12.5 Aquapônica Vertical

12.5.1 Introdução

Embora a aquapônica possa ser vista como parte de uma solução global para aumentar a produção de alimentos de maneiras mais sustentáveis e produtivas e onde o cultivo de mais alimentos em áreas urbanas é agora reconhecido como parte da solução para a segurança alimentar e uma crise alimentar global (Konig et al. 2016), os sistemas aquapônicos podem tornar-se mais produtivo e sustentável, adotando tecnologias alternativas de crescimento e aprendendo com tecnologias emergentes, como a agricultura vertical e os muros vivos (Khandaker e Kotzen 2018). Além disso, por serem eficientes em termos de espaço, eles podem ser melhor integrados em áreas urbanas.

No mundo desenvolvido, a maioria dos sistemas aquapônicos são colocados em estufas para controlar a temperatura; no norte da Europa e na América do Norte, por exemplo, as temperaturas de inverno são muito frias no inverno e em áreas mediterrânicas como Espanha, Itália, Portugal, Grécia e Israel, as temperaturas de verão são muito quentes. Existem, naturalmente, muitas vantagens adicionais no cultivo de alimentos em estufas controladas, tais como a capacidade de regular a umidade relativa e controlar o movimento do ar, para quarentena peixes, bem como plantas de doenças, bem como pragas e potencialmente ser capaz de adicionar Cosub2/Sub, para ajudar o crescimento das plantas. No entanto, o cultivo de produtos em estufa pode facilmente aumentar os custos através de (a) os custos de capital da estufa (uma estimativa ampla de US\ $350/msup2/sup Arnold 2017) e (b) infraestruturas aliadas, tais como controles de microclima, que incluem sistemas de aquecimento e refrigeração e iluminação. Além dos custos iniciais da infra-estrutura, há também os custos específicos de produção com efeito de estufa, que incluem o fornecimento de energia/energia para aquecimento e arrefecimento, bem como a iluminação.

A maioria dos sistemas aquapônicos, como o sistema da Universidade da Ilha Virgin (UVI) (Fig. 12.1), projetado pelo Dr. James Rakocy e seus colegas, usam tanques ou camas horizontais, emulando padrões tradicionais de cultivo arável terrestre para produzir vegetais (Khandaker e Kotzen 2018). Em outras palavras, o sistema depende de linhas/matrizes horizontais de plantas geralmente elevadas ao nível da cintura, de modo que as tarefas de gestão relacionadas à planta possam ser prontamente realizadas. Desenvolvimentos paralelos nas tecnologias de muros vivos e agricultura vertical surgiram quase ao mesmo tempo em que a aquaponia evoluiu e estão de forma semelhante na fase adolescente de desenvolvimento. Da mesma forma que na aquaponia, à medida que mais pessoas se envolvem, há um aumento concomitante nos sistemas e no desenvolvimento tecnológico para aumentar a produtividade e reduzir os custos. O acoplamento de sistemas verticais de cultivo (sistemas de agricultura vertical e paredes vivas) em vez de camas horizontais aos tanques de peixe e de filtração é potencialmente uma das principais formas de aumentar a produtividade, uma vez que deve ser possível aumentar o número de vegetais cultivados em comparação com os números produzidos em aquapônica de leito horizontal. Os sistemas aquapônicos UVI (Fig. 12.2) produzem aproximadamente 32 plantas por metro quadrado (Al-Hafedh et al. 2008), dependendo da espécie e cultivar que é cultivada, mas como Khandaker e Kotzen (2018) observam, aproximadamente 96 plantas podem ser cultivadas por metro quadrado ‘usando elementos back-to-back da Terapia Urbana [1] Sistema LW que é mais do que três vezes a densidade

Fig. 12.2 Diagrama esquemático de um sistema UVI típico que ilustra a proporção de tanques de peixes/filtros/tanques de cultivo de plantas que é 2:1:5. Isso mostra que a maior área é subsumida pelas plantas e é nessa área que a economia de espaço pode ser considerada. (Khandaker e Kotzen 2018)

em comparação com o sistema de crescimento horizontal UVI”. Uma estimativa conservadora deve, pelo menos, duplicar a quantidade máxima cultivada em leitos horizontais para 64 plantas/msup2/sup. Em um experimento com alface (Lactuca sativa L. cv. ‘Little Gem’) usando leitos horizontais e colunas plantadas, plantadas em densidades semelhantes, Touliatos et al. (2016) sugerem que o “Sistema de Agricultura Vertical (VFS) apresenta uma alternativa atraente aos sistemas horizontais de crescimento hidropônico (e) que podem ser alcançados novos aumentos na produtividade incorporando iluminação artificial no VFS”.

**Sistemas de Agricultura Verticais (VFS) **

Antes de discutirmos os requisitos específicos para sistemas verticais, precisamos discutir os tipos de sistemas disponíveis. No VFS existem três tipos genéricos principais (Fig. 12.3):

1. Camas horizontais empilhadas: Em vez de ter apenas uma cama de crescimento horizontal, as camas são empilhadas como prateleiras em camadas. Este arranjo significa que, em uma estufa, apenas a cama superior estará voltada para a luz natural direta e luz suplementar precisa ser fornecida em todos os níveis. Isso geralmente é fornecido diretamente sob a cama de crescimento acima. Em princípio, isso pode significar que os leitos de cultivo podem ser empilhados tão altos quanto a estufa permitir, mas é claro que cultivar coisas em altura significa maior dificuldade na gestão do sistema, incluindo plantação, manutenção e colheita, exigindo elevadores de tesoura e energia adicional para bombear água rica em nutrientes a todos os níveis. De acordo com a Bright Agrotech (Storey 2015), até quatro níveis é lucrativo e qualquer coisa acima disso não é lucrativa. Storey (2015) observa ainda que a mão-de-obra aumenta 25% no segundo, terceiro e quarto níveis quando é necessário um elevador de tesoura (Fig. 12.3, Ilustração A).

Fig. 12.3 Sistemas agrícolas verticais e seus arranjos de iluminação

2. Sistemas de torre verticais (VTS): Os sistemas de torre verticais compreendem sistemas que cultivam plantas em matrizes verticais dentro de um contêiner ou série de módulos empilhados. Dependendo do sistema, as plantas são cultivadas voltadas para uma direção ou se, por exemplo, elas são plantadas em uma forma semelhante a um tubo, então elas podem ser dispostas voltadas para qualquer direção. Um exemplo de um sistema de matriz vertical, onde as plantas são cultivadas voltadas para uma única direção é o ZipGrowsuptm/SUP que são pendurados ou suportados em linhas (Fig. 12.3, Illustration B1). As fileiras entre são aproximadamente 0,5 metros (20 polegadas). O crescimento de uma forma mais tridimensional ocorre com sistemas empilhados ou em sistemas tubulares que permitem que mais plantas sejam cultivadas, mas a iluminação é mais complexa (Fig. 12.3, Illustration B2).

3. Camadas escalonadas: Estes sistemas contêm calhas de plantas rígidas ou móveis. O SkyGreens VFS em Singapura usa um sistema de calha rotativo que move as calhas para cima e para a luz. A luz natural adicional é mais significativa para a parte superior e menos para a parte inferior (Fig. 12.3, Ilustração C1). Outros sistemas de camadas são escalonados para que cada camada tenha uma interface desobstruída com a luz de cima, seja luz natural do telhado de estufa ou luz artificial. Mas esses sistemas precisam ser bastante baixos para que as pessoas cheguem às plantas (Fig. 12.3, Illustration C2).

Paredes Vivas

As paredes vivas ainda não foram usadas em aquapônica, exceto em vários sistemas experimentais, como na Universidade de Greenwich, Londres (Khandaker e Kotzen 2018). Enquanto a maioria dos VFS usa canais de cultivo da técnica de filme nutriente (NFT) ou blocos de lã mineral encapsulados, os LWs às vezes também usam substratos do tipo solo em potes ou calhas, que fornecem o meio de enraizamento. Embora isso seja bom para o cultivo de plantas ornamentais, bem como vegetais e ervas aromáticas, quando associado a tanques de peixes, qualquer adição de solo ao sistema pode complicar o caráter microbiano do sistema e ser prejudicial para os peixes. No entanto, isso é desconhecido e requer pesquisa. Experimentos realizados na Universidade de Greenwich (Khandaker e Kotzen 2018) indicam que, a partir de vários substratos inertes testados (incluindo hidroleica, perlita, palha, musgo Sphagnum, lã mineral e fibra de coco), a fibra de coco e, em seguida, a lã mineral foram superiores em termos de penetração radicular e crescimento radicular em alface (Lactuca sativa).

Vertical v. Horizontal: Fatores a serem considerados

Há quatro aspectos fundamentais que devem ser tidos em conta ao comparar os benefícios (produtividade e sustentabilidade) do crescimento vertical, em comparação com o crescimento horizontal. Estes são (1) espaço, (2) iluminação, (3) energia e (4) custos do ciclo de vida.

1. Espaço

Os benefícios de ser capaz de crescer produzem verticalmente, de costas para trás, precisam ser equilibrados com a quantidade de espaço que é necessário para proporcionar uma dispersão uniforme da iluminação, bem como o espaço de fileira necessário para a gestão e manutenção. A largura de uma linha em sistemas hidropônicos varia. Como observado, o sistema padrão ZipGrowsuptm/SUP é de aproximadamente 0,5 metros, enquanto a largura usual para o cultivo de tomates e pepinos varia hidroponicamente de 0,9 a 1,2 metros (Badgery-Parker e James 2010). O cultivo de plantas menores, como alface e ervas, como manjericão, pode permitir fileiras mais estreitas, mas é claro que a largura da linha deve garantir que a produção não seja comprometida por itens móveis, como carrinhos e elevadores de tesoura. Um problema fundamental com o crescimento vertical é o conflito que ocorre entre ter linhas fixas e iluminação fixa, que precisa estar localizada nas fileiras entre as fachadas de plantio. Essas luzes impedirão o movimento das pessoas e, portanto, ou as luzes precisam ser (i) parte da estrutura em crescimento ou (ii) retráteis ou móveis, para que os trabalhadores possam facilmente realizar tarefas, ou (iii) as estruturas de plantação são móveis e as luzes permanecem estáticas.

2. Lighting

A produção de vegetais e outras plantas com efeito de estufa depende de arranjos espaciais específicos que permitem a plantação, a gestão através do crescimento e, em seguida, a colheita. O arranjo espacial dependerá dos tipos de plantas e dos tipos de mecanização instalados. Além disso, o crescimento eficiente depende do suplemento de luz adicional de diferentes tipos, que têm seus próprios prós e contras. Em geral, o que essas luzes fazem é fornecer comprimentos de onda específicos para o crescimento das plantas e para a produção de frutas ou flores. Embora seja relativamente simples e mais comum iluminar uniformemente plantas cultivadas horizontalmente, é mais um desafio iluminar uniformemente uma superfície vertical.

No que diz respeito aos tipos de iluminação, muitos produtores se mudaram para ou estão tentados a instalar LEDs (diodos emissores de luz), devido à sua longa vida útil, até 50.000 horas ou mais (Gupta 2017), seus baixos requisitos de energia e sua recente redução de custos. Virsile et al. in Gupta (2017) observam que a maioria das aplicações de iluminação LED em estufas escolhe as combinações de comprimentos de onda vermelho e azul com alta eficiência de fótons, mas que a luz verde e branca contendo quantidades substanciais de comprimentos de onda verdes tem um impacto fisiológico positivo nas plantas_. No entanto, a combinação de luzes azuis e vermelhas cria uma imagem cinza-púrpura, o que dificulta a avaliação visual da fitossanidade. O tipo de comprimentos de onda escolhidos é complexo e pode ter benefícios em diferentes estágios da vida da planta e mesmo de acordo com as cultivares de, por exemplo, alface. As alfaces de folhas vermelhas, por exemplo, respondem à iluminação LED azul, aumentando sua pigmentação (Virsile et al. em Gupta 2017). Além disso, a iluminação LED azul pode melhorar a qualidade nutricional dos vegetais verdes, reduzindo o teor de nitratos, aumentando antioxidantes e compostos fenólicos e outros benéficos. Os espectros de luz também afetam o sabor, a forma e a textura (Virsile et al. em Gupta 2017). Os custos dos LEDs caíram significativamente e, à medida que a eficácia dos LEDs aumentou, o tempo de retorno do investimento diminuiu (Bugbee em Gupta 2017).

Existe, naturalmente, outra iluminação e isto inclui iluminação fluorescente, iluminação de halogeneto metálico (MH) e iluminação de sódio de alta pressão (HPS). O tipo de iluminação que é usado na agricultura vertical e com paredes vivas varia consideravelmente dependendo da escala e localização. As lâmpadas fluorescentes compactas (CFLs) são relativamente finas e podem caber facilmente em espaços pequenos, mas requerem um lastro indutivo para regular a corrente através dos tubos. As CFLs usam apenas 20 a 30% de uma lâmpada incandescente e duram seis a oito vezes mais, mas são quase 50% menos eficientes do que os LEDs. Eles são de longe o mais barato dos três principais tipos de luzes crescem. A tecnologia HPS crescer luz tem mais de 75 anos e está bem estabelecida para crescer sob o vidro, mas eles produzem muito calor e, portanto, não são adequados para a agricultura vertical e paredes vivas, onde a luz precisa ser entregue bastante perto das plantas. O calor produzido pelas luzes LED crescer, por outro lado, é mínimo. No entanto, o custo é maior do que outros dois tipos, e proteção ocular é necessária para exposição a longo prazo aos LEDs, uma vez que a exposição a longo prazo aos espectros de luz pode ser prejudicial para os olhos. O arranjo das unidades VFS ditará o arranjo de iluminação, mas no geral estes são iluminados por LEDs. O método de iluminação de paredes vivas dependerá da altura da parede. Quanto mais alta a parede, mais difícil é aplicar um espalhamento uniforme em toda a superfície, embora deva notar-se que o número de luzes utilizadas não deve ser diferente do usado em camas de crescimento horizontais e se a parede é alta, então as luzes podem precisar ser escalonadas. Como a maioria das paredes vivas está localizada para fins estéticos, a iluminação precisa ser mantida o mais longe possível, fora do caminho e a iluminação deve não apenas fornecer luz adequada para o crescimento e a saúde das plantas, mas também para que as plantas tenham uma boa aparência (Fig. 12.4).

Fig. 12.4 Uma parede viva de 4 metros de altura e 5 metros de comprimento pode ser adequadamente iluminada com seis lâmpadas de descarga de alta eficiência. Note-se que estes foram escolhidos não só para fornecer luz adequada para o crescimento, mas também para que as plantas na parede viva ficassem bem. (Muralha Viva da Universidade de Greenwich. Fonte: Benz Kotzen)

Os avanços na tecnologia LED, onde frequências de iluminação e intensidade podem ser projetadas para atender espécies e cultivares individuais, bem como seus vários ciclos de vida, significa que os LEDs se tornarão a tecnologia de escolha em um futuro próximo. Além disso, isso será reforçado por reduções de custos.

3. Energy

É provável que seja necessária mais energia para a iluminação para o VFS, bem como para os LWs, uma vez que mesmo a iluminação natural não pode ser alcançada em superfícies verticais. Além disso, mais potência de bombeamento para irrigação será necessária e isso será relativo à altura do VFS ou LWs.

4. _Análise Comparativa do Ciclo de Vida (LCA) _

Embora existam numerosos estudos realizados sobre a análise do ciclo de vida da aquapônica e vários aspectos dos sistemas aquapônicos, não existem estudos comparativos que comparem a aquapônica vertical versus horizontal. Isto ainda tem de ser feito. Chegamos a um ponto em que a aquapônica vertical é susceptível de justificar mais testes e pesquisas e, com o tempo, a aquapônica vertical, que associa sistemas de agricultura vertical ou sistemas de paredes vivas com tanques de peixes e unidades de filtração, é provável que se torne mais corrente, desde que estes possam ser rentáveis e sustentável.