Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10773/29912
Title: Integration of halophytes production to promote coastal aquaculture eco-intensification
Other Titles: Integração da produção de halófitas para a ecointensificação da aquacultura costeira
Author: Custódio, Marco Freire
Advisor: Lillebo, Ana Isabel
Villasante Larramendi, Carlos Sebastian
Calado, Ricardo Jorge Guerra
Keywords: Aquaculture
Integrated multi-trophic aquaculture
Hydroponics
Halophytes
Halimione portulacoides
Phytoremediation
Nutrients
Lipids
Ecosystem services
Nature-based solutions
Food innovation
Sustainability
Defense Date: 24-Jul-2020
Abstract: As atividades aquícolas são uma parte integrante dos ecossistemas onde ocorrem, tendo um impacto inevitável no funcionamento dos mesmos. Certos modos de produção podem ter um impacto positivo acrescido na capacidade dos ecossistemas em providenciar serviços de regulação e manutenção, para além dos serviços mais óbvios de aprovisionamento de biomassa vegetal e animal. É o caso da Aquacultura Multi-Trófica Integrada (IMTA, do inglês Integrated Multi-trophic Aquaculture), uma estrutura de produção aquícola mais sustentável que pode ser definida como a produção otimizada de organismos aquáticos de dois ou mais grupos funcionais (com funções ecossistémicas complementares), ligados troficamente através de fluxos de energia e de nutrientes. Um desses grupos funcionais, que produzem serviços chave de fitoremediação, são as plantas halófitas. Capazes de suportar salinidades elevadas, as halófitas podem ser facilmente integradas em sistemas de IMTA em águas salinas como espécies extrativas com valor económico, podendo ser usada para a nutrição humana. A presente tese tem como objetivo principal testar a eficiência da halófita Halimione portulacoides (L.) Aellen na remoção de nutrientes (DIN e DIP, respetivamente do inglês dissolved inorganic nitrogen e dissolved inorganic phosphorus) presentes em soluções hidropónicas que simulam condições reais de efluentes de aquacultura, para avaliar a sua aptidão como espécie extrativa para a IMTA costeira. A produtividade e o potencial de valorização da planta são também demonstrados. O primeiro passo foi perceber o estado-da-arte relativamente ao uso de halófitas na remediação de efluentes aquícolas através de uma revisão sistemática da literatura. De seguida foram executados dois ensaios de crescimento em sistema hidropónico para perceber a capacidade extrativa e a produtividade do H. portulacoides. O primeiro ensaio consistiu num estudo exploratório da resposta da planta sob diferentes concentrações de DIN e DIP representativas de efluentes de aquacultura semiintensiva, intensiva e super-intensiva. O segundo ensaio foi desenhado de forma a providenciar dados adicionais sobre a influência da densidade de plantação e da iluminação no crescimento e na eficiência de remediação da planta. A partir da biomassa produzida foram analisados e caracterizados o perfil nutricional e o lipidoma da biomassa edível. Adicionalmente, foi realizado um inquérito estruturado a uma amostra de consumidores portugueses para avaliar as suas preferências e disponibilidade-a-pagar por halófitas embaladas e prontas a consumir e determinar potencias segmentos de consumidores destes novos produtos. Por fim, uma segunda revisão da literatura é apresentada onde se discute a utilidade de avaliar e valorar os serviços dos ecossistemas no contexto da aquacultura de modo a capturar o valor multidimensional de certos tipos de produção e promover práticas sustentáveis como o IMTA. Os resultados obtidos demonstram que as halófitas são plantas ainda subvalorizadas com imenso potencial no contexto da indústria alimentar no general, e da aquacultura em particular. No caso específico do H. portulacoides, as condições para a sua produção em hidroponia foram exploradas e, em condições nutricionais nãolimitantes, as unidades hidropónicas apresentaram uma produtividade de 54 – 73 g m-2 day-1, e eficiências de extração até 70% do DIN e 50% do DIP. A densidade de plantação pode ser ajustada de modo a aumentar a produtividade e capacidade extrativa das unidades hidropónicas. Além disso, o perfil nutricional das folhas é análogo ao de outras halófitas comestíveis e vegetais verdes e apresentou um perfil mineral baixo em sódio, apresentando-se como um pontencial substituto do sal. A análise do lipidoma polar permitiu identificar 175 espécies presentes no extrato lipídico das folhas. O questionário aos consumidores demonstrou que a disponibilidade média a pagar por uma embalagem de 50 g de Salicórnia pronta-a-consumir é de 2,10 €. O género feminino e o ‘consumidor aventureiro’ (baseado no instrumento de segmentação Food Related-Lifestyle) são dois segmentos de consumidores chave para os vegetais salgados. No geral, o H. portulacoides apresenta um bom desempenho de crescimento e extração de DIN e DIP em condições hidropónicas salinas (salinidade 20) e, portanto, é considerada uma espécie extrativa adequada para a IMTA costeira e apresenta elevado potencial para valoração económica. O conhecimento científico obtido fornece um ponto de partida sólido para o cultivo e ampliação da produção hidropónica de H. portulacoides.
Aquaculture activities are connected to some degree with the ecosystems on which they occur and from which they depend to operate, having an inevitable impact on their functioning. Certain modes of aquaculture production can have a positive impact on the capacity of ecosystems to deliver regulation and maintenance ecosystem services, besides the obvious provisioning services of biomass from aquatic plants and animals. This is certainly the case of Integrated Multi-Trophic Aquaculture (IMTA), a sustainable aquatic production framework, which can be defined as the enhanced production of aquatic organisms of two or more functional groups (with complementary ecosystem functions), that are trophically connected by demonstrated nutrient flows. One of these functional groups, with key ecosystem services of phytoremediation for IMTA, is halophyte plants. Capable of withstanding high salinities, halophytes can be easily integrated into saltwater based IMTA as extractive species and be developed into new valuable and nutritious crops with multiple uses in different industries. The main objective of this thesis was to test the capacity of the halophyte Halimione portulacoides to extract dissolved inorganic nitrogen (DIN) and phosphorous (DIP) from saline hydroponic solutions that mimic the conditions of real aquaculture effluents, to evaluate its suitability as an extractive species for coastal IMTA. The productivity and the valorization potential of the plant were also evaluated. The first step was to understand the state-of-the-art regarding the use of halophytes to remediate aquaculture effluents through a systematic review of the literature. Afterward, two hydroponic grow-out studies were designed and performed to understand the extractive capacity and production of H. portulacoides. The first trial was an exploratory study on the performance of this plant under different levels of DIN and DIP concentrations, mimicking those of semi-intensive, intensive, and super-intensive aquaculture effluents. The second trial was designed to further understand the influence of hydroponic production variables (plant density and artificial illumination) in the performance of H. portulacoides under non-limited nutrient conditions. From the biomass produced, further analyses were performed to characterize the leaves’ nutritional profile and lipidomic profile. Additionally, a structured survey was performed to a sample of Portuguese consumers to assess their preferences and willingnessto- pay for fresh-cut halophyte products and provide insight into potential consumer segments for these new products. At last, a second literature review was performed to understand the value of employing the ecosystem services framework to capture the multidimensional value of certain modes of aquaculture to foster more sustainable practices such as IMTA. The present work revealed that halophytes are undervalued crops with tremendous potential in the context of food production in general, and sustainable aquaculture in particular. In the specific case of H. portulacoides, the subject of this research, the conditions for its hydroponic production were explored. Under non-limited DIN and DIP conditions, hydroponic units displayed good productivity, varying between 54 – 73 g m-2 day-1, and extraction efficiencies up to 70% DIN and 50% DIP. Moreover, plant density can be optimized to improve the productivity and extractive capacity of hydroponic units. The nutritional profile of leaves is comparable to that of other edible halophytes and leafy greens and presents a low-sodium profile. A lipidomic analysis identified 175 polar lipid species present in the lipidic extract of the leaves. A survey of Portuguese consumers showed that average willingness-to-pay for a 50 g fresh-cut Salicornia package is 2.10 €. Female consumers and the ‘adventurous consumer’ (based on the Food-Related Lifestyle scale) are two major consumer segments for salty vegetables. Overall, the results obtained indicate that H. portulacoides performs well under saline hydroponic conditions, with efficient DIN and DIP extraction and high biomass production and is, therefore, a suitable extractive species for coastal IMTA and other hydroponic applications, with a high potential for economic valorization. The scientific knowledge obtained provides a solid starting point for H. portulacoides hydroponic production and scale-up towards commercial production.
URI: http://hdl.handle.net/10773/29912
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DBio - Teses de doutoramento

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