica, chamada de bactérias nitrificantes. Estas bactérias primeiro convertem o amoníaco em compostos nitritos (NO2-) e, finalmente, em compostos nitratos (NO3-). As plantas são capazes de usar amônia e nitratos para realizar seus processos de crescimento, mas os nitratos são mais facilmente assimilados por suas raízes.

   

   

   As bactérias nitrificantes, que vivem em diversos ambientes, como solo, areia, água e ar, são um componente essencial do processo de nitrificação que converte resíduos vegetais e animais em nutrientes acessíveis para as plantas. A figura 2.4 mostra o mesmo processo que o ilustrado na Figura 2.3, mas inclui um fluxograma mais complexo que mostra todas as etapas do ciclo do azoto.

   

   Este processo natural de nitrificação por bactérias que acontece no solo também ocorre na água da mesma maneira. Para a aquapônica, os resíduos animais são as excretas de peixe liberadas nos tanques de cultura. As mesmas bactérias nitrificantes que vivem em terra também se estabelecerão naturalmente na água ou em cada superfície húmida, convertendo amônia de resíduos de peixe em nitrato facilmente assimilado para uso das plantas. A nitrificação em sistemas aquapônicos fornece nutrientes para as plantas e elimina o amoníaco e o nitrito que são tóxicos (Figura 2.5).

   *Fonte: Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, produção aquapônica de alimentos, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduzido com permissão. *

3. Manter uma colônia bacteriana saudável

   Original publication 2014 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   Os principais parâmetros que afetam o crescimento de bactérias que devem ser considerados na manutenção de um biofiltro saudável são a área de superfície adequada e as condições adequadas da água.

   Área de superfície

   As colônias bacterianas prosperarão em qualquer material, como raízes de plantas, ao longo das paredes do aquário e dentro de cada tubo de cultivo. A área total disponível para essas bactérias determinará a quantidade de amônia que eles são capazes de metabolizar. Dependendo da biomassa dos peixes e do projeto do sistema, as raízes das plantas e as paredes dos tanques podem fornecer uma área adequada. Sistemas com alta densidade de estoque de peixe exigem um componente de biofiltração separado onde um material com uma área de superfície alta está contido, como meio de cultivo inerte - cascalho, tufo ou argila expandida (Figura 2.7).

   

   pH da água

   O pH é o quão ácida ou básica a água é. O nível de pH da água tem um impacto na atividade biológica das bactérias nitrificantes e sua capacidade de converter amônia e nitrito (Figura 2.8). Os intervalos para os dois grupos nitrificantes abaixo foram identificados como ideais, mas a literatura sobre o crescimento de bactérias também sugere uma faixa de tolerância muito maior (6-8.5) devido à capacidade das bactérias de se adaptarem ao seu entorno.

   | Bactéria nitrificante | pH óptimo | | — | — | | Nitrosomonas spp. | 7.2-7.8 | | Nitrobacas spp. | 7.2-8.2 |

   No entanto, para a aquapônica, uma faixa de pH mais adequada é 6-7, porque essa faixa é melhor para as plantas e peixes (o Capítulo 3 discute o compromisso sobre os parâmetros de qualidade da água). Além disso, uma perda de eficiência bacteriana pode ser compensada por ter mais bactérias, portanto, os biofiltros devem ser dimensionados de acordo.

   

   Temperatura da água

   A temperatura da água é um parâmetro importante para as bactérias e para a aquapônica em geral. A faixa de temperatura ideal para crescimento e produtividade de bactérias é de 17 a 34 °C. Se a temperatura da água cair abaixo de 17 °C, a produtividade das bactérias diminuirá. Abaixo de 10 °C, a produtividade pode ser reduzida em 50% ou mais. As baixas temperaturas têm impactos importantes no gerenciamento da unidade durante o inverno (ver Capítulo 8).

   Oxigênio dissolvido

   As bactérias nitrificantes precisam de um nível adequado de oxigênio dissolvido (OD) na água em todos os momentos, a fim de manter altos níveis de produtividade.

   A nitrificação é uma reação oxidativa, onde o oxigênio é usado como um reagente; sem oxigênio, a reação pára. Os níveis óptimos de OD são de 4 -8 mg/l. A nitrificação diminuirá se as concentrações de OD baixarem abaixo de 2, 0 mg/ litro. Além disso, sem concentrações suficientes de OD, outro tipo de bactéria pode crescer, uma que converte os valiosos nitratos de volta em nitrogênio molecular inutilizável em um processo anaeróbio conhecido como desnitrificação.

   Luz ultravioleta

   As bactérias nitrificantes são organismos fotossensíveis, o que significa que a luz ultravioleta (UV) do sol é uma ameaça. Este é particularmente o caso durante a formação inicial das colônias de bactérias quando um novo sistema aquapônico é criado. Uma vez que as bactérias colonizaram uma superfície (3 a 5 dias), a luz UV não apresenta nenhum grande problema. Uma maneira simples de remover essa ameaça é cobrir o tanque de peixes e os componentes de filtração com material de proteção UV, garantindo que nenhuma água no componente hidropônico seja exposta ao sol, pelo menos até que as colônias de bactérias estejam totalmente formadas.

   As bactérias nitrificantes crescerão em materiais com uma área de superfície elevada (Figura 2.9), abrigados com material de proteção UV e sob condições adequadas de água (Tabela 2.1).

   

   TABELA 2.1

   Faixas de tolerância à qualidade da água para bactérias nitrificantes

   | | **Temperatura (°C) ** | pH | **Amoníaco (mg/litro) ** | **Nitrito (mg/litro) ** | **Nitrato (mg/litro) ** | **OD (mg/litro) ** | | — | — | — | — | — | — | — | | Faixa de Tolerância | 17 -34 | 6 -8,5 |\ < 3 |\ < 3 |\ < 400 | 4 -8 |

   *Fonte: Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, produção aquapônica de alimentos, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduzido com permissão. *

4. O biofiltro

   Original publication 2014 · Publicado pela primeira vez no FarmHub Learn 2020-07-06 · Food and Agriculture Organization of the United Nations

   As bactérias nitrificantes são vitais para o funcionamento geral de uma unidade aquapônica. O Capítulo 4 descreve como funciona o componente de biofiltro para cada método aquapônico, e o Capítulo 5 descreve os diferentes grupos de bactérias que operam em uma unidade aquapônica. Dois grandes grupos de bactérias nitrificantes estão envolvidos no processo de nitrificação: 1) a bactéria oxidante de amônia (AOB) e 2) a bactéria oxidante de nitrito (NOB) (Figura 2.6). Eles metabolizam a amônia na seguinte ordem:

   1. Bactérias AOB convertem amônia (NH) em nitrito (NO₂-)

   2. Bactérias NOB então convertem nitrito (NO₂-) em nitrato (NO-)

   

   Como mostrado nos símbolos químicos, o AOB oxida (adiciona oxigênio) a amônia e cria nitrito (NO₂-) e o NOB oxida ainda mais o nitrito (NO₂-) em nitrato (NO-). O gênero Nitrosomonas é o AOB mais comum em aquaponics, e o gênero Nitrobacter é o NOB mais comum; esses nomes são frequentemente utilizados de forma intercambiável na literatura e são usados ao longo desta publicação.

   Em resumo, o ecossistema dentro da unidade aquapônica é totalmente dependente da bactéria. Se as bactérias não estiverem presentes ou se não estiverem funcionando corretamente, as concentrações de amoníaco na água matarão os peixes. É vital manter e gerenciar uma colônia bacteriana saudável no sistema em todos os momentos, a fim de manter os níveis de amônia próximos de zero.

   *Fonte: Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, produção aquapônica de alimentos, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduzido com permissão. *