Hidroponia – Tudo o que Você Precisa Saber

O que é Hidroponia

Hydroponics is a cultivation method that grows plants in water instead of soil. It is part of the broader “soil-less” cultivation methods, which include aquaponics and aeroponics.

Na maioria das vezes, o cultivo é realizado com as raízes das plantas na água, mas ocasionalmente pode ser feito em outros substratos, como géis ou um meio inerte como perlita, cascalho, etc.

Como não há solo, a nutrição da planta em elementos minerais é feita dissolvendo-os na água. Em muitos casos, o cultivo hidropônico equivale ao cultivo interno, com luz fornecida por iluminação artificial. No entanto, a hidroponia também é possível ao ar livre, pois fornece luz solar “gratuita”, ao custo de maior risco de contaminação (veja abaixo).

The hydroponic market size grew to quase $5B bilhões em 2023, e espera‑se que cresça a um CAGR de 12,4% até 2030.

A ciência da Hidroponia

While most plants can be grown with hydroponic systems, some will require a substrate to anchor their roots. This is why inert substrates like coconut coir, vermiculite (a silicate rock), and perlite (an amorphous volcanic glass) are used.

Fonte: Climate Control

Nutrients like phosphate, potassium, and nitrogen (“NPK”), as well as micronutrients, are dissolved into the water, allowing for an almost 100% efficiency in the use of the fertilizers.

Hydroponics can be separated into 2 different types of designs: open and closed systems.

Sistemas abertos: exigem que a água carregada de nutrientes flua do reservatório para a câmara de crescimento. Sistemas fechados: têm as raízes diretamente submersas na solução nutritiva e, portanto, não precisam de bombas.

Passive systems, in opposition to active systems, are hydroponic systems that do not require electrical components like pumps, ventilation, artificial lights, and timers.

O que pode ser cultivado com Hidroponia

Hydroponics is used to grow many different high-value, sensitive crops.  The most common of which are as follows, in order: Tomatoes, Herbs, Lettuce, Cucumber.

Fonte: Grand View Research

Outro uso menos documentado, porém significativo, da hidroponia tem sido o cultivo de cannabis em pequena ou média escala. Embora essa prática permaneça ilegal na maioria dos países, há uma lista crescente de nações que permitem o cultivo dessa planta com a devida licença em ambiente comercial – o Canadá é um dos principais exemplos.

Muitas fazendas comerciais de cannabis nos estados dos EUA onde o cultivo é legal preferem o cultivo em estufas. Aqui, os métodos hidropônicos são usados para produzir resultados mais consistentes do que os possíveis com solo.

Vantagens da Hidroponia

Controle

Hydroponics’ main advantage is the level of control offered by the technique. This is especially true when combined with indoor cultivation, compared to cultivation in soil or even greenhouses.  This translates into multiple advantages for commercial cultivation.

Ela pode produzir resultados mais consistentes. Por exemplo, a composição química exata de uma planta de cannabis que será usada posteriormente na produção de fármacos. Isso permite que esforços de pesquisa e desenvolvimento encontrem as condições perfeitas, resultando no produto de mais alta qualidade.

Também pode proporcionar maior controle sobre o timing do crescimento para obter uma produção muito consistente e estável. Isso é muito valioso para produtos com demanda relativamente constante, mas picos sazonais de produção, como tomates ou frutas vermelhas.

Combinando cada uma das capacidades, o nível de controle possível pode ser usado para otimizar a velocidade de crescimento, sabor, aroma ou aspecto do produto final da planta, o que provavelmente comandará um preço premium.

Por fim, também pode ser usado para monitorar as culturas e detectar quaisquer problemas precocemente.

Espaço

Graças às condições ótimas, mais culturas podem ser cultivadas por metro quadrado do que em outras condições. Isso a torna uma boa opção para a agricultura urbana, como discutido em nosso artigo “Escalando a Agricultura Urbana para Trazer Muitos Benefícios“. Isso pode permitir que alimentos sejam produzidos localmente ao invés de importados a centenas ou milhares de milhas, mesmo que a terra e o espaço sejam mais caros localmente.

Será um método de cultivo extremamente valioso para ambientes adversos, como futuras bases na Lua ou em Marte, onde os custos de transporte proibitivamente altos tornarão os suprimentos alimentares cultivados localmente extremamente valiosos.

Demanda de Nutrientes e Resíduos

As mentioned, because the nutrients are in the water and that water stays in the growth chambers and/or a reservoir, there is no loss of nutrients in the system except by what is effectively absorbed in the plant during its growth.

Fonte: Unsplash

Isso faz com que o uso de fertilizantes para cultivar as culturas esteja o mais próximo possível do ideal. Em abordagens agrícolas mais tradicionais, o uso excessivo de fertilizantes em campos abertos gera múltiplos problemas. Estes incluem danos aos ecossistemas do solo, florescimento algal tóxico e até eutrofização de corpos de água doce. Portanto, reduzir a quantidade de fertilizante que escorre para o meio ambiente é uma preocupação ecológica importante e frequentemente negligenciada.

Fonte: Britannica

Uso de Água

Contrary to appearance, hydroponics use much less water than traditional cultivation methods.  This is true whether taking place in open fields or greenhouses.

Isso ocorre porque a evaporação da água é mantida ao mínimo devido ao contato superficial reduzido com o ar, e não vaza para o solo. Essencialmente, a água permanece dentro do sistema fechado.

Como resultado, a hidroponia pode usar tão pouco como 1/10 da água que os métodos tradicionais de irrigação de culturas de campo utilizam. Portanto, isso pode torná‑la uma excelente opção para áreas com escassez de água e/ou culturas especialmente sedentas, como verduras de folhas.

Intensidade de Trabalho

Because the plants are growing in a controlled and custom-designed environment, they can also be designed to optimize labor costs. Automation can replace most of the more dangerous traditional farm work, and plants already growing in pots without soil can save time for harvesting, cleaning, and packaging.

Desvantagens da Hidroponia

Custos

The main limitation of hydroponics is its costs. Because it requires dedicated facilities, and often pumps, ventilation, etc., it is much more expensive to set up than traditional farming methods. This is exacerbated further in cold climates that require additional hardware like climate control and artificial lights – each of which only adds to the energy costs of the cultivation operations.

Devido a essa limitação, a maioria das fazendas comerciais que dependem da hidroponia foca em culturas de alto valor, como frutas, bagas, verduras de folhas, cannabis, etc., na tentativa de maximizar seu retorno sobre investimento.

Até o momento, essa questão tem dificultado a adoção mais ampla da agricultura vertical em geral, incluindo não apenas a hidroponia, mas também a aquaponia e a aeroponia.

Resiliência

Hydroponic systems are, by design, more artificial than crops in an open field. This means they are dependent on each of the following things running smoothly:

• Cadeia de suprimentos de peças e componentes.
• Fornecimento de energia elétrica.
• Sistema eletrônico conectado para operações altamente automatizadas e avançadas.
• Mão‑de‑obra qualificada capaz de realizar eficientemente o monitoramento e a manutenção necessários.

While there are ways to mitigate these risks, for example with systems redundancy or larger inventory (which add to setup costs), or localized supply of energy through renewable power generation, hydroponics will never be as resilient as a rain-watered crop in an open field.

Doenças transmitidas pela água e contaminação por algas

Patógenos

Removing soil obviously removes all risks related to soil-born diseases, but it also means removing a whole ecosystem of beneficial microbes that protect against plant diseases. Meanwhile, the constantly circulating water can be a vector for spreading other pathogens, meaning adverse events can be devastating and occur even quicker in hydroponic systems.

Os dois organismos mais comuns que causam doenças na hidroponia são Pythium e Phytophthora, ambas doenças fúngicas. Pythium pode atacar todas as plantas, enquanto Phytophthora tende a afetar principalmente culturas de flores.

Para enfrentar esses problemas, os agricultores normalmente adotam práticas regulares de limpeza e sanitização e o uso de filtros, o que pode reduzir significativamente o risco de patógenos de plantas transmitidos pela água. Complementarmente, testes e monitoramento regulares são igualmente benéficos para detectar sinais precoces de contaminação.

Sistemas hidropônicos paralelos e desconectados para grandes instalações também são recomendados para evitar contaminação generalizada. Controlar o pH da água pode ajudar a reduzir o crescimento de fungos.

Algas

Another contaminant that can affect hydroponic systems is algae. While the water contains the perfect mix of nutrients to boost plants’ growth, the same mix is, at the same time, the perfect environment for the unicellular algae. If present, algae will create a slimy and difficult-to-clean layer on surfaces and can even block water filters or small tubes.

Embora os sistemas hidropônicos não precisem se preocupar com ervas daninhas como em um campo, as algas são essencialmente equivalentes. Como as ervas daninhas, as algas privam as culturas de seus nutrientes, reduzindo o crescimento e a saúde das plantas.

Além disso, as algas reduzirão a concentração de oxigênio na água. O primeiro efeito é que podem danificar as raízes das plantas e seu crescimento. O segundo problema é que favorecem o crescimento de doenças fúngicas como o Pythium.

Existem várias maneiras de controlar o crescimento de algas, desde o uso de filtros para limpar a água que entra, até expor a água à luz UV para matar as algas (Lâmpadas UV são rotineiramente usadas para eliminar microrganismos e tornar a água potável em serviços públicos).

Inovação na Hidroponia

Iluminação LED

LED lights are a crucial technology in hydroponics, making the entire practice feasible on a commercial scale. This is because such lights consume far less energy than traditional light sources, lasting longer and emitting significantly less heat.

Além disso, nem todo o espectro de luz visível é útil para as plantas na fotossíntese, portanto LEDs dedicados sem luz verde podem ser usados para reduzir ainda mais a eletricidade consumida pela iluminação artificial.

Fonte: Agritecture

IoT e Automação Baseada em Sensores

The declining costs of sensors and electronics have made continuous monitoring of temperature, humidity, light, pH levels, and nutrient volume possible.

Although more advanced, this sensor-based farming helps to track and adjust growing conditions in real-time to ensure optimal crop yields, bolstering the grower’s bottom line.

Tecnologias Baseadas em IA

As mentioned, hydroponics requires an intense level of monitoring of the water system, diseases, nutrient levels, etc. To that end, AI is increasingly being used to help optimize existing environmental conditions, including light levels, humidity, and nutrient levels.

AI also helps optimize investment and reduce costs by creating personalized growth plans for each plant type.

It can also use machine vision or biochemical tests to warn about the presence of pathogens before a human ever could.

Lastly, with the rise of autonomous farming robots, we can envision a hydroponic system where planting, pruning, harvesting, and replacing plants can be done in a fully automatic manner.

Novas Inovações na Agricultura

Hydroponic cultivation allows for direct control over plants in a way impossible in traditional farming. This opens the door to experimentation for new ways to boost crop productivity beyond increasing access to light or nutrients.

Por exemplo, exploramos uma dessas opções em nosso artigo “Eletricidade para Supercarregar o Crescimento em Culturas Hidropônicas”. Pesquisadores usaram um substrato artificial personalizado, ou “solo condutor / eSoil”, feito de celulose (o principal componente do papel) misturado com um polímero condutor chamado PEDOT (polímero 3,4-etilenodioxitiofeno).

Dessa forma, eles puderam expor as mudas a baixa voltagem contínua, resultando em um aumento de 50% na taxa de crescimento.

Fonte: PNAS

Este é um exemplo de como os sistemas hidropônicos podem oferecer ganhos significativos de produtividade graças ao seu maior nível de controle.

Construindo uma Instalação Hidropônica

When planning to build a hydroponic installation, the first question should be – Why choose hydroponic over other cultivation methods? There can be many reasons:

• Economizar água ou reduzir a poluição.
• Possibilidade de experimentar novos métodos de cultivo.
• Consumo doméstico em pequena escala ou ferramentas pedagógicas.
• Cultivar em escala culturas de alta qualidade e alto valor.

Depending on the answer, different hydroponic systems can be chosen.

Uma operação comercial precisará equilibrar os recursos disponíveis com os custos iniciais, buscando minimizar os custos operacionais. Considerar os mercados locais e as margens será extremamente importante na escolha das culturas. O nível de automação e a maturidade da tecnologia utilizada também devem ser considerados.

Um sistema caseiro de pequena escala deve ser adaptado às habilidades técnicas de seus construtores e usuários, pois um design “otimizado” porém muito complexo provavelmente não funcionará bem. Componentes prontos podem ser uma opção melhor nesse caso.

Um sistema dedicado a resolver um problema específico, como escassez de água, precisará focar nessa métrica, especialmente se isso tornar outros elementos menos otimizados.

Hidroponia como parte de um sistema maior, como combinada com aquicultura (aquaponia), precisará ser projetada considerando as demais etapas e componentes.

Conclusão

Hydroponics is a powerful approach to cultivation systems, offering exceptional levels of control over growth conditions. These are typically very efficient systems, boasting optimized usage of fertilizers and water. This makes it an ideal commercial-scale cultivation method for difficult-to-grow crops or high-value products where perfect timing, taste, composition, aspect, or other qualitative metrics can justify a much higher price.

Graças à sua densidade e alta produtividade, também é um bom sistema para produção de alimentos em escala doméstica ou agricultura urbana, onde o espaço costuma ser uma limitação.

No entanto, é um sistema muito mais complexo que a agricultura ou jardinagem tradicional. Isso o torna mais caro, mais técnico de instalar e manter, e mais propenso a problemas únicos como contaminação por algas e doenças transmitidas pela água, que precisam ser gerenciados por soluções dedicadas. Em certas situações, será igualmente desafiador para pessoas ou empresas que não possuam habilidades técnicas para lidar com esses desafios internos associados.

No geral, embora improvável ser tão econômico quanto culturas cultivadas em grande volume a preços baixos em campos abertos, a hidroponia pode ser uma boa solução para problemas específicos ou um bom método para cultivar produtos locais de alta qualidade.