Source material

Bactérias em aquaponia

1. Bactérias heterotróficas e mineralização

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

   Há outro grupo importante de bactérias, bem como outros microrganismos, envolvidos na aquaponia. Este grupo de bactérias é geralmente chamado de grupo heterotrófico. Essas bactérias utilizam carbono orgânico como fonte de alimento, e estão envolvidas principalmente na decomposição de peixes sólidos e resíduos vegetais. A maioria dos peixes só retém 30-40 por cento da comida que comem, o que significa que 60-70 por cento do que comem é liberado como desperdício. Desses resíduos, 50-70 por cento são resíduos dissolvidos liberados como amônia. No entanto, os resíduos restantes são uma mistura orgânica contendo proteínas, carboidratos, gorduras, vitaminas e minerais. As bactérias heterotróficas metabolizam esses resíduos sólidos em um processo chamado mineralização, que torna os micronutrientes essenciais disponíveis para plantas em aquapônica (Figura 5.2).

   

   Estas bactérias heterotróficas, bem como alguns fungos que ocorrem naturalmente, ajudam a decompor a porção sólida dos resíduos de peixe. Ao fazê-lo, eles liberam os nutrientes bloqueados nos resíduos sólidos na água. Este processo de mineralização é essencial porque as plantas não podem absorver nutrientes em forma sólida. Os resíduos devem ser divididos em moléculas simples para serem absorvidos pelas raízes das plantas. As bactérias heterotróficas alimentam-se de qualquer forma de material orgânico, como resíduos sólidos de peixe, alimentos para peixes não consumidos, plantas moribundas, folhas de plantas moribundas e até bactérias mortas. Existem muitas fontes de alimentos disponíveis para essas bactérias em unidades aquapônicas.

   As bactérias heterotróficas requerem condições de crescimento semelhantes às bactérias nitrificantes, especialmente em altos níveis de OD. As bactérias heterotróficas colonizam todos os componentes da unidade, mas são especialmente concentradas onde os resíduos sólidos se acumulam. As bactérias heterotróficas crescem muito mais rápido do que as bactérias nitrificantes, reproduzindo-se em horas e não em dias. Nos leitos de mídia, os resíduos se acumulam na zona inferior, permanentemente úmida e muitas bactérias heterotróficas são encontradas aqui. Em outros sistemas, as principais colônias são encontradas nos filtros e separadores, e nos canais. A mineralização é importante na aquapônica porque libera vários micronutrientes que são necessários para o crescimento das plantas. Sem mineralização, algumas plantas podem apresentar deficiências de nutrientes e precisariam de fertilizante suplementar.

   As bactérias heterotróficas são auxiliadas na decomposição de resíduos sólidos por uma comunidade de outros organismos. Muitas vezes, minhocas, isópodes, anfípodos, larvas e outros animais pequenos podem ser encontrados em sistemas aquapônicos, especialmente em camas de mídia. Estes organismos trabalham em conjunto com as bactérias para decompor os resíduos sólidos, e ter esta comunidade pode evitar a acumulação de sólidos.

   *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. Bactérias nitrificantes e biofiltro

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

   O Capítulo 2 discutiu o papel vital das bactérias nitrificantes no que diz respeito ao processo aquaponico global. As bactérias nitrificantes convertem os resíduos de peixes, que entram no sistema principalmente como amônia, em nitrato, que é fertilizante para as plantas (Figura 5.1). Este é um processo de duas etapas, e dois grupos separados de bactérias nitrificantes estão envolvidos. O primeiro passo é converter amônia em nitrito, o que é feito pela bactéria oxidante de amônia (AOB). Essas bactérias são frequentemente referidas pelo nome do gênero do grupo mais comum, o Nitrosomonas. O segundo passo é converter nitrito em nitrato é feito pela bactéria oxidante de nitrito (NOB). Estes são comumente referidos pelo nome do gênero do grupo mais comum, o Nitrobacter. Existem muitas espécies dentro desses grupos, mas para os fins desta publicação, as diferenças individuais não são importantes, e é mais útil considerar o grupo como um todo. O processo de nitrificação ocorre da seguinte forma:

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

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

   

   A nitrificação e, portanto, uma colônia bacteriana saudável é essencial para um sistema aquapônico funcional. As bactérias nitrificantes são relativamente lentas para reproduzir e estabelecer colônias, exigindo dias e, por vezes, semanas, e, portanto, a paciência do agricultor é um dos parâmetros de manejo mais importantes ao estabelecer um novo sistema aquapônico. Muitos aquários e sistemas aquapônicos falharam porque muitos peixes foram adicionados antes da colônia de bactérias ser totalmente desenvolvida. Existem vários outros parâmetros-chave para apoiar bactérias nitrificantes. Geralmente, as bactérias requerem um local grande e escuro para colonizar com boa qualidade da água, alimentos adequados e oxigênio. Muitas vezes, as bactérias nitrificantes formam uma matriz viscosa, marrom claro ou bege no biofiltro, e têm um odor distinto que é difícil de descrever, mas não tem cheiro particularmente sujo, o que pode indicar outros microrganismos.

   Área de superfície alta

   O material de biofiltração com alta área de superfície específica (SSA) é ideal para desenvolver extensas colônias de bactérias nitrificantes. SSA é uma relação que define a superfície exposta a partir de um determinado volume de meios e é expressa em metros quadrados por metros cúbicos (m2/m3). Em geral, quanto menores e mais porosas as partículas do meio, maior é a superfície disponível para a colonização das bactérias. Isso resulta em uma biofiltração mais eficiente. Existem muitos desses materiais usados na aquapônica, seja como meio de cultivo ou para biofiltração, por exemplo, cascalho vulcânico, argila expandida, bolas de biofiltro de plástico comercial e raízes de plantas. O tufo vulcânico e Bioballs® considerados neste manual têm, respectivamente, 300 m2/m3e 600 m 2/m3, o que é um SSA adequado para permitir que as bactérias prosperem. Outras características e SSA dos diferentes meios utilizados na aquapônica são resumidas no quadro 4.1 e no apêndice 4. Se o material do biofiltro não for ideal e tiver uma relação área de superfície mais baixa para volume, o biofiltro deve ser maior. Um biofiltro de grandes dimensões não pode prejudicar um sistema aquapônico e, embora biofiltros excessivamente grandes adicionem despesas desnecessárias, o excesso de capacidade de biofiltração salvou muitos sistemas do colapso.

   pH da água

   As bactérias nitrificantes funcionam adequadamente através de uma faixa de pH de 6-8,5. Geralmente, essas bactérias funcionam melhor com pH maior, com o grupo Nitrosomonas preferindo um pH de 7,2-7,8, e o grupo Nitrobacter preferindo um pH de 7,2-8,2. No entanto, o pH alvo para a aquapônica é 6-7, o que é um compromisso entre todos os organismos dentro deste ecossistema. As bactérias nitrificantes funcionam adequadamente dentro desta faixa, e qualquer diminuição na atividade bacteriana pode ser compensada com um biofiltro maior.

   Temperatura da água

   A faixa de temperatura ideal para bactérias nitrificantes é de 17-34 °C. Essa faixa estimula o crescimento e a produtividade. Se a temperatura da água cair abaixo dessa faixa, a produtividade das bactérias tenderá a diminuir. Em particular, o grupo Nitrobacter é menos tolerante à temperatura mais baixa do que o grupo Nitrosomonas e, como tal, durante os períodos mais frios, o nitrito deve ser cuidadosamente monitorizado para evitar acumulações nocivas.

   Oxigênio dissolvido

   As bactérias nitrificantes precisam de níveis adequados de OD na água em todos os momentos para crescer de forma saudável e manter altos níveis de produtividade. A nitrificação é uma reação de redução/oxidação (redox), onde as bactérias derivam a energia para viver quando o oxigênio é combinado com o nitrogênio. Os níveis óptimos de OD são 4-8 mg/l, o que é também o nível exigido para os peixes e as plantas. A nitrificação não ocorre se a concentração de OD descer abaixo de 2 mg/l. Assegurar a biofiltração adequada dedicando arejamento ao biofiltro, seja através de ciclos de inundação e drenagem em leitos de mídia, pedras de ar em biofiltros externos ou linhas de retorno de água em cascata para os canais e tanques de reservatório.

   Luz UV

   As bactérias nitrificantes são fotossensíveis até estabelecerem completamente uma colônia, e a luz solar pode causar danos consideráveis ao biofiltro. Os leitos de mídia já protegem as bactérias da luz solar; mas se estiver usando um biofiltro externo, certifique-se de mantê-lo sombreado da luz solar direta.

   Monitorização da actividade bacteriana

   Se todos esses cinco parâmetros forem respeitados, é seguro assumir que as bactérias estão presentes e funcionando corretamente. Dito isto, as bactérias são tão importantes para a aquapônica que vale a pena conhecer a saúde geral das bactérias a qualquer momento. No entanto, as bactérias são organismos microscópicos, e é impossível vê-los sem um microscópio. Existe um método simples para monitorar a função bacteriana; o teste de amônia, nitrito e nitrato fornece informações sobre a saúde da colônia bacteriana. O amoníaco e o nitrito devem ser sempre 0-1 mg/l numa unidade aquapónica funcional e equilibrada. Se algum deles for detectável, indica um problema com as bactérias nitrificantes. Existem duas razões possíveis e comuns para que isso ocorra. Primeiro, o biofiltro é muito pequeno para a quantidade de peixes e alimentos para peixes. Portanto, há um desequilíbrio e há muitos peixes. Para rectificar, aumente o tamanho do biofiltro ou reduza o número de peixes, ou o regime de alimentação dos peixes. Às vezes, este problema pode ocorrer quando o sistema começou equilibrado quando os peixes eram menores, mas gradualmente tornou-se desequilibrado à medida que os peixes cresciam e foram alimentados mais com o mesmo biofiltro tamanho. Em segundo lugar, se o sistema estiver equilibrado em tamanho, as próprias bactérias podem não estar funcionando corretamente. Isso pode indicar um problema com a qualidade da água, e cada parâmetro listado acima deve ser verificado. Muitas vezes, isso pode ocorrer durante as estações de inverno à medida que a temperatura da água começa a cair e a atividade bacteriana diminui.

   *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. Ciclismo do sistema e início de uma colônia de biofiltro

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

   Ciclismo de sistema é um termo que descreve o processo inicial de construção de uma colônia bacteriana ao iniciar pela primeira vez qualquer RAS, incluindo uma unidade aquapônica. Em circunstâncias normais, isso leva 3-5 semanas; o ciclismo é um processo lento que requer paciência. No geral, o processo envolve constantemente a introdução de uma fonte de amônia na unidade aquapônica, a alimentação da nova colônia bacteriana e a criação de um biofiltro. O progresso é medido através da monitorização dos níveis de azoto. Geralmente, o ciclismo ocorre uma vez que um sistema aquapônico é construído, mas é possível dar ao biofiltro uma vantagem ao criar um novo sistema aquapônico. É importante compreender que durante o processo de ciclismo haverá altos níveis de amoníaco e nitrito, o que pode ser prejudicial para os peixes. Além disso, certifique-se de que todos os componentes aquapônicos, em particular o biofiltro e o tanque de peixes, estão protegidos da luz solar direta antes de iniciar o processo.

   Uma vez introduzida na unidade, a amônia torna-se uma fonte de alimento inicial para o AOB, alguns dos quais ocorrem naturalmente e recrutam para o sistema por conta própria. Eles podem ser encontrados em terra, na água e no ar. Dentro de 5-7 dias após a primeira adição de amônia, o AOB começa a formar uma colônia e começa a oxidar a amônia em nitrito. O amoníaco deve ser adicionado continuamente, mas cautelosamente, para garantir alimentos adequados para a colônia em desenvolvimento sem se tornar tóxico. Depois de mais 5-7 dias, os níveis de nitrito na água terão começado a subir, o que, por sua vez, atrai o NOB. À medida que as populações de NOB aumentam, os níveis de nitrito na água começarão a diminuir à medida que o nitrito é oxidado em nitrato. O processo completo é ilustrado na Figura 5.3, que mostra as tendências de amônia, nitrito e nitrato na água durante os primeiros 20-25 dias de ciclismo.

   

   O fim do processo de ciclismo é definido como quando o teor de nitratos está a aumentar constantemente, o nível de nitrito é de 0 mg/l e o teor de amoníaco é inferior a 1 mg/l. Em boas condições, isso leva cerca de 25 a 40 dias, mas se a temperatura da água estiver fria, o ciclo completo pode levar até dois meses para terminar. Neste ponto, uma colônia bacteriana suficiente se formou e está convertendo ativamente a amônia em nitrato. A razão pela qual este processo é longo é porque as bactérias nitrificantes crescem relativamente lentamente, exigindo 10-15 horas para dobrar na população. No entanto, algumas bactérias heterotróficas podem dobrar em apenas 20 minutos.

   Os varejistas de aquicultura ou aquicultura vendem vários produtos contendo bactérias nitrificantes vivas (em uma garrafa). Uma vez adicionados à unidade, eles imediatamente colonizam um sistema evitando assim o processo de ciclismo explicado acima. No entanto, esses produtos podem ser caros ou indisponíveis e, em última análise, desnecessários, uma vez que o processo de ciclismo pode ser alcançado usando meios orgânicos. Alternativamente, se outro sistema aquapônico estiver disponível, é extremamente útil compartilhar parte do biofiltro como uma semente de bactérias para o novo sistema. Isso diminui muito o tempo necessário para pedalar o sistema. Também pode ser útil iniciar separadamente um meio de biofiltro através do escoamento contínuo de uma solução contendo 2-3 mg/l de amônia durante algumas semanas de antecedência. A mídia funcionaria então como um primer simplesmente incorporando-o no novo biofiltro aquapônico. Um sistema de gotejamento simples pode ser construído suspendendo uma caixa de plástico larga de meio acima de um pequeno tanque contendo a solução de amônia que está sendo circulada por uma pequena bomba de aquário.

   Muitas pessoas usam peixes como fonte original de amônia em um novo tanque. No entanto, estes peixes sofrem os efeitos de amoníaco elevado e nitrito elevado durante todo o processo de ciclismo. Muitos novos aquaristas não têm paciência para permitir que um tanque circule completamente e o resultado é que o novo peixe morre, comumente referido como “síndrome do novo tanque”. Se estiver usando peixe, recomenda-se a utilização de uma densidade de estoque muito baixa (≤ 1 kg/m3). Em vez de usar peixes, existem outras fontes desta amônia inicial para começar a alimentar a colônia de biofiltro. Algumas fontes possíveis incluem alimentos para peixes, resíduos animais esterilizados, fertilizante de nitrato de amônio e amônia pura. Cada uma dessas fontes tem positivos e negativos, e algumas fontes são muito melhores e mais seguras de usar do que outras.

   

   A melhor fonte de amônia é a comida de peixe finamente moída porque é um produto biologicamente seguro, e é relativamente fácil controlar a quantidade de amônia que está sendo adicionada (Figura 5.4). Certifique-se de usar apenas alimentos para peixes frescos, intocados e livres de doenças. O desperdício de frango, apesar de ser uma excelente fonte de amônia, pode ser muito arriscado e pode introduzir bactérias perigosas no sistema aquapônico (Figura 5.5). Escherichia coli e Salmonella spp. são comumente encontrados em frangos e outros estrume animal e, portanto, qualquer estrume deve ser esterilizado antes do uso. Produtos domésticos de amônia podem ser usados, mas certifique-se de que o produto é 100% de amônia e não inclui outros ingredientes, como detergentes, corantes ou metais pesados, que podem arruinar todo o sistema. Uma vez selecionada a fonte de amônia, é importante adicionar a amônia de forma lenta e consistente e monitorar os níveis de nitrogênio a cada 2-3 dias (Figura 5.6). É útil registrar níveis em um gráfico para acompanhar o processo de ciclismo. É importante não adicionar muita amônia, e é melhor ter um pouco demais do que demais. O nível alvo é 1-2 mg/l. Se os níveis de amoníaco excederem os 3 mg/l, é necessário fazer uma troca de água para diluir o amoníaco, a fim de evitar que este iniba as bactérias.

   

   Adicionando peixes e plantas durante o processo de ciclismo

   Plantas e peixes devem ser adicionados somente após o ciclo estar completo. As plantas podem ser adicionadas um pouco mais cedo, mas esperam deficiências de nutrientes nessas plantas iniciais durante esse período porque outros nutrientes levam tempo para atingir concentrações ótimas (Figura 5.7).

   O diagrama não está disponível nesta cópia migrada; consulte a edição original.

   Só quando os níveis de amoníaco e de nitrito forem inferiores a 1 mg/l, é seguro começar a abastecer os peixes. Sempre comece a estocar o peixe lentamente. Uma vez que os peixes foram abastecidos, não é incomum ver um pico secundário e menor de amoníaco e nitrito. Isto acontece se o amoníaco criado a partir do peixe recém-abastecido for muito maior do que as quantidades diárias de amoníaco adicionadas durante o processo de ciclismo. Continuar a monitorizar os níveis dos três tipos de azoto e estar preparado para efectuar trocas de água se os níveis de amoníaco ou de nitrito aumentarem acima de 1 mg/l enquanto o sistema continuar a circular.

   *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. Bactérias indesejáveis

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

   Bactérias redutoras de sulfato

   As bactérias nitrificantes e mineralizantes são úteis para sistemas aquapônicos, mas alguns outros tipos de bactérias são prejudiciais. Um desses grupos nocivos de bactérias é o grupo redutor de sulfato. Estas bactérias são encontradas em condições anaeróbias (sem oxigênio), onde obtêm energia através de uma reação redox usando enxofre. O problema é que este processo produz sulfureto de hidrogênio (H2S), que é extremamente tóxico para os peixes. Estas bactérias são comuns, encontradas em lagos, salinas e estuários ao redor do mundo, e fazem parte do ciclo natural de enxofre. Estas bactérias são responsáveis pelo odor de ovos podres e também pela cor cinza-preta dos sedimentos. O problema na aquaponia é quando os resíduos sólidos se acumulam a um ritmo mais rápido do que as bactérias heterotróficas e a comunidade associada podem efetivamente processá-los e mineralizá-los, o que pode, por sua vez, levar a condições de purulenta anóxicas que suportam essas bactérias redutoras de sulfato. Em sistemas de alta densidade de peixes, os peixes produzem tantos resíduos sólidos que os filtros mecânicos não podem ser limpos com rapidez suficiente, o que incentiva essas bactérias a se multiplicarem e produzirem seus metabolitos nocivos. Grandes sistemas aquapônicos geralmente contêm um tanque de desgaseificação onde o sulfureto de hidrogênio pode ser liberado com segurança de volta à atmosfera. A desgaseificação é desnecessária em sistemas de pequena escala. No entanto, mesmo em sistemas de pequena escala, se um odor desagradável for detectado, reminiscente de ovos podres ou esgoto cru, é necessário tomar medidas de gestão adequadas. Essas bactérias só crescem em condições anóxicas, portanto, para evitá-las, certifique-se de fornecer arejamento adequado e aumentar a filtração mecânica para evitar o acúmulo de lodo.

   Bactérias desnitrificantes

   Um segundo grupo de bactérias indesejadas são os responsáveis pela desnitrificação. Essas bactérias também vivem em condições anaeróbias. Eles convertem nitrato, que é o fertilizante cobiçado para plantas, de volta em nitrogênio atmosférico que não está disponível para as plantas. Essas bactérias também são comuns em todo o mundo e são importantes em seu próprio direito (ver Figura 2.4). No entanto, dentro de sistemas aquapônicos, essas bactérias podem diminuir a eficiência removendo eficazmente o fertilizante nitrogenado. Este é muitas vezes um problema com grandes camas DWC que são inadequadamente oxigenadas. Pode suspeitar-se de um problema quando as plantas apresentam sinais de deficiências de azoto, apesar do sistema estar em equilíbrio e quando há uma concentração muito baixa de nitratos na água. Investigue possíveis áreas dentro dos canais DWC que não estão circulando corretamente, e aumente ainda mais a aeração com pedras de ar.

   Alguns grandes sistemas aquapônicos usam deliberadamente a desnitrificação. A taxa de alimentação equilibra os nutrientes das plantas, mas geralmente resulta em níveis elevados de nitratos. Este nitrato pode ser diluído durante as trocas de água (sugerido nesta publicação para sistemas de pequena escala). Alternativamente, a desnitrificação controlada pode ser incentivada no filtro mecânico. Esta técnica requer atenção cuidadosa e desgaseificação, e não é recomendada para sistemas pequenos. Mais informações podem ser encontradas na seção de Leitura Adicional.

   Bactérias patogênicas

   Um grupo final de bactérias indesejadas são aquelas que causam doenças em plantas, peixes e seres humanos. Essas doenças são tratadas separadamente em outras partes desta publicação, com os capítulos 6 e 7 discutindo a doença das plantas e dos peixes, respectivamente, e a seção 8.6 discutindo a segurança humana. No geral, é importante que existam boas práticas agrícolas (GAPs) que atenuem e minimizem o risco de doenças bacterianas em sistemas aquapônicos. Impedir que os agentes patogênicos entrem no sistema: assegurando uma boa higiene dos trabalhadores; impedindo que os roedores defecem no sistema; mantendo mamíferos selvagens (e cães e gatos) longe dos sistemas aquapônicos; evitando o uso de água contaminada; e sabendo que qualquer alimento vivo pode ser um vetor para a introdução de alienígenas microrganismos no sistema. É especialmente importante não usar a coleta de água da chuva de telhados com fezes de aves, a menos que a água seja tratada primeiro. O maior risco dos animais de sangue quente é a introdução de Escherichia coli, e as aves muitas vezes carregam Salmonella spp.; bactérias perigosas podem entrar no sistema com fezes animais. Em segundo lugar, após a prevenção, nunca deixe a água aquapônica entrar em contato com as folhas das plantas. Isso evita muitas doenças das plantas, bem como a contaminação potencial da água dos peixes para os produtos humanos, especialmente se o produto for consumido cru. Sempre lave os vegetais antes do consumo, aquapônico ou de outra forma. Geralmente, o senso comum e a limpeza são os melhores protetores contra doenças da aquapônica. Fontes adicionais para a segurança alimentar aquapônica são fornecidas ao longo desta publicação e na seção “Leitura adicional”.

   *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. *