9.3 Processos microbiológicos

9.3.1 Solubilização

A solubilização consiste na quebra das moléculas orgânicas complexas que compõem os resíduos de peixes e alimentam os restos em nutrientes sob a forma de minerais iónicos que as plantas podem absorver (Goddek et al. 2015; Somerville et al. 2014). Tanto na aquicultura (Sugita et al. 2005; Turcios e Papenbrock 2014) como na aquapônica, a solubilização é conduzida principalmente por bactérias heterotróficas (van Rijn 2013; Cap. 6) que ainda não foram totalmente identificadas (Goddek et al. 2015). Alguns estudos começaram a decifrar a complexidade dessas comunidades de bactérias (Schmautz et al. 2017). Na aquicultura atual, as bactérias mais comumente observadas são Rhizobium sp., Flavobacterium sp., Sphingobacterium sp., Comamonas sp., Acinetobacter sp., Aeromonas sp. e Pseudomonas sp. (Munguia-Fragozo et al. 2015; Sugita et al. 2005). Um exemplo do papel importante das bactérias na aquapônica poderia ser a transformação de fitatos insolúveis em fósforo (P) disponibilizados para absorção vegetal através da produção de fitases particularmente presentes em γ-proteobacteria (Jorquera et al. 2008). (Mais pesquisas precisam ser feitas nesta área). Outros nutrientes além de P também podem ser presos como sólidos e evacuados do sistema com o lodo. Assim, estão sendo feitos esforços para remineralizar este lodo com reatores UASB-EGSB, a fim de reinjetar nutrientes no sistema aquapônico (Delaide 2017; Goddek et al. 2016; [Cap. 10](/comunitário/artigos/capítulos 10-aeróbico-tratamentos-para-aquapônica-redução-e-mineralização)). Além disso, diferentes minerais não são liberados ao mesmo ritmo, dependendo da composição da ração (Leteliergordo et al. 2015), o que leva a um monitoramento mais complicado da sua concentração na solução aquapônica (Seawright et al. 1998).

9.3.2 Nitrificação

A principal fonte de nitrogênio em um sistema aquapônico é a alimentação de peixes e as proteínas que contém (Goddek et al. 2015; Ru et al. 2017; Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017). Idealmente, 100% deste alimento deve ser comido pelos peixes. No entanto, observou-se que os peixes utilizam apenas cerca de 30% do azoto contido nos alimentos para animais (Rafiee e Saad 2005). O alimento ingerido é parcialmente utilizado para assimilação e metabolismo (Wongkiew et al. 2017), enquanto o resto é excretado através das brânquias ou como urina e fezes (Ru et al. 2017). O nitrogênio que é excretado através das brânquias é principalmente na forma de amônia, NHsub3/sub (Wongkiew et al. 2017; Yildiz et al. 2017), enquanto urina e fezes são compostas de nitrogênio orgânico (Wongkiew et al. 2017) que é transformado em amônia por proteases e desaminases (Sugita et al. 2005). Em geral, os peixes excretam azoto sob a forma de TAN, ou seja, NHsub3/sub e NHsub4/subsup+/Sup. O equilíbrio entre NHsub3/sub e NHsub4/subsup+/Sup depende principalmente do pH e temperatura. O amoníaco é o principal resíduo produzido pelo catabolismo de peixes das proteínas alimentares (Yildiz et al. 2017).

A nitrificação é um processo em duas etapas durante o qual o NHsub3/Sub de amónio ou NHsub4/subsup+/Sup de amónio excretado pelos peixes é transformado primeiro em nitrito Nosub2/subsup-/Sup e, em seguida, em nitrato Nosub3/subsup-/Sup por bactérias autotróficas aeróbias quimiosintéticas específicas. Uma alta disponibilidade de oxigênio dissolvido é necessária como nitrificação consome oxigênio (Carsiotis e Khanna 1989; Madigan e Martinko 2007; Shoda 2014). O primeiro passo desta transformação é realizado por bactérias oxidantes de amônia (AOB), tais como Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus e Nitrosovibrio. O segundo passo é conduzido por bactérias oxidantes de nitrito (NOB) como Nitrobacter, Nitrococcus, Nitrospira e Nitrospina (Rurangwa e Verdegem 2013; Timmons and Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Nitrospira é atualmente deduzido como um nitrificador completo, ou seja, estar envolvido na produção tanto de nitrito como de nitrato (Daims et al. 2015). As mesmas bactérias podem ser encontradas tanto na aquicultura como nos sistemas aquapônicos (Wongkiew et al. 2017). Estas bactérias são encontradas principalmente em biofilmes fixados ao meio que compõe o biofiltro, mas também podem ser observadas nos outros compartimentos do sistema (Timmons e Ebeling 2013).

A nitrificação é de primordial importância na aquapônica, uma vez que o amoníaco e o nitrito são bastante tóxicos para os peixes: 0,02—0,07 mg/L de amônia—nitrogênio são suficientes para observar danos em peixes de água morna, e nitrito-nitrogênio deve ser mantido abaixo de 1 mg/L (Losordo et al. 1998; Timmons e Ebeling 2013). A amônia afeta o sistema nervoso central dos peixes (Randall e Tsui 2002; Timmons e Ebeling 2013), enquanto o nitrito induz problemas de fixação de oxigênio (Losordo et al. 1998). No entanto, o nitrogênio é tolerado pelos peixes até 150—300 mg/L (Goddek et al. 2015; Graber and Junge 2009; Yildiz et al. 2017).

A nitrificação ocorre principalmente em biofiltros (Losordo et al. 1998; Timmons e Ebeling 2013). Portanto, ao iniciar um sistema, recomenda-se executar o sistema sem peixes para permitir que a população de bactérias nitrificantes cresça lentamente (Timmons e Ebeling 2013; Wongkiew et al. 2017). Também é necessário evitar, na medida do possível, a presença de matéria orgânica nos biofiltros, a fim de evitar o crescimento de bactérias heterotróficas altamente competitivas (Timmons e Ebeling 2013). Alternativamente, misturas comerciais de bactérias nitrificantes podem ser adicionadas ao sistema, antes do estocamento, para acelerar o processo de colonização (Kuhn et al. 2010). No entanto, também existem pequenos sistemas aquapônicos sem biofiltro. Nestes sistemas, bactérias nitrificantes formam biofilmes das superfícies disponíveis (por exemplo, paredes do compartimento hidropônico, meios inertes quando se utiliza a técnica do leito de mídia) (Somerville et al. 2014).