Aqu @teach: Sistemas hidropônicos

Existem três tipos principais de sistemas hidropônicos (ver também o Módulo 1). Na hidroponia do leito de mídia as plantas crescem em um substrato. Em sistemas de técnica de filme nutriente (NFT) as plantas crescem com suas raízes em tubos largos fornecidos com um fio de água. Em sistemas de cultura de águas profundas (DWC) ou jangadas flutuantes, as plantas são suspensas acima de um tanque de água usando uma jangada flutuante. Cada tipo tem suas vantagens e desvantagens que são discutidas com mais detalhes abaixo. A evidência é algo contraditória em termos de sua relativa eficiência para a produção de culturas em sistemas aquapônicos. Lennard e Leonard (2006) compararam os três subsistemas hidropônicos para produção de alface e encontraram a maior produção em leitos de cascalho, seguido por DWC e NFT. No entanto, estudos subsequentes de Pantanella et al. 2012 descobriram que a NFT teve um desempenho tão bom quanto a DWC, enquanto que o leito mediático consistentemente apresentou baixo desempenho em termos de rendimento.

Quanto ao papel do desenho do componente hidropônico no desempenho geral e no consumo de água de sistemas aquapônicos, uma revisão de literatura realizada por Maucieri et al. 2018 constatou que a NFT é menos eficiente do que a hidropônica do leito de mídia ou da DWC, embora os resultados não fossem inequívocos. O componente hidropônico influencia diretamente a qualidade da água, essencial para a criação de peixes, e é também a principal fonte de perda de água por evapotranspiração vegetal. O desenho do componente hidropônico influencia, portanto, a sustentabilidade de todo o processo, seja diretamente em termos de consumo de água e/ou indiretamente em termos de custos de gestão do sistema. A escolha do componente hidropônico para um sistema aquapônico também influenciará o projeto de todo o sistema. Por exemplo, em sistemas de leito de mídia, o substrato geralmente fornece área de superfície suficiente para crescimento e filtração de bactérias, enquanto nos canais NFT a área de superfície é insuficiente, e biofiltros adicionais precisarão ser instalados (Maucieri et al. 2018).

Hidroponia do leito de mídia

Na hidroponia do leito de mídia, um meio de crescimento sem solo ou substrato é usado para ajudar as raízes a suportar o peso da planta. O leito de mídia também serve como um filtro biológico e físico. Dos subsistemas hidropônicos, os leitos de mídia têm a filtração biológica mais eficiente devido à grande área superficial onde o biofilme, contendo bactérias nitrificantes e outras, pode colonizar. O substrato também captura os resíduos sólidos e suspensos de peixe e outras partículas orgânicas flutuantes, embora a eficácia deste filtro físico dependa da partícula e do tamanho do grão do substrato e do caudal da água. Ao longo do tempo, as partículas orgânicas são lentamente divididas por processos biológicos e físicos em moléculas e íons simples que estão disponíveis para as plantas absorverem (Somerville et al. 2014b).

O substrato pode ser orgânico, inorgânico, natural ou sintético (Figura 1) e é alojado em recipientes de cultivo de diferentes formas. Ele precisa ter uma área de superfície adequada, permanecendo permeável à água e ao ar, permitindo que as bactérias cresçam, a água flua e as raízes das plantas respirem. Deve ser não tóxico, ter um pH neutro para não afetar a qualidade da água e ser resistente ao crescimento do molde. Também não deve ser tão leve que flutua. Retenção de água, arejamento e equilíbrio de pH são aspectos que variam dependendo do substrato. A água é retida na superfície das partículas e dentro do espaço dos poros, de modo que a retenção de água é determinada pelo tamanho, forma e porosidade das partículas. Quanto menores as partículas, mais próximas elas são embaladas, maior a área superficial e o espaço dos poros e, portanto, maior a retenção de água. As partículas de forma irregular têm uma área de superfície maior e, portanto, maior retenção de água do que as partículas lisas e redondas. Materiais porosos podem armazenar água dentro das próprias partículas; portanto, a retenção de água é alta. Embora o substrato deva ser capaz de uma boa retenção de água, deve também ser capaz de uma boa drenagem. Portanto, materiais excessivamente finos devem ser evitados de modo a evitar a retenção excessiva de água e a falta de movimento de oxigênio dentro do substrato. Todos os substratos precisam ser limpos periodicamente (Resh 2013).

Substratos também podem ser classificados como granulares ou fibrosos. Os substratos granulares incluem agregado de argila expandida leve, cascalho, vermiculita, perlita e pedra-pomes. Substratos fibrosos incluem lã de rocha e fibra de coco. A água é mantida principalmente no espaço microporo de um substrato, enquanto a drenagem rápida e a entrada de ar são facilitadas pelos macróporos (Drzal et al. 1999). Uma combinação adequada de poros grandes e pequenos é, portanto, essencial (Raviv et al. 2002). Os substratos granulares apresentam alta macroporosidade (disponibilidade de ar) mas microporosidade comparativamente baixa (disponibilidade de água), enquanto os substratos fibrosos apresentam alta microporosidade, mas macroporosidade comparativamente baixa.

O agregado de argila expandida leve (LECA) é muito leve em comparação com outros substratos, o que o torna ideal para a aquapônica do telhado. Ele vem em uma variedade de tamanhos; os tamanhos maiores com diâmetros de 8-20 mm são recomendados para aquapônica (Somerville et al. 2014). Espaços de poros maiores (macroporosidade) significam melhor percolação da solução através do substrato e melhor suprimento de ar, mesmo quando os biofilmes cobrem as superfícies. No entanto, o LECA possui pequenos microporos e, portanto, não possui boa capacidade de retenção de água.

O cascalho vulcânico (tufo) tem uma relação área superficial/volume muito alta que proporciona um amplo espaço para a colonização das bactérias, e é quase quimicamente inerte, exceto para pequenas liberações de microelementos como ferro e magnésio e a absorção de íons fosfato e potássio nos primeiros meses. O tamanho recomendado do cascalho vulcânico é de 8 a 20 mm de diâmetro. O cascalho menor provavelmente entupirá com resíduos sólidos, enquanto o cascalho maior não oferece a área de superfície necessária ou o suporte da planta (Somerville et al. 2014b).

O cascalho de calcário não é recomendado como substrato, embora às vezes seja usado. O calcário tem uma relação superfície-volume mais baixa do que o cascalho vulcânico, é comparativamente pesado e não é inerte. O calcário é composto principalmente por carbonato de cálcio (CaCO₃), que se dissolve em água. Isso aumentará o pH e, portanto, só deve ser usado quando as fontes de água forem muito baixas em alcalinidade ou ácidas. No entanto, uma pequena adição de calcário pode ajudar a contrabalançar o efeito acidificante das bactérias nitrificantes, o que pode compensar a necessidade de tamponamento regular de água em sistemas aquapônicos bem equilibrados (Somerville et al. 2014b).

A vermiculita é um mineral micáceo que se expande quando aquecido acima de 1000° C. A água se transforma em vapor, formando grãos pequenos, porosos e semelhantes a esponjas. A vermiculita é muito leve em peso e pode absorver grandes quantidades de água. Quimicamente, é um silicato de magnésio-alumínio-ferro hidratado. É neutro em reação com boas propriedades de tamponamento, e tem uma capacidade de troca catiônica relativamente alta e, portanto, pode manter nutrientes em reserva e depois liberá-los. Ele também contém um pouco de magnésio e potássio, que está disponível para plantas (Resh 2013).

Perlite é um material silicioso de origem vulcânica, extraído de fluxos de lava. É aquecido a 760 C, o que transforma a pequena quantidade de água em vapor, expandindo assim as partículas para pequenos grãos semelhantes a esponja. Perlite é muito leve e vai segurar três a quatro vezes o seu peso de água. É essencialmente neutro, com um pH de 6,0-8,0, mas sem capacidade de tamponamento; ao contrário da vermiculita, não tem capacidade de troca catiônica e não contém nutrientes menores. Ele não deve ser usado por conta própria, mas sim misturado com outro substrato, a fim de melhorar a drenagem e arejamento e, assim, evitar o acúmulo de nutrientes e problemas de toxicidade subsequentes, proporcionando um ambiente rico em oxigênio para que as raízes prosperem (Resh 2013).

A pedra-pomes, como a perlita, é um material silicioso de origem vulcânica e tem essencialmente as mesmas propriedades. No entanto, é o minério bruto após esmagamento e triagem, sem qualquer processo de aquecimento e, portanto, é mais pesado e não absorve água tão facilmente, uma vez que não foi hidratado (Resh 2013).

Rockwool é feito de rocha de basalto que é fundido em fornos a uma temperatura de 1500° C. O basalto líquido é então girado em fios e comprimido em pacotes de lã que são cortados em lajes, blocos ou plugues. A maior parte da rápida expansão da indústria de efeito estufa nas últimas duas décadas tem sido com a cultura da lã de rocha. No entanto, nos últimos anos, foram levantadas preocupações quanto à sua eliminação, uma vez que não se decompõe em aterros sanitários. Agora, muitos produtores estão se voltando para um substrato mais sustentável — fibra de coco (Resh 2013).

A fibra de coco (ou coir) é um substrato orgânico derivado de cascas de coco desgastadas e moídas. É próximo do pH neutro e retém água, permitindo uma boa quantidade de oxigênio para as raízes (Resh 2013).

Tabela 1: Características dos diferentes meios de cultivo (após Somerville et al. 2014b)

Dependendo do tipo de substrato, ele ocupará aproximadamente 30-60 por cento do volume total do leito de mídia. A profundidade do leito de mídia é importante porque controla a quantidade de volume de espaço raiz na unidade, que por sua vez determina os tipos de vegetais que podem ser cultivados. Vegetais frutíferos grandes, como tomates, quiabo e repolho, precisarão de uma profundidade de substrato de 30 cm para permitir espaço suficiente nas raízes e prevenir deficiências de nutrientes. Os vegetais verdes de folhas pequenas requerem apenas 15-20 cm de profundidade de substrato (Somerville et al. 2014b).

Figura 2: Transplantes de tomate que crescem em um sistema de contêiner com irrigação por gotejamento e substrato LECA < https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Hydroponics#/media/File:Hydroponic_Farming.jpg >

Existem diferentes técnicas para fornecer água enriquecida com nutrientes aos leitos de mídia. Ele pode ser simplesmente escorregado de gotejadores anexados a tubos uniformemente distribuídos no meio (veja a Figura 2). Alternativamente, um método chamado inundação e drenagem (ou fluxo contínuo) faz com que os leitos de mídia sejam periodicamente inundados com água que, em seguida, drena de volta para um reservatório. A alternância entre inundação e drenagem garante que as plantas tenham nutrientes frescos e fluxo de ar adequado na zona radicular, o que reabastece os níveis de oxigênio. Ele também garante que a umidade suficiente está na cama em todos os momentos para que as bactérias possam prosperar em suas condições ideais. A natureza de um leito de mídia de inundação e drenagem cria três zonas separadas que são diferenciadas pelo seu teor de água e oxigênio (Somerville et al. 2014b):

• O topo 2-5 cm é a zona seca, que funciona como uma barreira leve, minimizando a evaporação e impedindo que a luz atinja diretamente a água, o que pode levar ao crescimento das algas. Também evita o crescimento de fungos e bactérias nocivas na base do caule da planta, o que pode causar podridão do colarinho e outras doenças.

• A zona seca/húmida tem umidade e alta troca de gás. Esta é a zona de 10-20 cm onde o leito de mídia inunda e drena intermitentemente. Se não usar técnicas de inundação e drenagem, esta zona será o caminho ao longo do qual a água flui através do meio. A maior parte da atividade biológica ocorre nesta zona.

• A zona húmida é o fundo 3-5 cm da cama que permanece permanentemente molhada. Os pequenos resíduos sólidos de partículas se acumulam nesta zona e, portanto, os organismos que são mais ativos na mineralização também estão localizados aqui, incluindo bactérias heterotróficas e outros microrganismos que dividem os resíduos em frações e moléculas menores que podem ser absorvidas pelas plantas através do processo de mineralização (Somerville et al. 2014b).

Técnica de Filme Nutriente (NFT)

NFT é um sistema de cultura de solução onde um filme fino (dois a três milímetros de profundidade) flui continuamente ao longo da base de pequenos canais em que os sistemas radiculares se situam. Com a NFT, o objetivo é que parte do tapete radicular em desenvolvimento esteja no fluxo de nutrientes, mas as outras raízes estão suspensas acima disso no ar úmido, acessando oxigênio sem serem submersas (Somerville et al. 2014b).

Figura 3: Sistema de tubo redondo NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Figura 4: Sistema de tubulação retangular NFT < https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hydroponics_(33185459271).jpg >

Os canais são muitas vezes na forma de tubos (Figura 3). Tubos com uma seção retangular (Figura 4) são melhores, com uma largura maior do que a altura, pois isso significa que um volume maior de água atinge as raízes, aumentando assim a absorção de nutrientes e o crescimento das plantas. Legumes frutíferos maiores e politculturas (cultivando diferentes tipos de vegetais) exigem tubos maiores do que os necessários para folhas verdes de crescimento rápido e pequenos vegetais com pequenas massas radiculares. O comprimento do tubo pode variar, mas vale a pena ter em mente que deficiências de nutrientes podem ocorrer nas plantas no final de tubos muito longos porque as primeiras plantas já removeram os nutrientes (Figura 5). Os tubos brancos devem ser usados, uma vez que a cor reflete os raios do sol, mantendo assim o interior dos tubos fresco. Os canais devem ser posicionados em uma inclinação (Figura 5) para que a solução nutritiva flua a um bom caudal, que para a maioria dos sistemas é de cerca de um litro/minuto (Somerville et al. 2014a).

Figura 5: Canais NFT inclinados. O canal NFT tem 12,5 m de comprimento e foi alimentado com água do aquário adjacente. Não foram suplementados nutrientes. Pode-se observar a crescente limitação de nutrientes ao longo do canal

Os sistemas NFT são usados principalmente para a produção de culturas de rotatividade rápida, como alface, ervas, morangos, vegetais verdes, forragens e microgreens.

Cultura de águas profundas (DWC)

DWC ou sistema de jangada flutuante é um tipo de sistema hidropônico em que as plantas são suspensas acima de um tanque usando uma jangada flutuante, e as raízes são submersas em solução nutritiva e arejadas através de uma bomba de ar. No entanto, ao contrário dos sistemas NFT, onde os nutrientes na pequena película de água que flui ao nível da raiz rapidamente se esgotam, o grande volume de água contido nos canais DWC permite que quantidades consideráveis de nutrientes sejam utilizadas pelas plantas. O comprimento dos canais não é, portanto, uma questão que pode variar de um a dez metros. A profundidade recomendada é de 30 cm para permitir um espaço adequado para as raízes das plantas, embora pequenas folhas verdes, como a alface, exijam apenas uma profundidade de 10 cm ou menos. A taxa de fluxo da água que entra em cada canal é relativamente baixa, e geralmente cada canal tem um tempo de retenção (a quantidade de tempo que leva para substituir toda a água em um recipiente) de 1-4 horas. Isso permite o reabastecimento adequado de nutrientes em cada canal, embora o volume de água e a quantidade de nutrientes em canais profundos sejam suficientes para nutrir as plantas por períodos mais longos (Somerville et al. 2014b). Por outro lado, aeração adicional pode ser necessária, porque as taxas de fluxo não são altas o suficiente para fornecer oxigênio suficiente.

Algumas plantas, como a alface, prosperam em água e são comumente cultivadas usando cultura de águas profundas. O DWC é o método mais comum para grandes operações comerciais que cultivam uma cultura específica (tipicamente alface, folhas de salada ou manjericão), e é mais adequado para mecanização.

Figura 6: Manjericão e outras plantas que crescem no sistema DWC na estufa CDC South Aquaponics em Brooks, Alberta (< https://commons.wikimedia.org/wiki/File:CDC_South_Aquaponics_Raft_Tank_1_2010-07.jpg >)

Aeroponia

Nos sistemas aeropônicos, as plantas são cultivadas e nutridas suspendendo suas estruturas radiculares no ar e pulverizando-as regularmente com uma solução nutritiva. Existem dois tipos principais de sistemas aeropônicos: aeroponics de alta pressão e aeroponics de baixa pressão, sendo a principal diferença o tamanho de gotículas da névoa utilizada em cada caso. A aeroponia de baixa pressão usa bombas de baixa pressão e alto fluxo, enquanto a aeroponia de alta pressão usa bombas de alta pressão (cerca de 120 PSI) e de baixo fluxo para atomizar água e criar gotículas de água de 50 mícrons ou menos. No caso de névoa extremamente fina que se assemelha a neblina, o termo “fogponics” é usado para designar um terceiro tipo de sistema aeropônico. Plantas cultivadas usando um sistema aeropônico tendem a crescer mais rápido do que aquelas cultivadas em outros tipos de sistema hidropônico devido à sua ampla exposição ao aumento de oxigênio (Li et al. 2018).

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