6.5 Papel Bacteriano na Ciclagem de Nutrientes e Biodisponibilidade
Pesquisas consideráveis têm sido realizadas para caracterizar bactérias heterotróficas e autotróficas em sistemas RAS e para melhor compreender seus papéis na manutenção da qualidade da água e na ciclagem de nutrientes (para revisões, ver Blancheton et al. (2013); Schreier et al. (2010). Heterotróficos não patogênicos, tipicamente dominados por Alphaproteobacteria e Gammaproteobacteria, tendem a prosperar em biofiltros, e suas contribuições para transformações de nitrogênio são bastante bem compreendidas porque a ciclagem de nitrogênio (NC) tem sido de suma importância no desenvolvimento de cultura recirculante sistemas (Timmons e Ebeling 2013). Há muito se reconhece que a transformação bacteriana do amoníaco excretado pelos peixes em um sistema RAS deve ser comparada com as taxas de excreção, uma vez que o excesso de amoníaco torna-se rapidamente tóxico para os peixes (ver [Cap. 9](/comunidade/artigos/capítulos 9-nutrientes-ciclo-in-aquapaponics-sistemas)). Portanto, na RAS de água doce e marinha, os papéis funcionais das comunidades microbianas na dinâmica NC — nitrificação, desnitrificação, amonificação, oxidação anaeróbica de amônio e redução dissimilatória de nitrato — receberam considerável atenção de pesquisa e estão bem descritos em revisões recentes (Rurangwa e Verdegem 2015; Schreier et al. 2010). Há muito menos estudos sobre transformações de nitrogênio em aquaponia, mas uma revisão recente (Wongkiew et al. 2017) fornece um resumo junto com a discussão sobre a eficiência da utilização de nitrogênio, que é uma consideração primordial para o crescimento de plantas em hidroponia.
Após o nitrogênio, o segundo macronutriente mais essencial na aquapônica é o fósforo, que não é um fator limitante para peixes que o adquirem da ração, mas é crucial para plantas hidropônicas. No entanto, as formas de fosfato nos resíduos de peixes não são imediatamente biodisponíveis para as plantas. As plantas devem ter quantidades adequadas de ortofosfato iónico inorgânico (Hsub2/subposub4/subsup-/sup e HPOsub4/subsup2-/sup = Pi) (Becquer et al. 2014), uma vez que esta é a única forma biodisponível para absorção e assimilação. O fosfato inorgânico se liga ao cálcio acima do pH 7,0, de modo que o sistema aquaponico deve ter cuidado para manter as condições de pH perto do pH 7,0. Como os valores de pH aumentam acima de 7,0, várias formas insolúveis de fosfato de cálcio podem acabar como precipitados em lodo (Becquer et al. 2014; Siebielec et al. 2014). Por conseguinte, as perdas RAS de P são principalmente através da remoção de lamas do sistema (Van Rijn 2013). No entanto, em algum lugar do sistema aquapônico, as partículas devem ser capturadas e deixadas mineralizar, a fim de fornecer suprimentos suficientes de nutrientes utilizáveis para as culturas na unidade hidropônica. A etapa de mineralização também liberará outros macro e micronutrientes para que haja menos deficiências, reduzindo assim a necessidade de suplementação no compartimento hidropônico. Dado que o abastecimento mundial de fertilizantes ricos em fosfato está diminuindo e a suplementação com P é cada vez mais dispendiosa, estão sendo feitos esforços para maximizar a recuperação do P do lodo RAS (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017).
A biodisponibilidade de macro e micronutrientes é atualmente pouco compreendida. Pesquisas anteriores (Cerozi e Fitzsimmons 2016a) sugerem que a disponibilidade de nutrientes fica comprometida à medida que o pH é reduzido abaixo de 7,0 e resultou no sistema hidropônico acoplado para folhas verdes sendo operado em torno de pH 6,0. Entretanto, pesquisas recentes comparando condições aquapônicas e pH 7,0 com condições hidropônicas de pH 5,8 não mostraram diferença na produtividade (Anderson et al. 2017a, b). Nesses estudos, as condições hidropônicas com pH 7,0 reduziram a produtividade em\ ~ 22% em comparação com o pH hidropônico 5,8. Inicialmente, a hipótese era de que as diferenças de produtividade poderiam ser atribuídas à microbiota da água aquapônica, mas pesquisas subsequentes rejeitaram essa teoria (Wielgosz et al. 2017).
Em RAS, onde as razões C:N aumentam devido à disponibilidade de matéria orgânica, bactérias desnitrificantes, especialmente Pseudomonas sp., usam carbono como doador de elétrons em condições anóxicas, para produzir NSub2/sub à custa do nitrato (Schreier et al. 2010; Wongkiew et al. 2017). Os sistemas bioflocos são, por vezes, utilizados para aumentar a alimentação dos peixes (Crab et al. 2012; Martínez-Córdova et al. 2015), e o biofloco está sendo cada vez mais utilizado no sistema aquaponico, especialmente na Ásia (Feng et al. 2016; Kim et al. 2017; Li et al. 2018). Quando o biofloco é utilizado em aquapônicos (da Rocha et al. 2017; Pinho et al. 2017), a ciclagem de nutrientes torna-se ainda mais complexa, visto que o OD, a temperatura e o pH influenciam se as comunidades microbianas heterotróficas (utilizadoras de carbono) predominam sobre os desnitrificadores autotróficos que são capazes de reduzir o sulfureto para sulfato (Schreier et al. 2010). Os heterotróficos tendem a ter uma taxa de crescimento maior do que os autotróficos na presença de fontes adequadas de carbono (Michaud et al. 2009); portanto, manipular o tipo ou regimes de alimentação, ou adicionar uma fonte de carbono orgânico diretamente, enquanto monitora os níveis de oxigênio dissolvido, pode ajudar a manter as populações equilibradas enquanto ainda fornecendo hidroponia com N de forma utilizável (Vilbergsson et al. 2016a).
No sistema hidropônico, a ciclagem de nutrientes tem sido menos bem estudada, uma vez que os compostos inorgânicos contendo o equilíbrio necessário de nutrientes são tipicamente adicionados, a fim de garantir o crescimento adequado das plantas. No entanto, altas concentrações de nutrientes, especialmente em ambientes úmidos e quentes, como estufas, facilitam facilmente o crescimento de comunidades microbianas, especialmente fitopatógenos como fungos (Fusarium) e oomycota (Phytophthora, Pythium sp.), que podem rapidamente assentar na água circulante e podem resultar em off (Lee e Lee 2015). Os recentes esforços para entender melhor as rizobactérias hidropônicas e seus efeitos benéficos na promoção do crescimento vegetal (mas também para inibir a proliferação de patógenos) utilizaram várias técnicas ‘ômicas’ para analisar comunidades microbianas e suas interações com sistemas radiculares (Lee e Lee 2015).
Por exemplo, quando bactérias probióticas, como Bacillus, estão presentes, elas mostraram aumentar a disponibilidade de P e também parecem ter um efeito promotor do crescimento vegetal adicional em um sistema de tilápia-alface (Cerozi e Fitzsimmons 2016b). No sistema aquaponico, a adição de probióticos à ração de peixes e à água RAS, bem como ao abastecimento de água hidropônica, merece mais experimentação, uma vez que as comunidades microbianas podem ter múltiplos efeitos moduladores na fisiologia vegetal. Por exemplo, as comunidades microbianas (bactérias, fungos, oomicetes) de quatro culturas alimentares foram analisadas por sequenciamento metagenômico quando mantidas em um sistema hidropônico de filme de nutrientes constante, onde as concentrações de pH e nutrientes podiam flutuar naturalmente ao longo dos ciclos de vida das plantas (Sheridan et al. 2017). Os autores concluíram que o tratamento com uma mistura comercial de micróbios promotores de crescimento vegetal (PGPMs), neste caso bactérias, micorrizas e fungos, parecia conferir maior estabilidade e semelhanças na composição comunitária após 12 a 14 semanas do que nos controles. Eles sugerem que isso poderia ser atribuído a exsudatos radiculares, que supostamente favorecem e até controlam o desenvolvimento de comunidades microbianas apropriadas a estágios sucessivos de desenvolvimento de plantas. Tendo em conta os efeitos conhecidos dos PGPMs na produção de culturas à base de solo e os poucos estudos disponíveis para sistemas sem solo, justifica-se uma investigação mais aprofundada para determinar como melhorar os PGPMs e melhorar os seus efeitos no sistema aquaponico (Bartelme et al. 2018). Se as culturas hidropônicas são mais estáveis e o crescimento das plantas é mais robusto com os PGPMs, então o objetivo deve ser caracterizar comunidades microbianas em aquaponia via metagenômica e correlacioná-las com a disponibilidade ótima de macro e micronutrientes via metabolômica e proteômica.