# O ciclo do nitrogênio

O nitrogênio é um elemento essencial para todos os organismos vivos e é o principal nutriente preocupante na aquapônica. Ocorre em aminoácidos (partes de proteínas), ácidos nucleicos (DNA e RNA) e na molécula de transferência de energia trifosfato de adenosina (Pratt & Cornely 2014). Como o nitrogênio ocorre em muitas formas químicas, o ciclo do nitrogênio é muito complexo (Figura 3).

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A maioria da atmosfera terrestre (78%) é o gás nitrogenado atmosférico, que é dinitrogênio molecular (N₂). O nitrogênio é muito não-reativo e não tem uso para a maioria dos organismos. Fixação de nitrogênio são todos os processos que convertem gás nitrogênio atmosférico em compostos que podem ser denominados nitrogênio reativo (Nr). Nr inclui todos os compostos N biologicamente ativos, fotoquimicamente reativos e radiativamente ativos na atmosfera e na biosfera. Inclui formas inorgânicas reduzidas de N (por exemplo, NH₃ e NH ⁺), formas oxidadas inorgânicas (por exemplo, NO, HNO, N O e NO ^—) e compostos orgânicos (por exemplo, ureia, aminas e proteínas) (Galloway et al. 2008).

A fixação de nitrogênio pode ocorrer naturalmente por raios, pois o ar muito quente quebra as ligações de N2 iniciando a formação de ácido nitroso. Pode ser realizada quimicamente em uma reação chamada processo Haber-Bosch. A fixação biológica de nitrogênio ocorre quando N₂ é convertido em amônia por uma enzima chamada nitrogenase. Os microorganismos que consertam N₂ são principalmente anaeróbios. A maioria das leguminosas (feijão, ervilhas etc) tem nódulos em seus sistemas radiculares que contêm bactérias simbióticas chamadas rizóbia que ajudam a planta a crescer e competir com outras plantas. Quando a planta morre, o nitrogênio fixo é liberado, tornando-o disponível para outras plantas.

A Figura 4 mostra o ciclo do nitrogênio tal como ocorre na aquapônica. Na aquapônica, duas partes da cadeia alimentar (produtores primários e consumidores) que geralmente ocorrem em conjunto são separadas espacialmente nos compartimentos aquícolas e hidropônicos. Os efeitos sinérgicos que permitem uma utilização eficiente dos nutrientes são mediados por microrganismos.

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Figura 4: O ciclo do nitrogênio em aquapônica.

O nitrogênio entra no sistema aquapônico através de alimentos para peixes, que é ingerido pelos peixes e posteriormente excretado como nitrogênio de amônia total (TAN, amônia - NH₃ e amônio — NH₄ ⁺) (Wongkiew et al. 2017). O nitrogênio é convertido em amônio (NH4 +) em condições de pH ácidas ou neutras, ou amônia (NH3) em níveis de pH mais elevados. A concentração de amônia depende do teor de amônio, do pH e da temperatura (Figura 5, Tabela 3). O amoníaco é menos solúvel em água do que o NH4 +; portanto, o NH₃ é rapidamente convertido para uma forma gasosa e emitido da água [Gay & Knowlton 2009].

Enquanto o amónio (NH ⁺) não é tóxico, o amoníaco (NH) é. Portanto, o TAN deve ser removido da água do sistema e idealmente convertido em nitrato por duas razões: (i) o amoníaco e o nitrito, um produto secundário da nitrificação, são ambos prejudiciais para os peixes, enquanto o nitrato é tolerado pelos peixes até 150-300 mg/L (Graber & Junge 2009); (ii) TAN não é ideal para plantas, que requerem predominantemente nitratos ou uma mistura de amónio e nitrato para o crescimento (Hu et al. 2015). Este processo de oxidação biológica de amônia ou amônio para nitrito seguido da oxidação do nitrito para nitrato é chamado de nitrificação e ocorre principalmente no biofiltro de sistemas aquapônicos (Tabela 4). A nitrificação é um processo aeróbio realizado por pequenos grupos de bactérias autotróficas e archaea e foi descoberto pelo microbiologista russo Sergei Winogradsky (1892).

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Figura 5: Equilíbrio de amônia e amônio em função de diferentes temperaturas e pH (de [Cofie *et al., * 2016)](https://books.google.ch/books?hl=de&lr&id=QrukDQAAQBAJ&oi=fnd&pg=PA4&dq=Olufunke%2BCofie%2C%2BJosiane%2BNikiema%2C%2BRobert%2BImpraim%2C%2BNoah%2BAdamtey%2C&ots=HAbGMAi2ez&sig=_dLKbnyjWbY1UuhW2e3N - 5520OQ%23V%3DONEPAGE&Q=OLUFunke%20COFIE%2C%20Josiane%20NIKIEMA%2C%20Robert%20Impraim%2C%20NOAH%20ADAMTEY%2C&f=false)

Tabela 3: Percentagem (%) de amoníaco não ionizado em solução aquosa a diferentes valores de pH e temperaturas. Para calcular a quantidade de amoníaco não ionizado presente, a concentração de azoto amoníaco total (TAN) deve ser multiplicada pelo factor adequado seleccionado a partir deste quadro utilizando o pH e a temperatura da sua amostra de água e dividida por 100. Se a concentração resultante for superior a 0,05 mg/L, o amoníaco está prejudicando o peixe (adaptado após Francis-Floyd et al. 2009)

Quadro 4: Equações químicas da nitrificação. A nitrificação é geralmente um processo de duas etapas, realizado por um grupo especializado de bactérias, chamado nitrificadores

| Equação | Bactérias envolvidas | | — | — | | $NH_4^+ +1.5 O_2 → NO_2^- +2H^+ +H_2O + energia$ | nitritação; bactérias oxidantes de amônia (AOB) | | $HO_2^- +0.5O_2→NO_3^-+ energia$ | nitratação; bactérias oxidantes de nitrito (NOB) | | $NH_4^+ + 2.0O_2 →No_3^-+2H^++H_2O+energia$ | nitrificadores |

A transformação de amônia em nitrito é geralmente o passo limitante da taxa de nitrificação. Isso ocorre porque AOB (bactérias do gênero Nitrosomonas, Nitrosospira, Nitrosovibrio sp.*, * etc.) e NOB (bactérias do gênero *Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus, * etc.) têm diferentes taxas de crescimento, causando nitrificação parcial, especialmente durante o período de inicialização, levando a NO ^- acumulação até que os nitrificadores estejam totalmente estabelecidos, o que pode levar até 4 semanas (Figura 6).

Desnitrificação (quadro 5) é a conversão de nitrato (NO₃-) em nitrito (NO₂^-), óxido nítrico (NO), óxido nitroso (N₂O) e, finalmente, em azoto gasoso (N₂) em condições anóxicas e anaeróbias (níveis muito baixos ou nulos de oxigénio dissolvido). A desnitrificação é realizada por dentrificadores, que pertencem a grupos taxonomicamente diferentes de archaea e bactérias heterotróficas facultativas. Como N₂O é um gás de efeito estufa mais potente do que o CO₂, sua produção deve ser reduzida ao mínimo (Zou et al. 2016) para maximizar as taxas de incorporação de N na biomassa vegetal.

Figura 6: Início do biofiltro: desenvolvimento de concentrações de amoníaco, nitrito e nitrato ao longo do tempo. (LECA denota Light Expanded Clay Aggregate, um meio frequentemente usado em hidroponia)

Tabela 5: Equações químicas das reações de desnitrificação. A desnitrificação geralmente ocorre através de alguma combinação das seguintes meias-reações, com a enzima catalisando a reação entre parênteses

| Equações | Enzima catalisando a reação | | — | — | | $^−_3 + 2^+ 2 ^−→ ^−_2 + _2$ | Redutase de nitrato | | $_2^− + 2^+ + ^− → + _2$ | Redutase de nitrito | | $2 + 2 ^+ 2 ^− → _2+ _2$ | redutase de óxido nítrico | | $_2+ 2 ^+ 2 ^− → _2 + _2$ | redutase de óxido nitroso | | $2^−_3 + 12 ^+ 10 ^− → _2 + 6_2$ | O processo completo pode ser expresso como uma reação redox balanceada líquida |

Oxidação anaeróbica de amônio (anammox) . As bactérias mediadoras deste processo foram identificadas em 1999 (Strous et al. 1999). Anammox pode existir em sistemas aquapônicos porque as características da água são semelhantes às dos sistemas de aquicultura, onde o processo de anammox foi demonstrado ocorrer (Wongkiew et al. 2017). No entanto, a taxa de anammox é 10 vezes mais lenta do que a taxa de nitrificação. O processo de anammox tem sido relatado como contribuindo para a perda de nitrogênio em diferentes ecossistemas (Burgin & Hamilton 2007, Hu et al. 2010). Uma vez que o amoníaco e o nitrito estão disponíveis em sistemas aquapónicos, o azoto pode ser formado através do processo anammox em condições anóxicas no biofiltro (Tabela 6).

Quadro 6: Equação química da reacção annamox

| Equação | Bactérias envolvidas | | — | — | | $^+_4 + ^−_2 → _2 + 2 _2 + $ | bactérias anammox |

Ciclo de fósforo

O fósforo (P) é o segundo macronutriente mais importante para o crescimento das plantas e é necessário em quantidades relativamente grandes. Ele desempenha um papel na respiração e divisão celular e é usado na síntese de compostos energéticos. P entra no sistema aquapônico por meio de alimentos para peixes, água da torneira e adições de fertilizantes (se aplicável). A forma química em que P está presente na solução nutritiva depende do pH. Os PKs (medida quantitativa de acidez) para a dissociação de H₃PO₄em H₂PO₄^- e depois em HPO₄^2- são 2.1 e 7.2 respectivamente (Schachtman et al. 1998, citado em da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016. Portanto, na faixa de pH mantida em sistemas aquapônicos, P está presente principalmente na forma H₂PO₄^-, e menos como H₃PO₄ou HPO₄^2-. As plantas só podem absorver P como os íons ortofosfato livre H₂PO₄^- e HPO₄^2- . Estudos experimentais e de simulação mostraram que a disponibilidade de P diminui com o aumento do pH da água aquapônica devido à precipitação (Figura 7).

Se o pH na solução de nutrientes aquapônicos aumenta, P liga-se a vários cátions, de modo que menos íons P livres (PO₄) estão disponíveis em solução, mas existem espécies de fosfato de cálcio mais insolúveis, que precipitam a partir da solução. Esses complexos insolúveis podem se acumular no lodo de peixe (Schneider et al. 2005 ou nos sedimentos e perifíton nas paredes e tubulações do sistema aquapônico. Yogev et al. (2016) estimaram que essa perda pode ser de até 85%. Uma opção para evitar essa perda maciça de P via lodo 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). da Silva Cerozi & Fitzsimmons (2016 também demonstrou a importância da matéria orgânica e da alcalinidade na manutenção de íons fosfatados livres em solução em altas faixas de pH. No entanto, recomenda-se que o pH em sistemas aquapônicos seja mantido em uma faixa de 5,5-7,2 para uma ótima disponibilidade e absorção pelas plantas.

Figura 7: Especiação das principais formas de P em solução aquapônica em função do pH como simulado no Visual MINTEQ. Note-se que nem todas as espécies PO₄ estão descritas no gráfico (de da Silva Cerozi & Fitzsimmons 2016)

A dinâmica precisa do fósforo em aquapônica ainda não é compreendida. A principal entrada de fósforo no sistema é a alimentação dos peixes, e em sistemas não suplementados o fósforo tende a ser limitante (Graber & Junge 2009; Seawright et al. 1998. Esta é também a razão pela qual até 100% do fósforo presente na água dos peixes podem ser reciclados na biomassa vegetal, dependendo do projeto do sistema (Graber & Junge 2009).

*Copyright © Parceiros do Projeto Aqu @teach. Aqu @teach é uma Parceria Estratégica Erasmus+ no Ensino Superior (2017-2020) liderada pela Universidade de Greenwich, em colaboração com a Universidade de Zurique de Ciências Aplicadas (Suíça), a Universidade Técnica de Madrid (Espanha), a Universidade de Liubliana e o Centro Biotécnico Naklo (Eslovénia) . *