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Embora a aquapônica seja vista como uma das principais tecnologias de produção de alimentos que “poderiam mudar nossas vidas” (van Woensel et al. 2015), em termos de produção alimentar sustentável e eficiente, a aquapônica pode ser simplificada e tornar-se ainda mais eficiente. Um dos principais problemas nos sistemas aquapônicos convencionais é que os nutrientes no efluente produzido pelos peixes são diferentes da solução nutritiva ideal para as plantas. Os sistemas aquapônicos dissociados (DAPS), que utilizam água dos peixes, mas não devolvem a água aos peixes após as plantas, podem melhorar os desenhos tradicionais introduzindo componentes de mineralização e biorreatores de lodo contendo micróbios que convertem matéria orgânica em formas biodisponíveis de minerais-chave, especialmente fósforo, magnésio, ferro, manganês e enxofre deficientes nos efluentes típicos de peixe. Contrariamente aos componentes de mineralização em sistemas de um ciclo, o efluente do biorreator no DAPS é alimentado apenas ao componente da planta em vez de ser diluído em todo o sistema. Assim, sistemas desacoplados que utilizam digestores de lodo permitem otimizar a reciclagem de resíduos orgânicos de peixes como nutrientes para o crescimento de plantas (Goddek 2017; Goddek et al. 2018). Os resíduos desses sistemas incluem principalmente lamas de peixes (ou seja, fezes e alimentos não consumidos que não estejam em solução) e, por conseguinte, não podem ser entregues directamente num sistema hidropônico. Os biorreatores (ver Cap. 10 são, portanto, um componente importante que pode transformar lamas inutilizáveis em fertilizantes hidropônicos ou reutilizar resíduos orgânicos, tais como caules e raízes da planta componente de produção em biogás para geração de calor e eletricidade ou projetos DAPS que também fornecem ciclos de água controlados de forma independente para cada unidade, permitindo assim a separação dos sistemas (RAS, hidropônicos e digestores) conforme necessário para o controle dos fluxos de nutrientes. A água se move entre os componentes em um ciclo de conservação de energia e nutrientes, de modo que as cargas e fluxos de nutrientes em cada subsistema possam ser monitorados e regulados para melhor atender aos requisitos a jusante. Por exemplo, o fósforo (P) é um recurso fóssil essencial, mas esgotável, que é extraído para fertilizantes, mas os suprimentos mundiais estão sendo esgotados a uma taxa alarmante. O uso de digestores em sistemas aquapônicos dissociados permite que os micróbios convertam o fósforo em resíduos de peixes em ortofosfatos que podem ser utilizados por plantas, com altas taxas de recuperação (Goddek et al. 2016, 2018).

Embora os sistemas dissociados sejam muito eficazes na recuperação de nutrientes, com perda de nutrientes quase zero, a escala de produção em cada uma das unidades é importante, dado que os fluxos de nutrientes de uma parte do sistema precisam ser combinados com o potencial de produção a jusante de outros componentes. O software de modelagem e os sistemas de aquisição de dados de Supervisory Control and Data Acquisition (SCADAS) tornam-se, portanto, importantes para analisar e relatar o fluxo, as dimensões, os balanços de massa e as tolerâncias de cada unidade, permitindo prever parâmetros físicos e económicos (p. ex., cargas de nutrientes, peixes óptimos emparelhamentos de plantas, caudais e custos para manter parâmetros ambientais específicos). Em Chap. 11, analisaremos mais detalhadamente a teoria dos sistemas aplicada aos sistemas aquapônicos e demonstraremos como a modelagem pode resolver alguns dos problemas da escala, enquanto soluções tecnológicas inovadoras podem aumentar a eficiência e, portanto, rentabilidade de tais sistemas. A escala é importante não só para prever a viabilidade econômica, mas também para prever as produções de produção com base nas razões de nutrientes disponíveis.

Outra questão importante, que exige um maior desenvolvimento, é a utilização e a reutilização da energia. Os sistemas aquapônicos são intensivos em energia e infraestrutura. Dependendo da radiação solar recebida, o uso de energia solar fotovoltaica, fontes solares térmicas e dessalinização (solar) pode ainda não ser economicamente viável, mas pode ser potencialmente integrado em sistemas aquapônicos. Em [Chap. 1, apresentamos informações sobre possibilidades técnicas e operacionais inovadoras que têm a capacidade de superar as limitações inerentes a tais sistemas, incluindo novas e excitantes oportunidades para a implementação de sistemas aquapônicos em áreas áridas.

Em Chap. 2, também discutimos com mais detalhes a gama de desafios ambientais que a aquapônica pode ajudar a resolver. O controle de patógenos, por exemplo, é muito importante, e os sistemas RAS contidos têm uma série de vantagens ambientais para a produção de peixes, e uma das vantagens dos sistemas aquapônicos dissociados é a capacidade de circular água entre os componentes e de utilizar controles independentes, em que é mais fácil detectar, isolar e descontaminar unidades individuais quando houver ameaças de patógenos. Os probióticos que são benéficos para a cultura de peixe também parecem benéficos para a produção de plantas e podem aumentar a eficiência da produção quando circulados dentro de um sistema fechado (Sirakov et al. 2016). Tais desafios são explorados em Chap. 5, onde discutimos mais detalhadamente como a inovação na aquapônica pode resultar em (a) aumento da eficiência da utilização do espaço (menor custo e materiais, maximizando o uso do solo); (b) redução dos recursos de entrada, por exemplo farinha de peixe e reduzidas produções negativas, por exemplo, descarga de resíduos; e c) utilização reduzida de antibióticos e pesticidas em sistemas autónomos.

Existem ainda diversas áreas temáticas aquapônicas que exigem mais pesquisas para explorar todo o potencial desses sistemas. Do ponto de vista científico, tópicos como ciclagem de nitrogênio (Chap. 9), remineralização aeróbica e anaeróbica (Chap. 10), água e nutrientes eficiência (Chap. 8), dietas aquapônicas otimizadas de peixes (Chap. 13) e patógenos vegetais e estratégias de controle (Cap. 14) são todas altas prioridades.

Em resumo, é necessário abordar os seguintes desafios científicos e tecnológicos:

  1. Nutrients: Como já discutimos, sistemas que utilizam digestores de lodo permitem otimizar a reciclagem de resíduos orgânicos de peixes em nutrientes para o crescimento das plantas, tais projetos permitem uma recuperação otimizada e reciclagem de nutrientes para criar uma perda quase zero de nutrientes do sistema.

  2. Water: A reutilização de água empobrecida de nutrientes das estufas também pode ser otimizada para reutilização no componente de peixe utilizando condensadores.

  3. Energy: Os projetos movidos a energia solar também melhoram a economia de energia, especialmente se a água pré-aquecida de aquecedores solares nas estufas puder ser recirculada de volta para tanques de peixes para reutilização.

A capacidade de reciclar água, nutrientes e energia faz da aquaponia uma solução potencialmente única para uma série de questões ambientais enfrentadas pela agricultura convencional. Isto é discutido em Cap. 2.


Aquaponics Food Production Systems

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