3.1 Introdução

Os sistemas de recirculação de aquicultura (RAS) descrevem sistemas intensivos de produção de peixe que utilizam uma série de etapas de tratamento de água para depurar a água de criação de peixes e facilitar a sua reutilização. A RAS incluirá geralmente (1) dispositivos para remover partículas sólidas da água que são compostas por fezes de peixes, alimentos não consumidos e flocos bacterianos (Chen et al. 1994; Couturier et al. 2009), (2) biofiltros nitrificantes para oxidar amoníaco excretado pelo peixe em nitrato (Gutierrez-Wing e Malone 2006) e (3) um número de dispositivos de troca de gás para remover dióxido de carbono dissolvido expelido pelos peixes, bem como /ou adicionar oxigênio exigido pelos peixes e bactérias nitrificantes (Colt e Watten 1988; Moran 2010; Summerfelt 2003; Wagner et al. 1995). Além disso, a RAS também pode usar irradiação UV para desinfecção de água (Sharrer et al. 2005; Summerfelt et al. 2009), ozonização e desnatação de proteínas para sólidos finos e controle microbiano (Attramadal et al. 2012a; Gonçalves e Gagnon 2011; Summerfelt e Hochheimer 1997) e sistemas de desnitrificação para remover nitrato (van Rijn et al. 2006).

A tecnologia moderna de aquicultura de recirculação vem se desenvolvendo há mais de 40 anos, mas novas tecnologias oferecem cada vez mais maneiras de mudar os paradigmas da RAS tradicional, incluindo melhorias em processos clássicos, como captura de sólidos, biofiltração e troca de gás. A RAS registou igualmente importantes desenvolvimentos em termos de escala, capacidade de produção e aceitação do mercado, com os sistemas a tornarem-se progressivamente maiores e mais robustos.

Este capítulo discute como a tecnologia RAS se desenvolveu ao longo das últimas duas décadas, desde um período de consolidação tecnológica até uma nova era de implementação industrial.

3.1.1 História da RAS

A primeira pesquisa científica sobre RAS realizada no Japão na década de 1950 centrou-se no projeto de biofiltros para produção de carpas impulsionada pela necessidade de usar recursos hídricos localmente limitados de forma mais produtiva (Murray et al. 2014). Na Europa e nos Estados Unidos, cientistas também tentaram adaptar tecnologias desenvolvidas para o tratamento de águas residuais domésticas, a fim de melhor reutilizar a água em sistemas de recirculação (por exemplo, processos de lamas ativadas para tratamento de esgotos, gotejamento, biofiltros submersos e de fluxo descendente e vários sistemas de filtração). Estes primeiros esforços incluíram principalmente trabalhos sobre sistemas marinhos para a produção de pescado e crustáceos, mas foram logo adoptados em regiões áridas onde o sector agrícola é limitado pelo abastecimento de água. Na aquicultura, diferentes soluções foram projetadas para maximizar o uso da água, incluindo sistemas de recirculação altamente intensivos que incorporam sistemas de filtração de água, como filtros de tambor, filtros biológicos, skimmers proteicos e sistemas de injeção de oxigênio (Hulata e Simon 2011). Apesar de uma forte convicção por parte dos pioneiros da indústria sobre a viabilidade comercial de seu trabalho, a maioria dos primeiros estudos se concentrou exclusivamente na oxidação de resíduos tóxicos de nitrogênio inorgânicos derivados do metabolismo protéico. A confiança na tecnologia foi reforçada pela operação bem-sucedida de aquários públicos e domésticos, que geralmente apresentam unidades de tratamento de grandes dimensões para garantir água cristalina. Além disso, as densidades de estocagem extremamente baixas e os insumos de alimentação associados permitiram que esse excesso de engenharia ainda contribuísse relativamente pequeno para os custos de capital e operacionais do sistema em comparação com o RAS intensivo. Consequentemente, as mudanças na dinâmica de processos associadas à mudança de escala não foram contabilizadas, resultando no subdimensionamento das unidades de tratamento de RAS, a fim de minimizar os custos de capital. Consequentemente, as margens de segurança eram demasiado estreitas ou inexistentes (Murray et al. 2014). Como muitos dos cientistas pioneiros tinham origens biológicas em vez de engenharia, melhorias técnicas também foram limitadas por falhas de comunicação entre cientistas, designers, pessoal de construção e operadores. O desenvolvimento de uma terminologia padronizada, unidades de medida e formatos de notificação em 1980 (EIFAC/CIEM 1980) contribuiu para resolver a situação, embora as diferenças regionais persistam. Não foi até meados da década de 1980 que os parâmetros cíclicos de qualidade da água se tornaram bem reconhecidos como importantes na produção de lagoas, por exemplo, medindo periodicamente as concentrações de pH, oxigênio, TAN (nitrogênio de amônia total), NO2 (nitrato), CBO (demanda bioquímica de oxigênio) e CQO (demanda química de oxigênio).

Na última parte do século passado, vários artigos foram publicados sobre o desenvolvimento inicial da RAS. Rosenthal (1980) elaborou sobre o estado dos sistemas de recirculação na Europa Ocidental, enquanto Bovendeur et al. (1987) desenvolveram um sistema de recirculação de água para a cultura de bagres africanos em relação à produção de resíduos e cinética de remoção de resíduos (foi apresentado um desenho para um sistema de tratamento de água composto por um clarificador primário e um reator aeróbio de filme fixo que demonstrou resultados satisfatórios para a cultura de alta densidade de bagres africanos). Este trabalho fez parte do rápido desenvolvimento dos sistemas de cultura da pesca até meados dos anos 90 na Europa do Norte e Ocidental (Rosenthal e Black 1993), bem como na América do Norte (Colt 1991). Novas classificações, tais como a classificação de acordo com a forma como a água flui através de um sistema de aquicultura, forneceram informações fundamentais sobre os processos de qualidade da água que são importantes para a produção de peixe (Krom e van Rijn 1989). No trabalho subsequente de van Rijn (1996), foram introduzidos conceitos focados nos processos biológicos subjacentes aos sistemas de tratamento. As conclusões deste trabalho foram que a incorporação de métodos para reduzir o acúmulo de lodo e nitrato resultou em condições de qualidade da água mais estáveis dentro das unidades de cultura. Durante este período, a produção de RAS aumentou significativamente em volume e diversidade de espécies (Rosenthal 1980; Verreth e Eding 1993; Martins et al. 2005). Atualmente, mais de 10 espécies são produzidas em RAS (bagre africano, enguia e truta como principais espécies de água doce e pregado, robalo e linguado como principais espécies marinhas) (Martins et al 2010b), sendo a RAS também um elemento crucial na produção de larvas e juvenis de diversas espécies.

Embora os rendimentos máximos sustentáveis de muitas espécies de animais selvagens aquáticos tenham sido ou venham a ser atingidos em breve, e muitas espécies já estão sobrepescadas, a RAS é considerada uma tecnologia fundamental que ajudará o setor da aquicultura a satisfazer as necessidades de espécies aquáticas nas próximas décadas (Ebeling e Timmons 2012).

3.1.2 Uma Breve História da Aquapônica no Contexto da RAS

Fig. 3.1 Chinampas (jardins flutuantes) na América Central — construção artificial de ilhas como antecedente da tecnologia aquapônica. (De Marzolino/ Shutterstock.com)

Aquapônica é um termo que foi “cunhado” na década de 1970, mas na prática tem raízes antigas — embora ainda haja discussões sobre sua primeira ocorrência. Os astecas cultivaram ilhas agrícolas conhecidas como chinampas (os primeiros 1150—1350CE), em um sistema considerado por alguns como a primeira forma de aquapônica para uso agrícola (Fig. 3.1). Em tais sistemas, as plantas foram criadas em ilhas estáveis, ou em algum momento móveis e flutuantes colocadas em lagos rasos, onde lama rica em nutrientes poderia ser dragada dos canais chinampa e colocada nas ilhas para apoiar o crescimento das plantas (Crossley 2004).

Um exemplo ainda anterior de aquapônica começou no outro lado do mundo no sul da China e acredita-se ter se espalhado dentro do Sudeste Asiático, onde colonos chineses de Yunnan se estabeleceram em torno de 5 d.C. Agricultores cultivaram e cultivaram arroz em arrozais em combinação com peixes (FAO 2001). Estes sistemas de agricultura policultural existiam em muitos países do Extremo Oriente para criar peixes como o loach oriental (Misgurnus anguillicaudatus) (Tomita-Yokotani et al. 2009), a enguia do pântano (fam. Synbranchidae), carpa comum (Cyprinus carpio) e carpa cruciana (Carassius carassius) (FAO 2004). No entanto, em essência, estes não eram sistemas aquánicos, mas podem ser melhor descritos como exemplos iniciais de sistemas de aquicultura integrados (Gomez 2011). No século XX, as primeiras tentativas de criar sistemas práticos, eficientes e integrados de produção de peixe ao lado dos vegetais foram feitas na década de 1970 com o trabalho de Lewis e Naegel (Lewis e Wehr 1976; Naegel 1977; Lewis et al. 1978). Outros sistemas iniciais foram projetados por Waten e Busch em 1984 e Rakocy em 1989 (Palm et al. 2018).