9.4 Balanço de Massa: O que acontece com os nutrientes uma vez que eles entram no Sistema Aquapônico?
9.4.1 Contexto
O funcionamento dos sistemas aquapônicos baseia-se em um equilíbrio dinâmico dos ciclos de nutrientes (Somerville et al. 2014). Por conseguinte, é necessário compreender estes ciclos para optimizar a gestão dos sistemas. Plantas que crescem hidroponicamente têm requisitos específicos, que devem ser atendidos durante seus vários estágios de crescimento (Resh 2013). Portanto, as concentrações de nutrientes nos diferentes compartimentos do sistema devem ser monitoradas de perto e os nutrientes devem ser complementados para evitar deficiências (Resh 2013; Seawright et al. 1998) na água do sistema ou via aplicação foliar (Roosta e Hamidpour 2011).
De acordo com Delaide et al. (2016), em alguns casos, a suplementação de uma solução aquapônica com nutrientes minerais para atingir as mesmas concentrações de nutrientes que na hidropônica pode levar a rendimentos mais elevados do que os obtidos na hidropônica. O primeiro passo a dar para um sistema equilibrado é o design correto e o dimensionamento relativo dos compartimentos (Buzby e Lin 2014). Se o compartimento hidropônico for muito pequeno em comparação com os tanques de peixes, então os nutrientes se acumularão na água e poderão atingir níveis tóxicos. O rácio da taxa de alimentação (isto é, a quantidade de alimentos para peixes no sistema com base na superfície vegetal e no tipo de planta) é frequentemente utilizado para a primeira calibragem do sistema (Rakocy et al. 2006; Somerville et al. 2014). No entanto, de acordo com Seawright et al. (1998), não é possível alcançar uma relação planta/peixe que permita uma melhor correspondência das necessidades das plantas se apenas a alimentação dos peixes for utilizada como fonte de alimentação. Para garantir que o sistema esteja bem equilibrado e funcione corretamente, os métodos de monitoramento são geralmente baseados no ciclo do nitrogênio (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Somerville et al. 2014), mas para garantir o ótimo funcionamento do sistema, é necessário monitorar mais de perto o equilíbrio dos outros macronutrientes ( N, P, K, Ca, Mg, S) e micronutrientes (Fe, Zn, B, Mn, Mo, Cu) (Resh 2013; Somerville et al. 2014; Sonneveld e Voogt 2009). Estudos recentes (Delaide et al. (2017), Schmautz et al. (2015, 2016)) começaram a abordar este tema. Schmautz et al. (2015, 2016) compararam o impacto de três diferentes layouts hidropônicos (técnica de filme nutriente (NFT), jangada flutuante e irrigação por gotejamento) na absorção de nutrientes de tomates aquapônicos. A irrigação por gotejamento foi o sistema que produziu rendimentos ligeiramente melhores com tomates. O teor mineral dos frutos (P, K, Ca, Mg) foi equivalente aos valores convencionais, embora os teores de ferro e zinco tenham sido maiores. No entanto, as folhas apresentaram níveis mais baixos de P, K, S, Ca, Mg, Fe, Cu e Zn do que na agricultura convencional. Delaide et al. (2016) acompanharam os ciclos de macro e micronutrientes em um sistema aquapônico acoplado. Eles observaram que K, P, Fe, Cu, Zn, Mn e Mo estavam faltando em sua solução aquapônica, enquanto N, Ca, B e Na foram rapidamente acumulados. Graber e Junge (2009) observaram que sua solução aquapônica continha três vezes menos nitrogênio e dez vezes menos fósforo do que uma solução hidropônica. Quanto ao potássio (K), foi 45 vezes menor em comparação com a hidropônica. No entanto, obtiveram rendimentos como rendimentos semelhantes, embora a qualidade tenha sido mais pobre devido à falta de potássio (K).
Fatores que influenciam os Ciclos de Nutrientes
A intensidade da luz, a temperatura da zona radicular, a temperatura do ar, a disponibilidade de nutrientes, o estágio de crescimento e a taxa de crescimento influenciam a absorção de nutrientes de uma planta (Buzby e Lin 2014). Os experimentos realizados por Schmautz et al. (2016) e Lennard e Leonard (2006) mostraram que o método hidropônico também pode desempenhar um papel na capacidade de absorção de nutrientes de uma planta, sendo, portanto, necessário combinar o sistema de cultivo com o tipo de hortaliças cultivadas. A NFT e a DWC (cultura de águas profundas — jangada) são, portanto, adequadas para folhas verdes, enquanto a irrigação por gotejamento em lajes de lã de rocha é mais adequada para vegetais frutados (Resh 2013).
9.4.2 Ciclos de macronutrientes
**Carbono (C) **
O carbono é fornecido aos peixes através da alimentação animal (Timmons e Ebeling 2013) e às plantas através da fixação CoSub2/Sub. Os peixes podem utilizar 22% do carbono contido na alimentação dos peixes para aumentar a biomassa e o metabolismo. O restante do carbono ingerido é expirado sob a forma de CoSub2/Sub (52%) ou excretado numa forma dissolvida (0,7— 3%) e sólida (25%) (Timmons e Ebeling 2013). O CoSub2/Sub expirado também pode ser usado por plantas para sua própria fonte de carbono (Körner et al. 2017). A parte não consumida do carbono alimentar é deixada para se decompor no sistema. O tipo de hidratos de carbono encontrados nos alimentos para peixes (por exemplo, amido ou polissacáridos não amiláceos) pode também influenciar a digestibilidade dos alimentos para animais e a biodegradabilidade dos resíduos num sistema aquícola ou aquapónico (Meriac et al. 2014).
**Nitrogênio (N) **
O nitrogênio é absorvido pelas plantas na forma de nitrato ou amônio (Sonneveld e Voogt 2009; Xu et al. 2012) dependendo da concentração e fisiologia da planta (Fink e Feller 1998 citados por Wongkiew et al. 2017). As associações entre plantas e microrganismos não devem ser negligenciadas, pois as plantas afetam a presença dos microrganismos na aquapônica, e os microrganismos podem desempenhar um papel significativo na capacidade de absorção de nitrogênio das plantas (Wongkiew et al. 2017). A absorção de nitrogênio pelas plantas é afetada pela concentração de dióxido de carbono ambiente (Zhang et al. 2008 citado por Wongkiew et al. 2017).
**Fósforo (P) **
O fósforo é um dos elementos essenciais para o crescimento das plantas e pode ser absorvido sob sua forma de ortofosfato iônico (Hsub2/subposub4/subsup-/sup, HPOsub4/subsup2-/sup, POsub4/subsup3-/sup) (Prabhu et al. 2007; Resh 2013). Pouco se sabe sobre a dinâmica do fósforo em aquaponia. A principal entrada de fósforo no sistema é a alimentação de peixes (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Delaide et al. 2017; Schmautz et al. 2015), e em sistemas não suplementados ([Chap. 7](/comunidade/artigos/capítulos 7-acoplados aquaponics-sistemas), o fósforo tende a ser limitante e, assim, pode impedir o crescimento vegetal (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998). De acordo com Rafiee e Saad (2005), os peixes podem utilizar até 15% do fósforo contido na ração. Em um sistema de cultivo de alface, Cerozi e Fitzsimmons (2017) perceberam que a quantidade de fósforo fornecida pela ração de peixe pode ser suficiente ou insuficiente dependendo do estágio de crescimento. Até 100% do fósforo presente na água dos peixes podem ser reciclados na biomassa vegetal, dependendo do projeto do sistema. Graber e Junge (2009) observaram 50% de reciclagem, enquanto Schmautz et al. (2015) relataram que 32% do fósforo poderia ser encontrado na fruta e 28% nas folhas. A solubilidade do fósforo depende do pH, e um pH maior fomentará a precipitação do fósforo, tornando-o indisponível para as plantas (Yildiz et al. 2017). O fósforo pode precipitar como estruvita (fosfato de magnésio amônio) (Le Corre et al. 2005) e/ou hidroxiapatita (Cerozi e Fitzsimmons 2017; Goddek et al. 2015). Estes complexos insolúveis são removidos através de lodo de peixe sólido do sistema. Schneider et al. (2004) relataram que 30-65% do fósforo contido na ração dos peixes permanece indisponível para as plantas, pois é fixado nas excreções sólidas que são então removidas por filtração mecânica. Yogev et al. (2016) estimaram que essa perda pode ser de até 85%. Uma opção para evitar esta perda maciça de P através de lodo sólido é adicionar um compartimento de digestão ao sistema aquapônico. Durante a digestão aeróbica ou anaeróbica, o P é liberado na digestação e pode ser reintroduzido na água circulante (Goddek et al. 2016).
**Potássio (K) **
Delaide et al. (2017) descobriram que a principal fonte de K em seu sistema foi a alimentação de peixes. Os peixes podem utilizar até 7% do K contido nos alimentos para peixes (Rafiee e Saad 2005). No entanto, o potássio não é necessário para os peixes, o que leva a uma composição baixa de potássio da ração dos peixes e a níveis ainda mais baixos de potássio disponíveis para as plantas (Graber and Junge 2009; Seawright et al. 1998; Suhl et al. 2016). Para fornecer potássio, um tampão de pH KOH é frequentemente usado, pois o pH geralmente diminui na aquapônica devido à nitrificação (Graber e Junge 2009). Em um sistema aquapônico plantado com tomate, o potássio acumulou-se principalmente nos frutos (Schmautz et al. 2016).
**Magnésio (Mg), Cálcio (Ca) e Enxofre (S) **
A principal fonte de Mg, Ca e S é a água da torneira que facilita a absorção pelas plantas, já que os nutrientes já estão disponíveis (Delaide et al. 2017). No entanto, o cálcio está presente em níveis insuficientes em aquapônicos (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998) e é adicionado sob a forma de hidróxido de cálcio Ca (OH) sub2/sub (Timmons e Ebeling 2013). De acordo com Rafiee e Saad (2005), os peixes podem utilizar, em média, 26,8% do cálcio e 20,3% do magnésio presente na ração. O enxofre está frequentemente em níveis baixos em sistemas aquapônicos (Graber e Junge 2009; Seawright et al. 1998).
9.4.3 Ciclos de micronutrientes
O ferro (Fe), o manganês (Mn) e o zinco (Zn) derivam principalmente da ração dos peixes, enquanto o boro (B) e o cobre (Cu) derivam da água da torneira (Delaide et al. 2017). Na aquapônica, os micronutrientes chave estão frequentemente presentes, mas em níveis muito baixos (Delaide et al. 2017), e a suplementação a partir de fontes externas de nutrientes é então necessária ([Cap. 8](/comunidade/artigos/capítulos 8 deacoplados-aquaponics-sistemas)). As deficiências de ferro ocorrem muito frequentemente na aquapônica (Schmautz et al. 2015; Seawright et al. 1998; Fitzsimmons e Posadas; 1997 citado por Licamele 2009), principalmente devido à indisponibilidade da forma de íon férrico. Esta deficiência pode ser resolvida pelo uso de sideróforos bacterianos (isto é, compostos orgânicos quelantes de ferro) produzidos por gêneros como Bacillus ou Pseudomonas (Bartelme et al. 2018) ou pela suplementação de ferro com ferro quelatado químico para evitar a precipitação de ferro.
9.4.4 Perdas de nutrientes
Reduzir a perda de nutrientes é um desafio constante que os praticantes de aquaponia enfrentam. A perda de nutrientes ocorre de várias formas, por exemplo, a liquidação das lamas (37% das fezes e 18% dos alimentos não consumidos) (Neto e Ostrensky 2015), perdas de água, desnitrificação, volatilização do amoníaco, etc. (Wongkiew et al. 2017). A título de exemplo, Rafiee e Saad (2005) observam que 24% do ferro, 86% do manganês, 47% do zinco, 22% do cobre, 16% do cálcio, 89% do magnésio, 6% do nitrogênio, 6% do potássio e 18% do fósforo contido na ração dos peixes estavam contidos nas lamas. O lodo pode conter até 40% dos nutrientes presentes na alimentação (Yogev et al. 2016).
A desnitrificação pode levar a uma perda de 25 a 60% do azoto (Hu et al. 2015; Zou et al. 2016). A desnitrificação também está ligada a condições anóxicas (Madigan e Martinko 2007; van Lier et al. 2008) e baixos níveis de carbono e é responsável pela transformação do nitrato em nitrito, óxido nítrico (NO), óxido nitroso (NSub2/Subo) e, eventualmente, gás nitrogenado (NSub2/sub) com fluxos para a atmosfera (ibid. ). A desnitrificação é conduzida por várias bactérias heterotróficas facultativas, tais como Achromobacter, Aerobacter, Acinetobacter, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium, Pseudomonas, Proteus e Micrococcus sp. (Gentile et al. 2007; Michaud et al. 2006; Wongkiew et al. 2017). Algumas bactérias podem realizar nitrificação e desnitrificação se os níveis de oxigênio dissolvido estiverem abaixo de 0,3 mg/L (Fitzgerald et al. 2015; Wongkiew et al. 2017). A perda de nitrogênio também pode ocorrer por oxidação anaeróbica de amônio (ANAMMOX), ou seja, a oxidação do amônio em gás dinitrogênio na presença de nitrito (Hu et al. 2011).
Outra importante perda de nitrogênio que deve estar disponível para as plantas é o consumo do nitrogênio pelas bactérias aeróbias heterotróficas presentes nos sistemas aquapônicos. De fato, o nitrogênio usado por essas bactérias é perdido para bactérias nitrificantes, e a nitrificação é assim impedida (Blancheton et al. 2013). Estas bactérias estão particularmente presentes quando a relação C/N aumenta à medida que são mais competitivas e mais capazes de colonizar os meios do que as bactérias nitrificantes autotróficas (Blancheton et al. 2013; Wongkiew et al. 2017).
9.4.5 Dinâmica dos Sistemas de Balanço Nutri
A concentração de nutrientes dos dois principais subsistemas num sistema aquapónico, isto é, os tanques de peixes (aquicultura) e a solução hidropônica, tem de ser equilibrada em função de cada uma das suas necessidades. Em sistemas aquapônicos fechados, os nutrientes são transportados de peixes para plantas mais ou menos diretamente através de filtros (geralmente um filtro de tambor ou um colono e, em seguida, um biofiltro) para nitrificação. No entanto, as necessidades de nutrientes das culturas e os nutrientes fornecidos pelo subsistema aquapónico não estão em equilíbrio. Em sistemas multi-loop e desacoplados (Cap. 8), é mais fácil fornecer condições ideais para as seções de peixes e plantas. Através da modelagem dos sistemas ([Cap. 11](/comunidade/artigos/capítulos 11-aquaponics-modelagem)), o tamanho ideal da área hidropônica para os tanques de peixes, biofiltros e outros equipamentos pode ser calculado (Goddek e Körner 2019). Isto é particularmente importante com os sistemas multi-loop dissociados que compreendem vários tipos de equipamentos. Por exemplo, UASB (cobertor de lodo anaeróbio ascendente) (Goddek et al. 2018) ou unidades de dessalinização (Goddek e Keesman 2018) precisam ser dimensionadas cuidadosamente conforme discutido em Cap. 8. A inadequação básica dos nutrientes fornecidos pelo ambiente dos peixes e as necessidades das culturas tem de ser corrigida e equilibrada. Para a concentração dos nutrientes, Goddek e Keesman (2018) descreveram uma unidade de dessalinização adequada (Cap. 8). Esta abordagem, no entanto, apenas resolve uma parte do problema, uma vez que o sistema perfeitamente equilibrado é impulsionado por uma taxa de evaporação não dinâmica alcançável apenas em câmaras fechadas e plantas que funcionam perfeitamente. A realidade, no entanto, é que a evapotranspiração da cultura (ETSubc/Sub) em sistemas aquapônicos baseados em estufa é altamente dependente de múltiplos fatores, como clima físico e variáveis biológicas. O ETsubc/sub é calculado por área da superfície do solo coberta pela cultura e é calculado para diferentes níveis no dossel (z), integrando fluxos líquidos irradiativos, resistência da camada limite, resistência aos estomatos e déficitsub da pressão de vapor, /sub no dossel (Körner et al. 2007) utilizando o Equação de Monteith. Esta equação, no entanto, apenas calcula o fluxo de água através da cultura. A absorção de nutrientes pode ser calculada simplesmente assumindo que todos os nutrientes diluídos na água são absorvidos pela cultura. Na realidade, porém, a absorção de nutrientes é uma questão altamente complicada. Diferentes nutrientes têm estados diferentes, mudando com parâmetros como o pH. Enquanto isso, a disponibilidade de nutrientes para as plantas depende fortemente do pH e das relações dos nutrientes entre si (por exemplo, disponibilidade de K/Ca). Além disso, o microbioma na zona radicular desempenha um papel importante (Orozco-Mesquita et al. 2018) que ainda não está implementado em modelos, embora alguns modelos diferenciem entre vias de phloema e xilema. Assim, a grande quantidade de nutrientes não é modelada em detalhes para balanceamento de nutrientes aquapônicos e dimensionamento de sistemas. A forma mais fácil de estimar a absorção de nutrientes é o pressuposto de que os nutrientes são absorvidos/absorvidos como dissolvidos na água de irrigação e aplicam-se à abordagem de cálculo ETsubc/sub explicada acima e assumindo que não existem resistências químicas, biológicas ou físicas específicas de elementos. Consequentemente, para manter o equilíbrio, todos os nutrientes absorvidos pela cultura como contidos na solução nutritiva precisam ser adicionados de volta ao sistema hidropônico.