Gradiente N:P revisitado – novas interpretações

[Paulo Mallard Scaldaferri]

Gradiente N:P revisitado – o legado de Redfield e suas possíveis aplicações no aquarismo marinho

Paulo Mallard Scaldaferri; João Carlos Basso, Marcos Augusto Bizeto, Miguel Mies, Roberto Denadai

Introdução

Muita discussão e debate existe na aplicação da famigerada razão de Redfield no manejo do aquário marinho. Há grupos que defendem o seu uso através de tabelas e guias de correções. Por outro lado, há muitos que visualizam grave erro nesta aplicação ou mesmo que invalidem por completo sua utilidade.
Através desta revisão de estudos, tentamos obter as melhores e mais confiáveis informações que obtivemos para melhor compreender a informação que poderia favorecer nossa condução no cuidado com o aquário marinho.
Já houve tempo que este conceito foi muito difundido, com a defesa da conhecida relação 106:16:1 como alvo ideal de equilíbrio para controle de algas verdes e cianobactérias, como sugerido por Basso (1) e Sprung (2) entre outros (3). Entretanto, muitos aquaristas vem questionando a aplicabilidade dessas previsões e possíveis correções.

As origens

Alfred Redfield em 1934 publicou estudo (4) amplamente conhecido levantando a proporção de compostos orgânicos oceânicos coletados no trajeto da embarcação “Dana” entre 1928 e 1929. Amostras foram obtidas na superfície, a 700 e a 1500 metros de profundidade. A publicação original identificou uma proporção da razão estequiométrica de Nitrato:Fosfato de 20:1, oferecendo uma luz sobre um possível equilíbrio entre estes componentes. Mais tarde, em 1958, o mesmo autor (5) reconheceu que, baseado em novos dados publicados, chegariam à razão C:N:P de 106:16:1, que até hoje é muito difundida em nosso hobby.
Estudo de grande porte mais recente (6) com ampla coleta de dados (5336 pontos oceânicos distintos) demonstrou que mesmo entre diferentes regiões há variação importante e verificou com técnicas mais apuradas que a média global mais precisa para esta relação é 163:22:1.
Como vamos discorrer a seguir, estes valores não parecem ser fixos entre diferentes regiões. Além disso, águas oceânicas são habitualmente pobres em nutrientes e significativamente diferentes de regiões costeiras onde há maior proliferação de corais na natureza.
Entretanto, parece haver proporções estudadas em diferentes locais que aparentam favorecer ou desfavorecer o crescimento de diferentes microrganismos.
A comunidade de aquarismo marinho há tempo vem se apropriando das informações fornecidas pelo estudo original a fim de equilibrar o conteúdo desses compostos orgânicos em nossos aquários. Entretanto, a aplicabilidade dos valores estudo original é muito questionável, uma vez que foi realizado em águas oceânicas.

As novas visões do balanço N : P

Cada vez mais organismos fixadores de Nitrogênio que compõem essa relação são estudados e diferentes gradientes N:P tem sido identificados na natureza e testados em laboratório (7) tanto em meios ricos quanto pobres em nutrientes. Diferentes espécies se beneficiam de maneira desigual dos gradientes N:P. Previsões matemáticas foram desenvolvidas para tentar predizer o predomínio de microrganismos onde os fatores limitantes sejam o nitrogênio, o fósforo ou ambos (8). Em ambientes onde haja carência tanto de N quanto de P, o crescimento global fica reduzido, e nesses grupos fica prejudicada a interpretação do favorecimento de uma ou outra espécie.
Neste momento vale ressaltar que grande número de estudos inclui a análise do componente carbono desta equação. Com finalidade de simplificação e foco no aquarismo, relatarei com maior frequência os dados positivos especificamente para a relação N:P, haja vista que parecem ser os fatores preponderantes na previsibilidade de predominância de uma ou outra espécie. Além disso, tratam-se dos parâmetros mais disponíveis ao aquarista marinho pelo uso rotineiro de testes de nitrato e fosfato, que são bastante representativos da relação N:P na coluna d´água.
Haveria tal gradiente de limitação desses componentes orgânicos na composição de diferentes microrganismos presentes em aquários marinhos? Aparentemente sim, mas não é tão simples quanto imaginávamos.
Vejamos as bases bioquímicas para a diferente demanda e composição de N:P (8). O maior pool de N está presente em proteínas e ácidos nucléicos. Também está presente nas clorofilas a, b, c e aminoácidos. Ainda ocorre na quitina, presente em diatomáceas. Em contrapartida, o maior pool de P advém de ácidos nucléicos, fosfolipídios e presente em menor monta em proteínas. A principal macromolécula que compõe a fração celular rica em P é o RNA.
Mas nem tudo em ciência é explicado de maneira tão direta como imaginamos. As cianobactérias possuem uma relação celular N:P elevada (> 25) em relação à maioria dos outros microrganismos eucariontes devido ao seu aparato de captação luminosa significativamente volumoso (9). Em contrapartida outros gêneros de fitoplâncton eucarionte apresentam esta balança desviada na demanda do componente P (índices N:P < 16), como é o caso de algas verdes, diatomáceas e dinoflagelados. Analisando unicamente através de seu conteúdo celular para esses elementos, seria esperada uma elevada demanda de N pelas cianobactérias. No entanto, estudos evidenciaram exatamente o contrário. Com essa repetida observação, se levantou ainda a hipótese de que as cianobactérias seriam capazes de suplementar a carência de N graças à sua capacidade diazotrófica de fixação de N2 (10). Esta capacidade de fixação de nitrogênio gasoso oferece uma melhor explicação para a vantagem competitiva das cianobactérias em ambientes carentes de nitrogênio.

Relações entre os índices N:P e cianobactérias

A proliferação desequilibrada de cianobactérias em águas estuarinas e marinhas tem se relacionado a ambientes ricos em nutrientes, porém carentes da fração N desta equação. Smith já demonstrou em suas análises que a proporção N:P abaixo de 29 favoreceu a proliferação de cianobactérias, que aparentemente eram mais eficientes na fixação de N (11). Mais tarde o mesmo autor demonstrou que a razão de N:P parecia um dos fatores preponderantes no crescimento predominante de cianobactérias na natureza (12).
As cianobactérias estão onipresentes em aquários marinhos e aquilo que habitualmente chamamos de problema geralmente se caracteriza pelo desequilíbrio, com excessiva proliferação desses organismos em detrimento de outros. Habitualmente são encontradas algumas espécies mais prevalentes em aquários, como aquelas dos gêneros Oscillatoria, Lyngbya e Phormidium (3, 13, 14).
Assim como outros microrganismos planctônicos marinhos, após um crescimento acelerado as cianobactérias também desenvolvem vantagem competitiva através da secreção de substâncias alelopáticas. Essas substâncias podem inibir o crescimento de outras algas e mesmo de outras cianobactérias (15), apresentando inclusive propriedades antimicrobianas. Este insight pode oferecer alguma luz sobre a observação do efeito inverso: do tratamento para cianobactérias em aquários através do uso de macrolídeos como azitromicina ou eritromicina. O mesmo grupo de medicamentos (macrolídeos) já foi isolado de outras cianobactérias (16) – teria o seu mecanismo de ação alguma similaridade à alelopatia? Embora interessante, não identificamos estudos específicos para verificar a veracidade dessa hipótese.
Apesar dessas vantagens competitivas que favorecem as culturas em pleno crescimento, o desequilíbrio inicial que leva à sua proliferação acelerada parece ser fortemente influenciado pela razão N:P. Ahlgren testou esta hipótese em ambientes fechados, que poderíamos chamar de pequenos aquários (tubos de vidro de 0.5L). O pesquisador avaliou a proliferação de uma espécie de Oscillatoria agardhii em ambientes onde os nutrientes eram limitados por nitrogênio ou limitados por fósforo(17). Observou que o fósforo foi um fator de crescimento significativamente mais limitante do que o nitrogênio para a espécie estudada, ou seja, com vantagem competitiva em meio pobre em N. Levich (18) também estudou em laboratório o favorecimento da proliferação de cianobactérias em detrimento de outros microrganismos, analisando combinações variadas da relação N:P e encontrou equilíbrios muito interessantes: na razão 20:1 houve um pico no favorecimento de algas verdes; por outro lado, diatomáceas e cianobactérias tiveram o seu crescimento mais acelerado nas razões entre 2:1 e 5:1.
Implicações dos índices N : P nas técnicas de dosagem de carbono

A dosagem de carbono é uma técnica muito utilizada por aquaristas marinhos com a finalidade de exportação de nutrientes e redução de nitrato e fosfato. Diversas fontes de carbono já foram testadas para esta finalidade como açúcar, vodca, vinagre entre muitos outros. Os princípios de funcionamento da dosagem de carbono também parecem ser clareados pelo estudo das relações C:N:P.
A adição de carbono pode fornecer o fator limitante para crescimento da população bacteriana do aquário. Através dessa incorporação as bactérias também consomem nitrato (em maior proporção) e fosfato, sendo posteriormente exportadas através do skimmer.
Identificamos, ainda, alguns estudos (19) que identificaram que a razão média de C:N:P presentes nessas bactérias foi 50:10:1. O crescimento exponencial de bactérias marinhas in vitro foi atingido quando na razão chegou a 32:6,4:1 em ambientes ricos em nitrogênio e 45:7,4:1 em ambientes pobres.
Em outras palavras, poderíamos esperar em aquários que a máxima eficiência de exportação teoricamente ocorreria na proporção aproximada de 7:1 (N:P) e o resultado teórico esperado do consumo ocorreria na razão teórica 10:1 (N:P).
Essa proporção não foi absolutamente exata (embora aproximada) em outros estudos (20) e não deve ser levada como verdade absoluta, mas sempre se manteve próxima aos mesmos e relativamente distante da razão de Redfield original. Embora sejam necessárias inferências para expressar uma proporção exata para a população bacteriana, a simples compreensão da razão C:N:P entre diferentes espécies oferece luz para o manejo da dosagem de carbono no aquário. Uma vez que forem eliminados o nitrogênio ou o fósforo, normalmente o aumento da oferta de carbono não será eficiente em remoção do outro elemento residual. Algumas vezes, o excesso de dosagem poderá estimular o desenvolvimento de cianobactérias, que pode ser bem compreendido pelo mecanismo já citado: retirada a fonte de nitrogênio, passam a ser favorecidos os seres capazes de fixar o nitrogênio gasoso (N2) e que são favorecidos nos meios pobres em N.

Considerações finais

Sabemos que os aquários marinhos são ambientes fechados com micro e macrofauna muito diversos, sendo extremamente complexa a interpretação deste meio através de estudos realizados na natureza. Os estudos iniciais de Alfred Redfield foram realizados em ambiente marinho aberto longe de recifes de corais, por esse motivo desencorajamos que a razão de Redfield original seja seguida como um alvo fixo.
Entretanto, identificamos a importância estudos iniciais das relações C:N:P que foi seguido da identificação de novas relações em diferentes ambientes. Estudos in vitro demonstraram o favorecimento de diferentes espécies em condições específicas e nos encorajam a estudar esta inter-relação para melhor compreensão do ambiente criado em nossos aquários.
Podemos concluir que a predominância de certas espécies em crescimento acelerado parece sofrer influência a relação C:N:P. As proporções N:P de valores mais elevados (acima de 20:1) parecem favorecer algas verdes, enquanto valores mais baixos favorecem o crescimento de cianobactérias. Em situações onde haja limitação crítica de oferta de nutrientes (grande redução tanto de N quanto de P) essa interpretação parece ter menor valor preditivo.
Aqui devemos ressaltar a limitação de uso dessas informações de maneira radical e definitiva pela conhecida imprecisão dos testes que habitualmente utilizamos no hobby, devendo-se sempre haver cautela e julgamento crítico nessas interpretações.
Enfim, Redfield não previu com seus estudos todos eventos ocorridos em nossos aquários, mas estudos sequenciais já publicados parecem cada vez mais oferecer dados que podem nos auxiliar no manejo do aquário marinho. Não defendemos o posicionamento de tornar este hobby avançado nem obrigatoriamente complexo: o profundo conhecimento desses dados não é primordial para a montagem e manutenção de um aquário de água salgada, mas acreditamos que a difusão dessas informações poderá ampliar os horizontes acerca dessa discussão.


Bibliografia

1. Basso JC. In: Aquaribasso, editor. O Aquário de Recife de Corais2017. p. 45.
2. Dellbeek JC, Sprung J. The Reef Aquarium: A Comprehensive Guide to the Identification and Care of Tropical Marine Invertebrates. 3: Two Little Fishies, Inc.; 1994. p. 274-5.
3. Knop D. Algues en aquarium. Les guides Zebras. 2010:59-63.
4. Redfield AC. On the proportions of organic derivatives in sea water and their relation to the composition of plankton. James Johnstone Memorial. 1934;176:176-92.
5. Redfield AC. The Biological Control of Chemical Factors in the Environment. American Scientist. 1958;46(3):230A-21.
6. Martiny AC, Vrugt JA, Lomas MW. Concentrations and ratios of particulate organic carbon, nitrogen, and phosphorus in the global ocean. Scientific Data. 2014;1(1):140048.
7. Gruber N, Deutsch CA. Redfield's evolving legacy. Nature Geoscience. 2014;7(12):853-5.
8. Geider R, La Roche J. Redfield revisited: variability of C:N:P in marine microalgae and its biochemical basis. European Journal of Phycology. 2002;37(1):1-17.
9. M B, M S. Factors affecting the growth of cyanobacteria with special emphasis on the Sacramento-San Joaquin Delta.: Southern California Coastal Water Research Project; 2015.
10. Parrish J. The Role of Nitrogen and Phosphorus in the Growth, Toxicity, and Distribution of the Toxic Cyanobacteria, Microcystis aeruginosa. Master's Projects and Capstones: University of San Francisco; 2014.
11. Smith VH. Low Nitrogen to Phosphorus Ratios Favor Dominance by Blue-Green Algae in Lake Phytoplankton. Science. 1983;221(4611):669-71.
12. Smith VH. Nitrogen, phosphorus, and nitrogen fixation in lacustrine and estuarine ecosystems. Limnology and Oceanography. 1990;35(8):1852-9.
13. Sprung J. Algae: A Problem Solver Guide: Two Little Fishies; 2001.
14. Nienaber MA, Steinitz-Kannan M. A guide to cyanobacteria: identification and impact: Univeristy Press of Kentucky; 2018.
15. Chauhan VS, Marwah JB, Bagchi SN. Effect of an antibiotic from Oscillatoria sp. on phytoplankters, higher plants and mice. New Phytologist. 1992;120(2):251-7.
16. Wang M, Zhang J, He S, Yan X. A Review Study on Macrolides Isolated from Cyanobacteria. Mar Drugs. 2017;15(5):126.
17. Ahlgren G. Growth of Oscillatoria agardhii in Chemostat Culture: 1. Nitrogen and Phosphorus Requirements. Oikos. 1977;29:209.
18. Levich AP. The role of nitrogen-phosphorus ratio in selecting for dominance of phytoplankton by cyanobacteria or green algae and its application to reservoir management. Journal of Aquatic Ecosystem Health. 1996;5(1):55-61.
19. Vrede K, Heldal M, Norland S, Bratbak G. Elemental Composition (C, N, P) and Cell Volume of Exponentially Growing and Nutrient-Limited Bacterioplankton. Applied and Environmental Microbiology. 2002;68(6):2965-71.
20. Chrzanowski TH, Kyle M. Ratios of carbon, nitrogen and phosphorus in Pseudomonas fluorescens as a model for bacterial element ratios and nutrient regeneration. Aquatic Microbial Ecology - AQUAT MICROB ECOL. 1996;10:115-22.

[Paulo Mallard Scaldaferri]

Para melhor explicar um detalhe...

Alguns tem me questionado a diferença entre calcular o gradiente de Nitrogênio : Fósforo (citado nos artigos) e o gradiente Nitrato : Fosfato (que é o que aferimos com nossos testes).

Como citado no artigo, as razões de proporcionalidade não são exatas, exibem apenas uma tendência, e por esse motivo não dei importância grande para explicitar como chegar ao valor exato, mas para aqueles que ainda assim querem saber esta razão exata do seu aquário, basta multiplicar o valor Nitrato/Fosfato por 0,7.

Explicação do cálculo:

NO3 peso molar => 14 +3*16 = 62.
Fração de N = 14/62 = 0,225 = 22,5 %

PO4 peso molar = 31+4*16 = 95
Fração de P = 0.326 = 32,6 %

NO3*0.225 / PO4*0.326 ≅ NO3/PO4*0.69 ≅ NO3/PO4*0.7

[Nixon Cabeceira]

Tai um assunto sobre aquário marinho que nunca li/estudei a respeito!

Mas como são várias variáveis que variam de ambiente pra ambiente, fica impossível de se ter uma regra FIXA não é mesmo?

Abs.

[Celso Suguimoto]

A proporção de redifield mostra a composição (em termos de N:P) de um ser marinho (fitoplacton)...e extrapolamos essa proporção para as bactérias

Desnitrificação é uma coisa...sintese de biomassa com consequente consumo de carbono é outra. O carbono auxilia as duas mas creio que principalmente a segunda devido ao número absurdo de bactérias aeróbicas que se formam devido a disponibilidade de carbono.

Quem introduziu no Brasil esse conceito de bacterias e fonte de carbono foram os produtos da Prodibio com reator de zeolitos

[Paulo Mallard Scaldaferri]

A proporção de redifield mostra a composição (em termos de N:P) de um ser marinho (fitoplacton)...e extrapolamos essa proporção para as bactérias

Desnitrificação é uma coisa...sintese de biomassa com consequente consumo de carbono é outra. O carbono auxilia as duas mas creio que principalmente a segunda devido ao número absurdo de bactérias aeróbicas que se formam devido a disponibilidade de carbono.

Quem introduziu no Brasil esse conceito de bacterias e fonte de carbono foram os produtos da Prodibio com reator de zeolitos

Pois é Celso, de acordo com as observações, sem dúvida.

Como coloquei no texto, usar o termo Razão de Redfield já era para estar ultrapassado, como comentei a publicação origina nem mesmo reflete a razão estequiométrica verdadeira no oceano.

Acredito que utilizar a colocação "Razão estequiométrica Carbono : Nitrogênio : Fósforo" é mais adequado.

Para esta razão não precisamos nos limitar ao plâncton, existem estudos testando e verificando esta razão para bactérias e outros seres também. Alguns estão nas referências.

Enfim, é um tema complexo, por muito tempo mal entendido entre aquaristas (talvez até os dias atuais).

[Paulo Mallard Scaldaferri]

Tai um assunto sobre aquário marinho que nunca li/estudei a respeito!

Mas como são várias variáveis que variam de ambiente pra ambiente, fica impossível de se ter uma regra FIXA não é mesmo?

Abs.

Exatamente, Nixon, a idéia é compreender melhor essas relações e evitar as "regrinhas fixas", pois as últimas é que são danosas.