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Development and optimization of seaweed cultivation in IMTA
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Abstract(s)
In aquaculture, discharges of wastewater from fed species can lead to eutrophication of the receiving aquatic environment. The nutrient-rich wastewater can be reused in Integrated Multi-Trophic Aquaculture (IMTA), which enhances cultivation efficiency by combining species from different trophic levels to minimize waste. The macroalgae have numerous benefits, and their cultivation in aquaculture wastewater results in more sustainable and profitable aquaculture. This study involved two experiments. The first evaluated the effect of cultivation density and method (with and without substrate – 2 mm twisted nylon twine) on growth of Codium tomentosum and Halopteris scoparia under controlled conditions (18°C, light intensity of 70- 100 μmol photons m-2 s -1 , with a 12:12 photoperiod) over six weeks. The second evaluated the cultivation and bioremediation potential of H. scoparia in an IMTA system, analyzing the effect of four cultivation densities (5, 10, 15, and 20 g/L) over nine weeks. In the first experiment, both cultivation methods and species experienced significant contamination by epiphytic algae. In tumble cultivation, C. tomentosum had a higher SGR at 4 g/L, while 8 g/L had a higher average yield. H. scoparia showed higher SGR and yield at 2 g/L but greater average length at 4 g/L. Regarding substrate cultivation, according to visual observation, there may have been attachment of C. tomentosum; however, longer cultivation is required to confirm it. In contrast, H. scoparia did not demonstrate attachment or development of new individuals from spores. In H. scoparia cultivation within an IMTA system, the lowest densities (5 and 10 g/L) had the highest average SGR and yield but also a higher presence of epiphytic algae, potentially explaining the increased values. These densities also showed significantly higher N-yield. In contrast, the higher densities (15 and 20 g/L) had a significantly higher C:N ratio, suggesting nitrogen limitations that may have affected growth.
Na aquacultura, a descarga das águas residuais provenientes do cultivo de espécies alimentadas, como os peixes, pode causar a eutrofização do meio aquático recetor. Além disso, pode representar um desperdício de recursos, uma vez que essa água é rica em nutrientes e pode ser utilizada para o cultivo de outras espécies, como as macroalgas. A Aquacultura Multitrófica Integrada (IMTA) associa o cultivo de duas ou mais espécies aquáticas de diferentes níveis tróficos, de modo a aumentar a eficiência do cultivo e minimizar os resíduos. Nos últimos anos, os benefícios das macroalgas, têm sido bem conhecidos e documentados, como por exemplo, o seu uso como fertilizantes, o seu valor nutricional, as suas propriedades farmacêuticas e a sua utilização na indústria cosmética. O cultivo de macroalgas em águas residuais da aquacultura de peixes pode resultar numa aquacultura mais sustentável e eficiente, além de proteger o meio ambiente e gerar mais lucros a partir da nova biomassa. Neste trabalho foram realizadas duas experiências. A primeira teve como objetivo avaliar o potencial de cultivo de Halopteris scoparia e Codium tomentosum em condições ambientais controladas (18°C, intensidade luminosa de 70-100 μmol fotões m-2 s -1 , com um fotoperíodo de 12:12). As macroalgas foram cultivadas sem substrato (cultivo com agitação/tumble) e com substrato (cordão de nylon torcido de 2 mm), em duas densidades de cultivo para cada espécie e método de cultivo, durante 6 semanas. Nesta experiência investigou se como as densidades e o método de cultivo afetam o crescimento destas espécies. No cultivo de H. scoparia, foram usadas as densidades de 2 g/L e 4 g/L para ambos os métodos de cultivo. No cultivo de C. tomentosum, as densidades foram de 4 g/L e 8 g/L para o cultivo sem substrato, e de 33 g/L e 65 g/L para o cultivo em substrato. Por fim, a segunda experiência teve como objetivo avaliar o potencial de cultivo e biorremediação de H. scoparia em um sistema IMTA ao longo de 9 semanas, analisando o efeito de quatro densidades de cultivo (5, 10, 15 e 20 g/L). Relativamente à primeira experiência, tanto o cultivo de C. tomentosum quanto de H. scoparia mostraram variações significativas no crescimento, dependendo do método e densidade de cultivo. No cultivo sem substrato de C. tomentosum, obteve-se maiores valores médios de SGR (% FW 𝑑 -1 ) na densidade de 4 g/L (7.35 ± 3.96) em comparação com a de 8 g/L (4.60 ± 1.80), com diferenças significativas entre densidades ao longo do cultivo. Contrariamente, a densidade de 8g/L (3.06 ± 1.31) obteve maiores valores médios de yield (𝑔 FW L wk-1 ) do que a de 4 g/L (2.82 ± 1.75), mas sem diferenças significativas. Ambas as densidades apresentaram uma elevada contaminação por outras algas, mas visualmente a densidade de 4 g/L aparentou ter maior incidência de contaminação. Por outro lado, o comprimento médio (cm) da macroalga ao longo da experiência, foi semelhante entre as densidades, sendo 1.29 ± 0.25 (4 g/L) e 1.27 ± 0.25 (8 g/L), sem diferenças significativas entre densidades ao longo do cultivo. No cultivo sem substrato de H. scoparia, os valores médios de SGR (% FW 𝑑 -1 ) e yield (𝑔 FW L wk-1 ), foram superiores na densidade de 2 g/L (10.18 ± 4.32 e 2.08 ± 1.08 respetivamente) comparativamente à densidade de 4 g/L (5.59 ± 2.59 e 1.93 ± 1.04, respetivamente). No entanto, também foi a densidade de 2 g/L que apresentou, visualmente, mais incidência de contaminação. Por outro lado, a densidade de 4 g/L (0.82 ± 0.37) obteve valores médios de comprimento (cm) superiores à de 2 g/L (0.75 ± 0.37), com diferenças significativas ao longo do cultivo. No que diz respeito ao cultivo em substrato de C. tomentosum, a observação visual indica que a densidade mais alta apresenta mais pontos verdes (que se presume serem C. tomentosum), sendo a mais eficaz. No entanto, é necessário um cultivo mais longo de modo a iv se confirmar que é C. tomentosum. Em contrapartida, no cultivo de H. scoparia, a macroalga esteve durante duas semanas no meio para libertar os esporos, no entanto não se identificou a sua fixação ao substrato. Para ambas as espécies, houve contaminação dos cordéis por outras algas em ambas as densidades; no entanto, as densidades mais baixas aparentaram, visualmente, ter maior incidência de contaminação. Por fim, no cultivo de H. scoparia em sistema de IMTA, as densidades mais baixas foram as que apresentaram maiores valores médios de SGR (% FW 𝑑 -1 ) e yield (𝑔 𝐹𝑊 𝑚2 𝑤𝑘−1 ). Sendo esses, respetivamente, 8.42 ± 2.07 e 819.45 ± 252.33 (5 g/L); 5.11 ± 1.05 e 880.77 ± 208.53 (10 g/L); e os das densidades mais altas 2.72 ± 1.25 e 602.26 ± 269.28 (15 g/L) e 1.19 ± 1.45 e 351.66 ± 431.40 (20 g/L). Além disso, 5 g/L e 10 g/L apresentaram os valores mais elevados de conteúdo de azoto (%N) na macroalga e N-yield. No entanto, também foram estas densidades que revelaram uma maior contaminação por epífitas, o que pode ter explicado os valores mais elevados de SGR e yield. Adicionalmente, as densidades de 15 g/L e 20 g/L apresentaram uma relação C:N significantemente mais elevada do que as densidades menores, sugerindo potenciais limitações de azoto o que pode ter afetado o crescimento de H. scoparia nestas densidades. Com base em todos os resultados, e perante estas condições de cultivo, a densidade de 10 g/L foi a que pareceu ser a melhor densidade de cultivo, uma vez que apresentou vários valores mais elevados de SGR, yield e um N-yield significativamente mais elevado. No entanto são necessários mais estudos. Por fim, todas as densidades obtiveram valores de teor de %N nos tecidos superiores a vários estudos mencionados, o que demonstra que H. scoparia poderá vir a ser uma boa opção de biorremediação de azoto e cultivo em IMTA. Estes resultados demonstram que o principal desafio em todos os métodos de cultivo foi a contaminação por algas epífitas, evidenciando a grande necessidade de se colher macroalgas sem contaminação e/ou desenvolver métodos de limpeza mais eficientes. Além disso, os resultados revelaram que são necessários mais estudos para se otimizar o cultivo de ambas as espécies.
Na aquacultura, a descarga das águas residuais provenientes do cultivo de espécies alimentadas, como os peixes, pode causar a eutrofização do meio aquático recetor. Além disso, pode representar um desperdício de recursos, uma vez que essa água é rica em nutrientes e pode ser utilizada para o cultivo de outras espécies, como as macroalgas. A Aquacultura Multitrófica Integrada (IMTA) associa o cultivo de duas ou mais espécies aquáticas de diferentes níveis tróficos, de modo a aumentar a eficiência do cultivo e minimizar os resíduos. Nos últimos anos, os benefícios das macroalgas, têm sido bem conhecidos e documentados, como por exemplo, o seu uso como fertilizantes, o seu valor nutricional, as suas propriedades farmacêuticas e a sua utilização na indústria cosmética. O cultivo de macroalgas em águas residuais da aquacultura de peixes pode resultar numa aquacultura mais sustentável e eficiente, além de proteger o meio ambiente e gerar mais lucros a partir da nova biomassa. Neste trabalho foram realizadas duas experiências. A primeira teve como objetivo avaliar o potencial de cultivo de Halopteris scoparia e Codium tomentosum em condições ambientais controladas (18°C, intensidade luminosa de 70-100 μmol fotões m-2 s -1 , com um fotoperíodo de 12:12). As macroalgas foram cultivadas sem substrato (cultivo com agitação/tumble) e com substrato (cordão de nylon torcido de 2 mm), em duas densidades de cultivo para cada espécie e método de cultivo, durante 6 semanas. Nesta experiência investigou se como as densidades e o método de cultivo afetam o crescimento destas espécies. No cultivo de H. scoparia, foram usadas as densidades de 2 g/L e 4 g/L para ambos os métodos de cultivo. No cultivo de C. tomentosum, as densidades foram de 4 g/L e 8 g/L para o cultivo sem substrato, e de 33 g/L e 65 g/L para o cultivo em substrato. Por fim, a segunda experiência teve como objetivo avaliar o potencial de cultivo e biorremediação de H. scoparia em um sistema IMTA ao longo de 9 semanas, analisando o efeito de quatro densidades de cultivo (5, 10, 15 e 20 g/L). Relativamente à primeira experiência, tanto o cultivo de C. tomentosum quanto de H. scoparia mostraram variações significativas no crescimento, dependendo do método e densidade de cultivo. No cultivo sem substrato de C. tomentosum, obteve-se maiores valores médios de SGR (% FW 𝑑 -1 ) na densidade de 4 g/L (7.35 ± 3.96) em comparação com a de 8 g/L (4.60 ± 1.80), com diferenças significativas entre densidades ao longo do cultivo. Contrariamente, a densidade de 8g/L (3.06 ± 1.31) obteve maiores valores médios de yield (𝑔 FW L wk-1 ) do que a de 4 g/L (2.82 ± 1.75), mas sem diferenças significativas. Ambas as densidades apresentaram uma elevada contaminação por outras algas, mas visualmente a densidade de 4 g/L aparentou ter maior incidência de contaminação. Por outro lado, o comprimento médio (cm) da macroalga ao longo da experiência, foi semelhante entre as densidades, sendo 1.29 ± 0.25 (4 g/L) e 1.27 ± 0.25 (8 g/L), sem diferenças significativas entre densidades ao longo do cultivo. No cultivo sem substrato de H. scoparia, os valores médios de SGR (% FW 𝑑 -1 ) e yield (𝑔 FW L wk-1 ), foram superiores na densidade de 2 g/L (10.18 ± 4.32 e 2.08 ± 1.08 respetivamente) comparativamente à densidade de 4 g/L (5.59 ± 2.59 e 1.93 ± 1.04, respetivamente). No entanto, também foi a densidade de 2 g/L que apresentou, visualmente, mais incidência de contaminação. Por outro lado, a densidade de 4 g/L (0.82 ± 0.37) obteve valores médios de comprimento (cm) superiores à de 2 g/L (0.75 ± 0.37), com diferenças significativas ao longo do cultivo. No que diz respeito ao cultivo em substrato de C. tomentosum, a observação visual indica que a densidade mais alta apresenta mais pontos verdes (que se presume serem C. tomentosum), sendo a mais eficaz. No entanto, é necessário um cultivo mais longo de modo a iv se confirmar que é C. tomentosum. Em contrapartida, no cultivo de H. scoparia, a macroalga esteve durante duas semanas no meio para libertar os esporos, no entanto não se identificou a sua fixação ao substrato. Para ambas as espécies, houve contaminação dos cordéis por outras algas em ambas as densidades; no entanto, as densidades mais baixas aparentaram, visualmente, ter maior incidência de contaminação. Por fim, no cultivo de H. scoparia em sistema de IMTA, as densidades mais baixas foram as que apresentaram maiores valores médios de SGR (% FW 𝑑 -1 ) e yield (𝑔 𝐹𝑊 𝑚2 𝑤𝑘−1 ). Sendo esses, respetivamente, 8.42 ± 2.07 e 819.45 ± 252.33 (5 g/L); 5.11 ± 1.05 e 880.77 ± 208.53 (10 g/L); e os das densidades mais altas 2.72 ± 1.25 e 602.26 ± 269.28 (15 g/L) e 1.19 ± 1.45 e 351.66 ± 431.40 (20 g/L). Além disso, 5 g/L e 10 g/L apresentaram os valores mais elevados de conteúdo de azoto (%N) na macroalga e N-yield. No entanto, também foram estas densidades que revelaram uma maior contaminação por epífitas, o que pode ter explicado os valores mais elevados de SGR e yield. Adicionalmente, as densidades de 15 g/L e 20 g/L apresentaram uma relação C:N significantemente mais elevada do que as densidades menores, sugerindo potenciais limitações de azoto o que pode ter afetado o crescimento de H. scoparia nestas densidades. Com base em todos os resultados, e perante estas condições de cultivo, a densidade de 10 g/L foi a que pareceu ser a melhor densidade de cultivo, uma vez que apresentou vários valores mais elevados de SGR, yield e um N-yield significativamente mais elevado. No entanto são necessários mais estudos. Por fim, todas as densidades obtiveram valores de teor de %N nos tecidos superiores a vários estudos mencionados, o que demonstra que H. scoparia poderá vir a ser uma boa opção de biorremediação de azoto e cultivo em IMTA. Estes resultados demonstram que o principal desafio em todos os métodos de cultivo foi a contaminação por algas epífitas, evidenciando a grande necessidade de se colher macroalgas sem contaminação e/ou desenvolver métodos de limpeza mais eficientes. Além disso, os resultados revelaram que são necessários mais estudos para se otimizar o cultivo de ambas as espécies.
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Keywords
Bioremediation Codium tomentosum Halopteris scoparia Integrated Multitrophic Aquaculture (IMTA) Macroalgae cultivation