Os cinco parâmetros de qualidade da água mais importantes

Oxigênio

O oxigênio é essencial para todos os três organismos envolvidos na aquapônica; plantas, peixes e bactérias nitrificantes precisam de oxigênio para viver. O nível de OD descreve a quantidade de oxigénio molecular dentro da água e é medido em miligramas por litro. É o parâmetro de qualidade da água que tem o efeito mais imediato e drástico sobre a aquapônica. Na verdade, os peixes podem morrer dentro de horas quando expostos a baixa OD dentro dos tanques de peixes. Assim, garantir níveis adequados de OD é crucial para a aquapônica. Embora o monitoramento dos níveis de OD seja muito importante, pode ser um desafio porque os dispositivos precisos de medição de OD podem ser muito caros ou difíceis de encontrar. Muitas vezes, é suficiente que as unidades de pequena escala dependam da monitorização frequente do comportamento dos peixes e do crescimento das plantas, garantindo que as bombas de água e ar circulem e arejem constantemente a água.

O oxigênio se dissolve diretamente na superfície da água da atmosfera. Em condições naturais, os peixes podem sobreviver em tais águas, mas em sistemas intensivos de produção com maiores densidades de peixes, essa quantidade de difusão de OD é insuficiente para atender às demandas de peixes, plantas e bactérias. Assim, o OD precisa ser complementado por meio de estratégias de gestão. As duas estratégias para a aquapônica em pequena escala são usar bombas de água para criar fluxo dinâmico de água, e usar aeradores que produzem bolhas de ar na água. O movimento e a aeração da água são aspectos críticos de cada unidade aquapônica, e sua importância não pode ser sobrecarregada. Estes tópicos, incluindo métodos de concepção e redundância, são discutidos mais adiante no Capítulo 4. Os níveis ideais de OD para cada organismo prosperar são 5-8 mg/l (figura 3.3). Algumas espécies de peixes, incluindo a carpa e a tilápia, podem tolerar níveis de OD tão baixos quanto 2-3 mg/litro, mas é muito mais seguro ter os níveis mais altos para a aquapônica, uma vez que todos os três organismos exigem o uso do OD na água.

Temperatura da água e DO têm uma relação única que pode afetar a produção de alimentos aquapônicos. À medida que a temperatura da água aumenta, a solubilidade do oxigênio diminui. Por outro lado, a capacidade da água para segurar o OD diminui à medida que a temperatura aumenta; a água morna detém

menos oxigênio do que a água fria (Figura 3.4). Como tal, recomenda-se que a aeração seja aumentada usando bombas de ar em locais quentes ou durante as épocas mais quentes do ano, especialmente se a criação de peixes delicados.

pH

Um conhecimento geral de pH é útil para a gestão de sistemas aquapônicos. O pH de uma solução é uma medida de quão ácida ou básica a solução é em uma escala que varia de 1 a 14. Um pH de 7 é neutro; qualquer coisa abaixo de 7 é ácido, enquanto qualquer coisa acima de 7 é básico. O termo pH é definido como a quantidade de íons de hidrogênio (H⁺) em uma solução; quanto mais íons de hidrogênio, mais ácidos.

Dois aspectos importantes da escala de pH são ilustrados na Figura 3.5.

• A escala de pH é negativa; um pH de 7 tem menos íons de hidrogênio do que um pH de 6.

• A escala de pH é logarítmica; um pH de 7 tem 10 vezes menos íons de hidrogênio do que um pH de 6, 100 vezes menor que um pH de 5 e 1 000 vezes menor que um pH de 4.

Por exemplo, se o pH de uma unidade aquapônica for registrado como 7, e mais tarde o valor for registrado como 8, a água agora tem dez vezes menos íons H⁺ livremente associados porque a escala é negativa e logarítmica. É importante estar ciente da natureza logarítmica da escala de pH porque ela não é necessariamente intuitiva. Para o exemplo anterior, se uma leitura posterior mostrasse que o pH era 9, o problema seria 100 vezes pior e, portanto, hipercrítico, em vez de ser apenas duas vezes pior.

Importância do pH

O pH da água tem um grande impacto em todos os aspectos da aquapônica, especialmente as plantas e bactérias. Para as plantas, o pH controla o acesso das plantas a micro e macronutrientes. Com um pH de 6,0-6,5, todos os nutrientes estão prontamente disponíveis, mas fora dessa faixa os nutrientes tornam-se difíceis de acessar para as plantas. Na verdade, um pH de 7,5 pode levar a deficiências de nutrientes de ferro, fósforo e manganês. Esse fenômeno é conhecido como bloqueio de nutrientes e é discutido no Capítulo 6.

As bactérias nitrificantes experimentam dificuldade abaixo de um pH de 6, e a capacidade da bactéria de converter amônia em nitrato reduz em condições ácidas de pH baixo. Isso pode levar à redução da biofiltração e, como resultado, as bactérias diminuem a conversão de amônia em nitrato, e os níveis de amônia podem começar a aumentar, levando a um sistema desequilibrado estressante para os outros organismos.

Os peixes também têm faixas de tolerância específicas para o pH, mas a maioria dos peixes usados em aquapônicos tem uma faixa de tolerância de pH de 6,0-8,5. No entanto, o pH afeta a toxicidade da amônia para os peixes, com pH maior levando a maior toxicidade. Este conceito é discutido de forma mais aprofundada na Secção 3.4. Em conclusão, a água aquapônica ideal é ligeiramente ácida, com uma faixa de pH ideal de 6-7. Esta gama irá manter as bactérias funcionando em alta capacidade, permitindo às plantas acesso total a todos os micro e macronutrientes essenciais. Os valores de pH entre 5,5 e 7,5 requerem atenção de gestão e manipulação através de meios lentos e medidos, discutidos na Secção 3.5 e no Capítulo 6. No entanto, um pH inferior a 5 ou acima de 8 pode rapidamente se tornar um problema crítico para todo o ecossistema e, portanto, é necessária atenção imediata.

Existem muitos processos biológicos e químicos que ocorrem em um sistema aquaponico que afetam o pH da água, alguns mais significativamente do que outros, incluindo: o processo de nitrificação; a densidade do estoque de peixes; e o fitoplâncton.

O processo de nitrificação

O processo de nitrificação de bactérias naturalmente reduz o pH de um sistema aquapônico. Concentrações fracas de ácido nítrico são produzidas a partir do processo de nitrificação à medida que as bactérias libertam íons de hidrogênio durante a conversão de amônia em nitrato. Ao longo do tempo, o sistema aquapônico gradualmente se tornará mais ácido principalmente como resultado dessa atividade bacteriana.

Densidade da meia de peixe

A respiração, ou respiração, dos peixes, libera dióxido de carbono (CO₂) na água. Este dióxido de carbono reduz o pH porque o dióxido de carbono se converte naturalmente em ácido carbônico (H₂CO₃) após contato com a água. Quanto maior a densidade do estoque de peixes da unidade, mais dióxido de carbono será liberado, diminuindo assim o nível de pH global. Este efeito é aumentado quando os peixes são mais ativos, como em temperaturas mais quentes.

Fitoplâncton

A respiração por peixes reduz o pH liberando dióxido de carbono na água; inversamente, a fotossíntese de plâncton, algas e plantas aquáticas remove o dióxido de carbono da água e aumenta o pH. O efeito das algas sobre o pH segue um padrão diário, onde o pH aumenta durante o dia à medida que as plantas aquáticas fotossintetizam e removem o ácido carbônico, e depois cai durante a noite à medida que as plantas respira e liberam ácido carbônico. Portanto, o pH é no mínimo ao nascer do sol e no máximo ao pôr-do-sol. Em sistemas RAS padrão ou aquapônicos, os níveis de fitoplâncton são geralmente baixos e, portanto, o ciclo diário de pH não é afetado. No entanto, algumas técnicas de aquicultura, como a aquicultura de lagoas e algumas técnicas de criação de peixes, utilizam deliberadamente fitoplâncton, pelo que o tempo de monitorização deve ser escolhido com sabedoria.

Temperatura

A temperatura da água afeta todos os aspectos dos sistemas aquapônicos. No geral, um intervalo geral de comprometimento é de 18-30 °C. A temperatura tem um efeito sobre o OD, bem como sobre a toxicidade (ionização) da amônia; altas temperaturas têm menos OD e mais unionizada (tóxica) de amoníaco. Além disso, altas temperaturas podem restringir a absorção de cálcio nas plantas. A combinação de peixes e plantas deve ser escolhida para corresponder à temperatura ambiente para a localização dos sistemas, e alterar a temperatura da água pode ser muito intensiva e dispendiosa. Peixes de água quente (por exemplo, tilápia, carpa comum, bagre) e bactérias nitrificantes prosperam em temperaturas de água mais altas de 22-29 °C, assim como alguns vegetais populares, como quiabo, couves asiáticas e manjericão. Contrariamente, alguns vegetais comuns, como alface, acelga suíça e pepinos, crescem melhor em temperaturas mais frias de 18-26 °C, e peixes de água fria, como a truta, não toleram temperaturas superiores a 18 °C. Para obter mais informações sobre faixas de temperatura ideais para plantas e peixes individuais, consulte os capítulos 6 e 7 sobre a produção vegetal e de peixe, respetivamente, e o apêndice 1 para informações fundamentais sobre o crescimento de 12 produtos hortícolas populares.

Embora seja melhor escolher plantas e peixes já adaptados ao clima local, existem técnicas de gestão que podem minimizar as flutuações de temperatura e prolongar a estação de crescimento. Os sistemas também são mais produtivos se as flutuações diárias, de dia a noite, de temperatura forem mínimas. Portanto, a própria superfície da água, em todos os tanques de peixes, unidades hidropônicas e biofiltros, deve ser protegida do sol usando estruturas de sombra. Da mesma forma, a unidade pode ser protegida termicamente usando isolamento contra temperaturas noturnas frias onde quer que elas ocorram. Alternativamente, existem métodos para aquecer passivamente unidades aquapônicas usando estufas ou energia solar com tubos agrícolas enrolados, que são mais úteis quando as temperaturas são inferiores a 15 °C; estes métodos são descritos mais detalhadamente nos Capítulos 4 e 9.

É igualmente possível adoptar uma estratégia de produção de peixe para atender às diferenças de temperatura entre o Inverno e o Verão, especialmente se a época de Inverno tiver temperaturas médias inferiores a 15 °C durante mais de três meses. Geralmente, isso significa que peixes e plantas adaptados a frio são cultivados durante o inverno, e o sistema é alterado para peixes e plantas de água quente à medida que as temperaturas sobem novamente na primavera. Se esses métodos não forem viáveis durante as estações frias de inverno, também é possível simplesmente colher os peixes e as plantas no início do inverno e desligar os sistemas até a primavera. Durante as épocas de verão com temperaturas extremamente quentes (mais de 35 °C), é essencial selecionar os peixes e plantas apropriados para cultivar (ver capítulos 6 e 7) e sombrear todos os recipientes e o espaço de cultivo da planta.

Azoto total: amoníaco, nitrito, nitrato

O nitrogênio é o quarto parâmetro crucial de qualidade da água. É exigido por toda a vida e parte de todas as proteínas. Originalmente, o azoto entra num sistema aquapónico a partir da alimentação dos peixes, geralmente rotulado como proteína bruta e medido em percentagem. Parte desta proteína é usada pelos peixes para o crescimento, e o restante é liberado pelo peixe como resíduo. Este resíduo é principalmente na forma de amônia (NH₃) e é liberado através das brânquias e como urina. Os resíduos sólidos também são liberados, alguns dos quais são convertidos em amônia pela atividade microbiana. Este amoníaco é então nitrificado por bactérias, discutido no ponto 2.1, e convertido em nitrito (NO₂^-) e nitrato (NO₃^-). Os resíduos azotados são venenosos para pescar em determinadas concentrações, embora o amoníaco e o nitrito sejam aproximadamente 100 vezes mais venenosos do que o nitrato. Embora tóxicos para os peixes, os compostos nitrogenados são nutritivos para as plantas e, de fato, são o componente básico dos fertilizantes vegetais. Todas as três formas de azoto (NH₃, NO₂^- e NO₃^- ) podem ser utilizadas pelas plantas, mas o nitrato é de longe o mais acessível. Numa unidade aquapónica em pleno funcionamento com biofiltração adequada, os níveis de amoníaco e nitrito devem ser próximos de zero ou, no máximo, 0,25-1,0 mg/l. As bactérias presentes no biofiltro devem estar convertendo quase toda a amônia e nitrito em nitrato antes que qualquer acumulação possa ocorrer.

Impactos da alta amônia

A amônia é tóxica para os peixes. A tilápia e a carpa podem apresentar sintomas de intoxicação por amônia em níveis tão baixos quanto 1,0 mg/l. A exposição prolongada a este nível ou acima dela causará danos ao sistema nervoso central e às brânquias dos peixes, resultando em perda de equilíbrio, respiração prejudicada e convulsões. O dano às brânquias, muitas vezes evidenciado pela coloração vermelha e inflamação nas brânquias, restringirá o correto funcionamento de outros processos fisiológicos, levando a um sistema imunológico suprimido e a uma eventual morte. Outros sintomas incluem estrias vermelhas no corpo, letargia e ofegante na superfície para o ar. Em níveis mais elevados de amônia, os efeitos são imediatos e numerosas mortes podem ocorrer rapidamente. No entanto, níveis mais baixos ao longo de um longo período ainda podem resultar em stress dos peixes, aumento da incidência de doenças e maior perda de peixes.

Como discutido acima, a toxicidade de amônia é realmente dependente tanto do pH quanto da temperatura, onde o pH mais alto e a temperatura da água tornam a amônia mais tóxica. Quimicamente, a amônia pode existir em duas formas em água, ionizada e unionizada. Juntas, essas duas formas juntas são chamadas de nitrogênio de amônia total (TAN), e kits de teste de água são incapazes de distinguir entre os dois. Em condições ácidas, a amônia se liga ao excesso de íons de hidrogênio (pH baixo significa uma alta concentração de H⁺) e torna-se menos tóxica. Esta forma ionizada é chamada de amônio. No entanto, em condições básicas (pH alto, acima de 7), não há íons hidrogênio suficientes e a amônia permanece em seu estado mais tóxico, e mesmo baixos níveis de amônia podem ser altamente estressantes para os peixes. Este problema é exacerbado em condições de água morna.

A atividade de bactérias nitrificantes diminui drasticamente em altos níveis de amônia. O amoníaco pode ser utilizado como agente antibacteriano e, em níveis superiores a 4 mg/l, irá inibir e reduzir drasticamente a eficácia das bactérias nitrificantes. Isso pode resultar em uma situação de deterioração exponencial quando um biofiltro subdimensionado é sobrecarregado por amônia, as bactérias morrem e a amônia aumenta ainda mais.

Impactos do alto nitrito

Nitrito é tóxico para os peixes. Semelhante ao amoníaco, podem surgir problemas com a saúde dos peixes com concentrações tão baixas como 0,25 mg/l. Níveis elevados de NO₂^- podem levar imediatamente a mortes rápidas de peixes. Novamente, mesmo níveis baixos ao longo de um período prolongado podem resultar em aumento do estresse, doença e morte dos peixes.

Níveis tóxicos de NO₂^- impedem o transporte de oxigénio dentro da corrente sanguínea dos peixes, o que faz com que o sangue se torne uma cor castanho-chocolate e é por vezes conhecida como “doença do sangue castanho”. Este efeito também pode ser visto nas brânquias de peixe. Os peixes afetados apresentam sintomas semelhantes aos envenenamento por amônia, particularmente quando os peixes parecem ser privados de oxigênio, visto ofegante na superfície, mesmo em água com alta concentração de OD. A saúde dos peixes é abordada mais pormenorizadamente no capítulo 7.

Impactos do alto nitrato

O nitrato é muito menos tóxico do que as outras formas de azoto. É a forma mais acessível de nitrogênio para as plantas, e a produção de nitrato é o objetivo do biofiltro. Os peixes podem tolerar teores até 300 mg/l, com alguns níveis tolerantes aos peixes até 400 mg/l. Os níveis elevados (\ > 250 mg/l) terão um impacto negativo nas plantas, levando ao crescimento vegetativo excessivo e ao acúmulo perigoso de nitratos nas folhas, o que é perigoso para a saúde humana. Recomenda-se a manutenção dos níveis de nitratos a 5-150 mg/l e a troca de água quando os níveis aumentarem.

Dureza da água

O parâmetro final de qualidade da água é a dureza da água. Existem dois tipos principais de dureza: dureza geral (GH) e dureza carbonato (KH). A dureza geral é uma medida de íons positivos na água. A dureza do carbonato, também conhecida como alcalinidade, é uma medida da capacidade de tamponamento da água. O primeiro tipo de dureza não tem um grande impacto no processo aquapônico, mas a KH tem uma relação única com o pH que merece mais explicações.

Dureza geral

A dureza geral é essencialmente a quantidade de íons cálcio (Ca²⁺), magnésio (Mg²⁺) e, em menor grau, ferro (Fe⁺) presentes na água. É medido em partes por milhão (equivalente a miligramas por litro). Altas concentrações de GH são encontradas em fontes de água, como aquíferos à base de calcário e/ou leitos de rios, uma vez que o calcário é essencialmente composto de carbonato de cálcio (CaCO₃). Ambos os íons Ca^{2+ e Mg 2+} são nutrientes essenciais das plantas, e são absorvidos pelas plantas à medida que a água flui através dos componentes hidropônicos. A água da chuva tem baixa dureza da água porque esses íons não são encontrados na atmosfera. A água dura pode ser uma fonte útil de micronutrientes para a aquapônica, e não tem efeitos sobre a saúde dos organismos. Na verdade, a presença de cálcio na água pode evitar que os peixes percam outros sais e levar a um estoque mais saudável.

Dureza de carbonato ou alcalinidade

A dureza do carbonato é a quantidade total de carbonatos (CO₃^2-) e bicarbonatos (HCO₃^-) dissolvidos em água. Também é medido em miligramas de CaCO₃ por litro.

Em geral, considera-se que a água tem um elevado KH a níveis de 121-180 mg/l. A água proveniente de poços rochos/aquíferos de pedra calcária terá normalmente uma elevada dureza de carbonato de cerca de 150-180 mg/l.

A dureza do carbonato na água tem um impacto no nível de pH. Simplificando, KH atua como um tampão (ou uma resistência) para a redução do pH. Carbonato e bicarbonato presentes na água se ligam aos íons H⁺ liberados por qualquer ácido, removendo assim esses íons H⁺ livres da água. Portanto, o pH permanecerá constante mesmo quando novos íons H⁺ do ácido forem adicionados à água. Este tampão KH é importante, porque mudanças rápidas no pH são estressantes para todo o ecossistema aquapônico. O processo de nitrificação gera ácido nítrico (HNO₃), como discutido na secção 3.2.2, que é dissociado em água nos seus dois componentes, os iões de hidrogénio (H⁺) e o nitrato (NO₃^-), sendo estes últimos utilizados como fonte de nutrientes para as plantas. No entanto, com KH adequado, a água não se torna mais ácida. Se não houvesse carbonatos e bicarbonatos presentes na água, o pH cairia rapidamente na unidade aquapônica. Quanto maior a concentração de KH na água, mais tempo ele atuará como um tampão para o pH para manter o sistema estável contra a acidificação causada pelo processo de nitrificação.

A próxima seção descreve esse processo com mais detalhes. É um processo bastante complicado, mas é importante compreender para os praticantes da aquapônica (ou outras culturas sem solo) onde a água disponível é naturalmente muito dura (o que normalmente é o caso em regiões com pedra calcária ou giz), uma vez que a manipulação do pH se tornará uma parte vital da gestão da unidade. O ponto 3.5 contém técnicas específicas de manipulação do pH. O resumo que segue a descrição estendida irá listar o que é essencial para todos os praticantes para saber em relação à dureza.

Como mencionado acima, a nitrificação constante em uma unidade aquapônica produz ácido nítrico e aumenta o número de íons H⁺ , o que diminuiria o pH na água. Se não houver carbonatos ou bicarbonatos presentes para tamponar os íons H⁺ na água, o pH cairá rapidamente à medida que mais íons^H+ forem adicionados à água. Carbonatos e bicarbonatos, como mostrado na Figura 3.6, ligam os íons de hidrogênio (H⁺) liberados do ácido nítrico e mantêm um pH constante equilibrando o excedente de H⁺com a produção de ácido carbônico, que é um ácido muito fraco. Os íons H⁺ permanecem ligados ao composto e não estão livres na água. A Figura 3.7 mostra mais detalhadamente o processo de ligação que ocorre com ácido nítrico.

É essencial para a aquapônica que uma certa concentração de KH esteja presente em todos os momentos na água, pois pode neutralizar os ácidos criados naturalmente e manter o pH constante. Sem KH adequado, a unidade poderia ser submetida a mudanças rápidas de pH que teriam impactos negativos em todo o sistema, especialmente nos peixes. No entanto, KH está presente em muitas fontes de água. Reabastecer a unidade com água dessas fontes também reabastecerá os níveis de KH. No entanto, a água da chuva é baixa em KH, e em sistemas de chuva é útil adicionar fontes externas de carbonato, como explicado abaixo.

Resumo dos pontos essenciais sobre a dureza

Dureza Geral (GH) é a medição de íons positivos, especialmente cálcio e magnésio.

A dureza do carbonato (KH) mede a concentração de carbonatos e bicarbonatos que tampam o pH (criam resistência à mudança de pH). A dureza pode ser classificada ao longo da escala de dureza da água como mostrado abaixo:

O nível ideal de ambos os tipos de dureza para a aquapônica é de cerca de 60-140 mg/l. Não é vital verificar os níveis na unidade, mas é importante que a água que está sendo usada para reabastecer a unidade tenha concentrações adequadas de KH para continuar neutralizando o ácido nítrico produzido durante o processo de nitrificação e tamponar o pH em seu nível ótimo (6-7).

| Classificação da dureza da água | mg/litro | | — | — | | macio | 0-60 mg/l | | moderadamente duro | 60-120 mg/l | | disco rígido | 120-180 mg/litro | | muito difícil |\ > 180 mg/l |

*Fonte: Organização das Nações Unidas para Alimentação e Agricultura, 2014, Christopher Somerville, Moti Cohen, Edoardo Pantanella, Austin Stankus e Alessandro Lovatelli, produção aquapônica de alimentos, http://www.fao.org/3/a-i4021e.pdf. Reproduzido com permissão. *