5.5 Requisitos de qualidade da água

Aquaponics representa um esforço para controlar a qualidade da água para que todas as formas de vida atuais (peixes, plantas e micróbios) estejam sendo cultivadas o mais próximo possível das condições ideais de química da água (Goddek et al. 2015). Se a química da água pode ser correspondida aos requisitos destes três conjuntos de formas de vida importantes, a eficiência e otimização do crescimento e da saúde de todos podem ser aspiradas a (Lennard 2017).

A optimização é importante para a produção aquapónica comercial, porque só através da optimização é possível realizar o sucesso comercial (ou seja, a rentabilidade financeira). Portanto, os requisitos de química da água e qualidade da água dentro do sistema aquapônico são fundamentais para o sucesso comercial e econômico final da empresa (Goddek et al. 2015).

Atualmente, há discordância entre a indústria e a comunidade aquapônica em termos do que representa uma qualidade de água boa ou aceitável dentro dos sistemas aquapônicos. Parece que é universalmente aceito que os requisitos de química da água natural dos subconjuntos individuais de formas de vida (peixes, plantas e micróbios) são amplamente acordados (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006; Goddek et al. 2015; Delaide et al. 2016; Lennard 2017). No entanto, a presença de uma ampla gama de abordagens, métodos e escolhas tecnológicas denominadas aquaponia e o contexto ou história das tecnologias autónomas associadas dos sistemas de aquicultura de recirculação (RAS) e da cultura de plantas hidropônicas (incluindo a cultura de substratos) parece levar a desentendimentos entre operadores, cientistas e designers. Por exemplo, tendo em consideração apenas um único parâmetro químico da água, o pH, alguns argumentam que os requisitos de pH das plantas cultivadas hidroponicamente são muito diferentes dos requisitos de pH das espécies de peixes de água doce cultivadas em RAS (Suhl et al. 2016). A indústria hidropônica geralmente aplica configurações de pH entre 4,5 e 6,0 para a cultura de plantas à base de água (Resh 2013), enquanto a indústria RAS geralmente aplica configurações de pH entre 7,0 e 8,0 (Timmons et al. 2002) para atender aos requisitos dos peixes e micróbios presentes (que desempenham importantes transformações de metabolitos de resíduos de peixe potencialmente tóxicos para formas menos tóxicas). O argumento, portanto, é que qualquer ponto de fixação do pH é um compromisso entre as necessidades das plantas, dos peixes e dos micróbios e que, portanto, um pH ideal para todas as formas de vida não é alcançável, o que leva a uma produção inferior às plantas (Suhl et al. 2016). Outros argumentam, no entanto, que um exame mais atento das complexidades da dinâmica de nutrientes da captação de nutrientes vegetais pode elucidar uma opinião diferente (Lennard 2017).

Sistemas hidropônicos (e cultura de substrato) alimentam nutrientes às plantas em suas formas basais e iônicas, adicionando sais de nutrientes à água que se dissociam para liberar os íons nutrientes disponíveis (Resh 2013). Pesquisas demonstraram que essas formas de nutrientes iônicos existem em uma janela de disponibilidade para a planta, com base no pH da água do sistema disponível. Portanto, em um contexto hidropônico padrão, sem flora microbiana presente (isto é, esterilizada — como a maioria dos sistemas hidropônicos são), é importante definir o pH da água do sistema para um nível que torne a mistura de nutrientes iônicos que a planta necessita o mais disponível possível (Resh 2013). Dentro de qualquer sistema hidropônico, isso é um compromisso em si, porque como qualquer gráfico de disponibilidade de nutrientes iônicos demonstra (ver Fig. 5.4), diferentes formas de nutrientes iônicos são as mais disponíveis em diferentes pHs (Resh 2013). É essa associação padrão de disponibilidade de nutrientes iônicos que a indústria hidropônica usa como primário para os pontos de ajuste de pH e explica por que o pH operacional hidropônico desejado está entre 4,5 e 6,0 (um ambiente ácido) em sistemas de cultura hidropônica e substrato esterilizados.

Alternativamente, a RAS aplica um ponto de ajuste do pH da água com base no que é natural para os peixes em cultura e os micróbios que tratam e convertem os resíduos de peixe

Fig. 5.4 Exemplo de um gráfico padrão de disponibilidade de nutrientes mediado por pH para plantas cultivadas aquaticamente. A linha vermelha representa um pH operacional normal para um sistema hidropônico; a linha azul que para um sistema aquapônico

(Timmons et al. 2002; Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Em ambientes naturais de água doce, a maioria das espécies de peixes requer um pH ambiental (ou seja, pH da água) que corresponda ao pH interno dos peixes, que é frequentemente próximo de um pH de 7,4 (Lennard 2017). Além disso, os principais micróbios associados à transformação do metabolito dissolvido na cultura de RAS (bactérias de nitrificação de várias espécies) também requerem um pH em torno de 7,5 para a transformação de amônia ideal em nitrato (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Por conseguinte, os operadores RAS aplicam um ponto de ajuste de pH de aproximadamente 7,5 à cultura de peixe de água doce RAS.

Existe uma diferença óbvia entre um pH de 5,5 (uma média para a cultura vegetal padrão, esterilizada e hidropônica) e um pH de 7,5 (um padrão médio para a cultura de peixe RAS). Portanto, argumenta-se amplamente que o pH representa um dos maiores compromissos de qualidade da água presentes na ciência aquapônica (Goddek et al. 2015; Suhl et al. 2016). Os defensores de projetos aquapônicos dissociados muitas vezes citam essa diferença no requisito de pH ideal como um argumento para a abordagem de projeto dissociado, afirmando que projetos totalmente recirculantes devem encontrar um compromisso de pH quando projetos dissociados têm o luxo de aplicar diferentes pontos de ajuste de pH de água ao peixe e à planta componentes (Suhl et al. 2016; Goddek et al. 2016). No entanto, o que este argumento ignora é que os sistemas aquapônicos, ao contrário dos sistemas hidropônicos, não são estéreis e empregam técnicas aquáticas ecológicas que incentivam uma população diversificada de microflora a estar presente no sistema aquapônico (Eck 2017; Lennard 2017). Isso resulta em uma ampla variedade de micróbios presentes, muitos dos quais formam associações complexas e complexas com as plantas, especialmente as raízes vegetais, dentro do sistema aquapônico (Lennard 2017). É bem conhecido e estabelecido na fisiologia vegetal que muitos micróbios, associados ao meio e matriz do solo, se associam estreitamente às raízes das plantas e que muitos desses micróbios ajudam as plantas a acessar e absorver nutrientes vitais (Vimal et al. 2017). Também é sabido que alguns desses micróbios produzem moléculas orgânicas que auxiliam diretamente no crescimento das plantas, auxiliam no desenvolvimento da imunidade vegetal e ajudam a superar os patógenos vegetais (especialmente radiculares) (Vimal et al. 2017; Srivastava et al. 2017). Em essência, esses micróbios ajudam as plantas de muitas maneiras que simplesmente não estão presentes no ambiente esterilizado aplicado em cultura hidropônica padrão.

Com estes diversos micróbios presentes, as plantas ganham acesso a nutrientes de muitas maneiras que não são possíveis em sistemas que dependem apenas de configurações de pH aquático para permitir o acesso aos nutrientes da planta (por exemplo, hidroponia padrão e cultura de substrato). Muitos desses micróbios operam em níveis amplos de pH, assim como outros micróbios à base de solo, como as bactérias de nitrificação (pH de 6,5—8,0, Timmons et al. 2002). Portanto, com esses micróbios presentes em sistemas aquapônicos, o ponto de ajuste do pH pode ser elevado acima do que é normalmente aplicado em técnicas de cultura hidropônica ou de substrato (ou seja, pH de 4,5—6,0), enquanto o crescimento avançado e eficiente da planta ainda está presente (Lennard 2017). Isso é evidenciado no trabalho de vários pesquisadores aquapônicos que demonstraram melhores taxas de crescimento de plantas em aquapônica do que em hidroponia padrão (Nichols e Lennard 2010).

Outros requisitos de qualidade da água em sistemas aquánicos dizem respeito a parâmetros físicos/químicos e, mais especificamente, parâmetros de necessidades de nutrientes vegetais. Em termos de requisitos físicos/químicos, plantas, peixes e micróbios compartilham muitas semelhanças. O oxigênio dissolvido (OD) é vital para peixes, raízes vegetais e microflora e deve ser mantido em sistemas aquapônicos (Rakocy e Hargreaves 1993; Rakocy et al. 2006). As raízes das plantas e a microflora geralmente requerem concentrações de OD relativamente mais baixas do que a maioria dos peixes; as raízes das plantas e os micróbios podem sobreviver com OD abaixo de 3 mg/L (Goto et al. 1996), enquanto a maioria dos peixes necessita de mais de 5 mg/L (Timmons et al. 2002). Portanto, se a concentração de OD dentro do sistema aquapônico for definida e mantida para o requisito de peixe, o requisito de planta e micróbio também é cumprido (Lennard 2017). Diferentes espécies de peixes requerem diferentes concentrações de OD: peixes de água quente (por exemplo, Tilapia spp., barramundi) podem geralmente tolerar concentrações de OD mais baixas do que espécies de peixes de água fria (por exemplo, salmonídeos como truta arco-íris e carvão ártico); porque a exigência de OD dos peixes é quase sempre maior do que a planta raízes e requisitos microflorais, o OD deve ser definido para as espécies específicas de peixes em cultura (Lennard 2017).

As concentrações de dióxido de carbono de água (COSub2/sub), como as do OD, são geralmente fixadas pelos peixes porque as raízes das plantas e os micróbios podem tolerar concentrações mais elevadas do que os peixes. As concentrações de dióxido de carbono são importantes para a saúde e o crescimento ideais dos peixes e são frequentemente ignoradas em projetos aquapônicos. Os parâmetros e os pontos fixados para as concentrações de COSub2/sub devem ser os mesmos que para as mesmas espécies de peixes cultivadas em sistemas exclusivamente para peixes, RAS e, em geral, devem ser mantidos abaixo de 20 mg/L (Masser et al. 1992).

A temperatura da água é importante para todas as formas de vida atuais dentro de um sistema aquapônico. Os peixes e as espécies de plantas devem ser comparados o mais próximo possível para os requisitos de temperatura da água (por exemplo, Tilapia spp. de peixes como 25° C mais, e plantas como o manjericão prosperam nesta temperatura relativamente alta da água; variedades de alface, como água mais fria, e, portanto, um candidato a peixe melhor correspondido é o arco-íris truta) (Lennard 2017). No entanto, como para outros parâmetros físicos e químicos da água, atender aos requisitos dos peixes para a temperatura da água é fundamental porque os micróbios têm a capacidade de se submeter a seleção de espécies específicas com base nas condições ambientais (por exemplo, a diferenciação de espécies bacterianas de nitrificação ocorre em diferentes As temperaturas da água e as espécies que melhor se adequam à temperatura da água em particular dominarão a biomassa bacteriana de nitrificação do sistema) e muitas plantas podem crescer muito bem em uma faixa mais ampla de temperaturas da água (Lennard 2017). Combinar a temperatura da água e mantê-la dentro de mais ou menos 2° C (ou seja, um controle de temperatura de alto nível) com os peixes, é um requisito importante na aquapônica porque quando a temperatura da água está correta e não se desvia da média ideal, os peixes alcançam um metabolismo eficiente e otimizado e comer e converter alimentos de forma eficiente, levando a melhores taxas de crescimento dos peixes e liberar cargas de resíduos estáveis e previsíveis, o que auxilia a cultura vegetal (Timmons et al. 2002).

Manter a clareza da água (baixa turbidez) é outro parâmetro importante na cultura aquapônica (Rakocy et al. 2006). A maior parte da turbidez da água é devida a cargas sólidas suspensas que não foram adequadamente filtradas, e esses sólidos podem afetar os peixes aderindo às suas brânquias, o que pode diminuir as taxas potenciais de transferência de oxigênio e as taxas de liberação de amônia (Timmons et al. 2002). Cargas sólidas suspensas inferiores a 30 mg/L são recomendadas para peixes aquaponicamente cultivados (Masser et al. 1992; Timmons et al. 2002). Cargas elevadas de sólidos suspensos também afetam as raízes das plantas, pois elas têm a capacidade de aderir às raízes, o que pode causar ineficiência na absorção de nutrientes, mas, mais comumente, proporciona maior potencial de colonização de organismos patogênicos, o que leva à má saúde das raízes e à morte final das plantas (Rakocy et al. 2006). Estes sólidos suspensos também incentivam a prevalência de bactérias heterotróficas (espécies que quebram e metabolizam o carbono orgânico) que, se autorizados a dominar sistemas, podem competir com outras espécies necessárias, como bactérias de nitrificação.

A condutividade elétrica (EC) é uma medida frequentemente aplicada em hidroponia para obter uma compreensão da quantidade de nutrientes totais presentes na água. No entanto, não pode fornecer informações sobre a mistura de nutrientes, a presença ou ausência de espécies de nutrientes individuais ou a quantidade de espécies de nutrientes individuais presentes (Resh 2013). Não é frequentemente aplicado em aquapônica porque mede apenas a presença de formas de nutrientes iônicos (carregados), e tem sido argumentado que a aquapônica é um método de fornecimento de nutrientes orgânicos e, portanto, a CE não é uma medida relevante (Hallam 2017). No entanto, as plantas geralmente apenas fonte de formas iônicas de nutrientes e, portanto, EC pode ser usado como uma ferramenta geral ou guia para a quantidade total de nutrientes disponíveis na planta em um sistema aquapônico (Lennard 2017).

Para sistemas aquapônicos totalmente recirculantes, em termos de parâmetros físicos e químicos, são os peixes que são mais exigentes em suas necessidades e, portanto, se os sistemas são gerenciados para manter as necessidades dos peixes, as plantas e micróbios estão tendo suas necessidades mais do que satisfeitas (Lennard 2017). A diferença quando se trata das plantas, no entanto, é a sua exigência de que a mistura correta e a força de nutrientes estejam presentes para permitir um acesso e absorção otimizados de nutrientes (independente ou assistida por microbianos), o que leva a um crescimento eficiente e rápido. Sistemas aquapônicos desacoplados podem, portanto, ser mais atraentes devido à percepção de que permitem uma entrega mais exigente de nutrientes às plantas (Goddek et al. 2016). Os alimentos para peixes e, portanto, os resíduos de peixes não contêm a mistura correta de nutrientes para atender aos requisitos vegetais (Rakocy et al. 2006). Portanto, o projeto do sistema aquapônico deve levar em conta os nutrientes que faltam e complementá-los. Os sistemas aquánicos totalmente recirculantes complementam geralmente os nutrientes, adicionando-os às espécies salinas utilizadas para gerir o regime diário de tamponamento de pH; a porção básica do sal ajusta o pH e a porção positiva do sal permite a suplementação de nutrientes vegetais em falta (p. ex. potássio, cálcio, magnésio) (Rakocy et al. 2006). Os desenhos aquapônicos desacoplados retiram as águas residuais e os resíduos sólidos associados do componente de peixe e ajustam a água para conter os nutrientes necessários para a produção vegetal, adicionando nutrientes em diferentes formas (Goddek et al. 2016). Estas adições de nutrientes são geralmente baseadas na utilização de espécies de sal hidropônico padrão que não fornecem necessariamente qualquer resultado de ajuste do pH (por exemplo, fosfato de cálcio, sulfato de cálcio, fosfato de potássio, etc.).

O caminho para o crescimento eficiente das plantas em sistemas aquánicos é fornecer um perfil de nutrientes aquáticos que forneça todos os nutrientes necessários à planta (mistura) com as forças necessárias (concentração) (Lennard 2017). Em desenhos aquapônicos totalmente recirculantes, ou em projetos aquapônicos dissociados que não aplicam métodos de esterilização, parece haver menor exigência para atender às concentrações de nutrientes ou dosagens aplicadas em hidropônicos padrão, porque a natureza ecológica do sistema associa muitos microflora com as raízes das plantas e estes microflora auxiliar o acesso aos nutrientes da planta (Lennard 2017). Para projetos aquapônicos desacoplados, ou outros, que aplicam esterilização ao componente vegetal e seguem uma abordagem análoga hidropônica padrão, parece haver um requisito para tentar aproximar as concentrações padrão de nutrientes hidropônicos (Suhl et al. 2016; Karimanzira et al. 2016). O compromisso, no entanto, com a abordagem dissociada é que ele leva a razões de suplementação externa muito além das de desenhos aquapônicos totalmente recirculantes; projetos europeus dissociados atualmente média de 50% ou mais adições de nutrientes externos (COST FA1305 2017; Goddek e Keesman 2018), enquanto o UVI fornece menos de 20%, e outros sistemas podem fornecer menos de 10% de suplementação de nutrientes externos (Lennard 2017).

Independentemente do método, todos os sistemas aquapônicos devem esforçar-se por fornecer às plantas a nutrição necessária para um crescimento otimizado, de modo a proporcionar à empresa a maior possibilidade de viabilidade financeira. Neste contexto, o teor de nutrientes e a força da água que está sendo entregue às plantas são muito importantes e devem ser utilizados testes regulares de nutrientes da água para que a mistura e a resistência de nutrientes possam ser mantidas e mantidas como um requisito muito importante de qualidade da água.