The effect of nitrogen availability in the antioxidant content of two halophyte species under saltwater hydroponics

Abstract

The sustainable development of aquaculture requires the search for best practices and alternative solutions to reduce constrains (environmental and economic) posed by the generated effluents. These are nutrient rich and cannot be directly discharged into the environment, as it might induce eutrophication. Primary producers have been used for the uptake of the excess of dissolved inorganic nutrients, acting as extractive species for bioremediation of effluents. In the context of marine aquaculture, bioremediation of saline effluents implies the use of salt tolerant species, like halophytes. In light of the current circular economy agenda, preference is given to potentially commercial plant species. In frame of the above mentioned, the objective of this study was to test the effect of nitrogen (N) availability in the production of secondary metabolites of primary producers Halimione portulacoides and Chenopodium quinoa. The secondary metabolites were used as proxy for plant health status, when cultivated under hydroponic conditions. Halimione portulacoides is a halophyte with potential for the removal of nutrients from marine effluents. Chenopodium quinoa is a facultative halophyte that has been subject of several studies in terms of nutritional value and salt tolerance but not as an agent for bioremediation. The experiment was performed under controlled greenhouse conditions where plants were cultivated in hydroponic solution with a salinity of 20 and four concentrations of nitrogen: 20 mg l-1; 40 mg l-1; 100 mg l-1 and 200 mg l-1. After 5 weeks (H. portulacoides) and 4 weeks (C. quinoa), plants were characterized considering the biomass gain, the content in chlorophyll, ORAC, total phenols, total flavonoids, ascorbate, total N-C, and the content in relevant elements. The concentration of nitrate and phosphate in the hydroponic solution was analysed for mass balance calculation. Results showed that both species produced high antioxidant content when cultivated in hydroponic solution with 20 mg l-1 of nitrogen concentrations, but at the cost of biomass gain, thus indicating a stress response. Results also indicate that the concentration that triggers the stress conditions range between 40 mg l-1 and 20 mg l-1. When cultivated in hydroponic solution with 100 mg l-1 of nitrogen concentrations or higher concentrations, plants presented higher biomass gain and lower antioxidant content. This is particularly relevant for C. quinoa which presented the higher values for these parameters. Regarding the removal of nutrients from the hydroponic solution, C. quinoa presented higher extraction capacity, when compared to H. portulacoides. This is still true with increasing concentrations of nitrogen. Considering the range of nitrogen concentrations tested, this study shows the potential of H. portulacoides and C. quinoa to be integrated as extractive species in marine aquaculture facilities (salinity of 20). This can be done under different production regimes, from semi-intensive to super-intensive aquaculture systems.

O desenvolvimento sustentável da aquacultura requer a procura de melhores práticas e soluções alternativas de forma a minimizar os problemas (ambientais e económicos) causados pelos efluentes gerados. Estes são ricos em nutrientes, não podendo ser diretamente descartados no ambiente, uma vez que podem causar eutrofização. Os produtores primários têm sido usados para a remoção do excesso de nutrientes inorgânicos dissolvidos, atuando como espécies extrativas na biorremediação de efluentes. No contexto da aquacultura marinha, a biorremediação de efluentes salinos implica a utilização de espécies tolerantes à salinidade, como é o caso das plantas halófitas. Tendo em conta a atual agenda de economia circular, é dada preferência a espécies de plantas com potencial comercial. Neste enquadramento, o objetivo do presente estudo foi testar o efeito da disponibilidade de azoto (N) na produção de metabolitos secundários nos produtores primários Halimione portulacoides e Chenopodium quinoa, como indicadores da saúde da planta quando cultivada em hidroponia. Halimione portulacoides é uma halófita que apresenta potencial para remoção de nutrientes de efluentes salinos e Chenopodium quinoa é uma halófita facultativa muito estudada pelo seu valor nutricional e tolerância à salinidade, mas não como agente de biorremediação. A experiência foi realizada numa estufa com condições controladas onde as plantas foram cultivadas numa solução hidropónica com salinidade de 20 e quatro concentrações de azoto: 20 mg l-1; 40 mg l-1; 100 mg l-1 e 200 mg l-1. Após 5 semanas (H. portulacoides) e 4 semanas (C. quinoa), as plantas foram caracterizadas tendo em conta o ganho de biomassa e o conteúdo em clorofila, ORAC, fenóis totais, flavonoides totais, ácido ascórbico, N-C total, e ainda o conteúdo em elementos tidos como relevantes. Foram determinadas as concentrações de nitrato e de fosfato na solução hidropónica e efetuado o cálculo do balanço de massa. Os resultados revelaram que ambas as espécies produziram um elevado teor em antioxidantes, quando cultivadas em concentrações de azoto de 20 mg l-1. Essas plantas apresentaram um baixo incremento em biomassa, indicando uma resposta de stress. Os resultados indicam que a concentração que despoleta essas condições de stress encontra-se entre 40 mg l-1 e 20 mg l-1. Quando cultivadas em concentrações de azoto iguais ou superiores a 100 mg l-1, as plantas apresentaram maior incremento em biomassa e menor conteúdo em antioxidantes. Resultado particularmente relevante na espécie C. quinoa, que apresentou os valores mais elevados para estes parâmetros. Relativamente à remoção de nutrientes da solução hidropónica, C. quinoa demonstrou maior capacidade de extração quando comparada com H. portulacoides, mesmo com o aumento de disponibilidade de azoto. Tendo em conta a gama de concentrações de azoto testadas, este estudo revela o potencial de integração de H. portulacoides e de C. quinoa como espécies extrativas em sistemas de água salgada (salinidade de 20), em diferentes regimes de produção aquícola, que podem ir desde o cultivo semi-intensivo ao super-intensivo.