6.6 Sólidos e Lodo Suspenso

Os parâmetros para a operação aquapônica em uma determinada escala — incluindo volume de água, temperatura, vazão e alimentação, pH, idade e densidades de peixes e culturas — afetam a distribuição temporal e espacial das comunidades microbianas que se desenvolvem dentro de seus compartimentos, para revisões: RAS (Blancheton et al. 2013); hidroponia (Lee e Lee 2015).

Além de controlar o oxigênio dissolvido, os níveis de dióxido de carbono e o pH na aquapônica, também é essencial controlar o acúmulo de sólidos no sistema RAS, pois partículas finas suspensas podem aderir às brânquias, causar abrasão e desconforto respiratório e aumentar a suscetibilidade à doença (Yildiz et al. 2017) . Mais relevante, a matéria orgânica particulada (POM) deve ser removida rápida e eficazmente dos sistemas RAS, ou então o crescimento heterotrófico excessivo causará a falha de quase todos os processos unitários. As taxas de alimentação RAS devem ser cuidadosamente gerenciadas para minimizar o carregamento de sólidos no sistema (por exemplo, evitar sobrealimentação e minimizar os custos de alimentação). As propriedades biofísicas dos alimentos para animais — tamanho das partículas, teor de nutrientes, digestibilidade, apelo sensorial, densidade e taxa de estabilização — determinam as taxas de ingestão e assimilação, que, por sua vez, têm um impacto na acumulação de sólidos e, portanto, na qualidade da água. Embora a qualidade da água seja frequentemente estudada no contexto da ciclagem de nutrientes (ver [Cap. 9](/comunidade/artigos/capítulo 9-nutriente-cicling-in-aquaponics-sistemas), também é importante obter uma melhor compreensão da composição das comunidades microbianas e das alterações nessas com base na composição dos alimentos, e como isso influencia o crescimento de comunidades bacterianas heterotróficas e autotróficas.

Várias características dos projetos de sistemas RAS foram desenvolvidas especificamente para lidar com sólidos (Timmons e Ebeling 2013); ver também revisão: (Vilbergsson et al. 2016b). Por exemplo, alguns biofiltros funcionam para manter partes substanciais de resíduos suspensas a fim de facilitar a degradação, enquanto outros filtram mecanicamente através de telas ou meios granulares. Outros ainda dependem da sedimentação para simplesmente coletar e remover lodo. No entanto, esses métodos não são particularmente eficazes para recuperar nutrientes dentro das lamas e torná-los biodisponíveis para utilização vegetal. Historicamente, este lodo tem sido manuseado em biorreatores por seu valor metanogênico ou desidratado para ser usado como fertilizante para culturas à base de solo, mas vários projetos mais recentes têm tentado melhorar a recuperação para uso no componente hidropônico. Melhorar a recuperação destas lamas é uma importante área de investigação, uma vez que uma parte significativa dos macro e micronutrientes essenciais necessários para o crescimento das plantas está ligada à matéria orgânica particulada, que, se descartada, é perdida do sistema. Ao adicionar um ciclo adicional de reciclagem de lodo ao sistema aquaponico, os resíduos sólidos podem ser convertidos em nutrientes dissolvidos para reutilização pelas plantas em vez de serem descartados (Goddek et al. 2018). Digestores ou biorreatores remineralizantes são uma maneira de conseguir isso, no entanto, uma das principais áreas atualmente subdesenvolvidas inclui o conhecimento de como as comunidades microbianas dentro desses digestores de lodo podem ser aprimoradas (por exemplo, através da adição de micróbios) ou melhor utilizadas (por exemplo, através de melhores projeto projetado de reatores ligados) para recuperar nutrientes em formas biodisponíveis para plantas. Embora as comunidades microbianas reais dentro de digestores de lodo não tenham sido bem pesquisadas para a aquapônica, há literatura considerável sobre a microbiota de digestores de lodo para esgoto e resíduos animais na agricultura, incluindo efluentes de peixe, que pode fornecer mais informações sobre projetos ideais para Recuperação de lamas no sistema aquaponico. A pesquisa atual sobre a incorporação de lodo ao sistema aquaponico envolve a remineralização em digestores situados entre a RAS e a unidade hidropônica (Goddek et al. 2016a, 2018). Dentro de biorreatores aeróbicos ou anaeróbios, as condições ambientais favoráveis à degradação dos resíduos podem efetivamente quebrar essas lamas em nutrientes biodisponíveis, que podem ser posteriormente entregues ao sistema hidropônico sem a presença de solo (Monsees et al. 2017). Muitos sistemas aquapônicos de um ciclo já incluem digestores aeróbicos (Rakocy et al. 2004) e anaeróbicos (Yogev et al. 2016) para transformar nutrientes que estão presos no lodo de peixe e torná-los biodisponíveis para as plantas. A capacidade de dissociar estes tem uma série de vantagens que são discutidas em [Chap. 8](/comunidade/artigos/capítulos 8-sistemas aquánicos desacoplados) e parece levar a taxas de crescimento mais elevadas (Goddek e Vermeulen 2018). No entanto, apesar dos muitos avanços, a tecnologia real para conseguir isso continua sendo desafiadora. Por exemplo, algumas bactérias heterotróficas desnitrificantes cultivadas em condições anóxicas ou mesmo aeróbias com lodo de RAS usarão nitrato como receptor de elétrons e fontes de carbono oxidado para energia, enquanto armazenam o excesso de P como polifosfato juntamente com íons metálicos divalentes, como Casup+2/SUP ou Cusup+2/SUP. Quando estressadas com pH alcalino, essas bactérias degradam o polifosfato e liberam ortofosfato, que é a forma necessária para a assimilação do fosfato pelas plantas (Van Rijn et al. 2006). A inserção de unidades de biorreatores de remineralização, como as de Goddek et al. (2018), poderia fornecer uma maneira de recuperar melhor P para hidroponia. Foram utilizados métodos semelhantes, por exemplo, com lamas de truta provenientes de uma RAS que foram tratadas para o teor de nitrato e de P que excedam os limites admissíveis de eliminação (Goddek et al. 2015). No entanto, as comunidades microbianas envolvidas nesses processos são sensíveis a condições de cultura como razões C:N, oxigenação, íons metálicos e pH, de modo que nitritos e outros intermediários nocivos podem se acumular. Apesar de uma vasta literatura sobre digestores de vários resíduos orgânicos, principalmente anaeróbios para produção de biogás (Ibrahim et al. 2016), há muito menos pesquisas sobre o tratamento de resíduos de RAS (Van Rijn 2013) e, no caso do sistema aquaponico, ainda menos pesquisas disponíveis sobre a relação entre nutrientes biodisponibilidade e crescimento de culturas no sistema hidropônico (Möller e Müller 2012). Neste momento, mais estudos sobre biorreatores de lodo RAS poderiam fornecer informações importantes sobre as condições de cultura para populações microbianas que produzem resultados favoráveis, por exemplo, sobre a recuperação de P, e sua introdução em unidades hidropônicas.

Um dos desafios atuais nos esforços para avaliar a recuperação de P a partir de lodo surge ao comparar ensaios de digestores anaeróbios e aeróbicos para sua eficácia (Goddek et al. 2016b; Monsees et al. 2017). Embora ambos os estudos tenham utilizado inicialmente uma composição semelhante de lodo, os resultados foram bastante diferentes. Em um estudo (Monsees et al. 2017), medidas de vários nutrientes solúveis em tratamentos aeróbicos resultaram em um aumento de 330% na concentração de P e uma diminuição de 16% na concentração de nitrato em comparação com aumentos menores em P e uma diminuição de 97% no nitrato nos tratamentos anaeróbicos. Por outro lado, resultados de um estudo semelhante (Goddek et al. 2016b) mostraram que o crescimento de plantas de alface em uma unidade hidropônica foi superior ao uso de sobrenadante anaeróbio, embora os tratamentos anaeróbio e aeróbio resultem apenas em recuperação de nitratos ligeiramente melhor a partir de condições anaeróbias e perda quase completa de POSub4/sub de ambos os tratamentos (Goddek et al. 2016b). Obviamente, fatores como composição e taxas de alimentação, suspensão versus sedimentação de sólidos, pH (mantido a 7 ± 1 com CaOHsub2/Sub no primeiro e variável 8.2—8.65 no último), amostragem e estirpes de peixes diferiram nestes dois estudos. No entanto, os resultados contrastantes para POSub4/Sub e NoSub3/Sub indicam a necessidade de mais pesquisas para otimizar a recuperação de nutrientes, com a adição de uma abordagem metagenômica para caracterizar comunidades microbianas, de modo a compreender melhor seu papel nesses processos.