Sachin G. Chavan (1,2,*), Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1), Christopher I. Cazzonelli (1) e David T. Tissue 1,2)
1. Centro Nacional de Cultivos Protegidos de Vegetais, Instituto Hawkesbury para o Meio Ambiente, oeste de Sydney
Universidade, Locked Bag 1797, Penrith, NSW 2751, Austrália; z.chen@westernsydney.edu.au (Z.-HC); o.ghannoum@westernsydney.edu.au (OG); c.cazzonelli@westernsydney.edu.au (CIC); d.tissue@westernsydney.edu.au (DTT)
2. Centro Global para Inovação Baseada em Terra, Hawkesbury Campus, Western Sydney University,
Richmond, NSW 2753, Austrália
3. Escola de Ciências, Western Sydney University, Penrith, NSW 2751, Austrália
* Correspondência: s.chavan@westernsydney.edu.au; Tel.: +61-2-4570-1913
Sumário: As culturas protegidas oferecem uma forma de reforçar a produção alimentar face às alterações climáticas
e fornecer alimentos saudáveis de forma sustentável e com menos recursos. No entanto, para tornar esta forma de cultivo
economicamente viável, precisamos considerar a situação das culturas protegidas no contexto da disponibilidade
tecnologias e culturas hortícolas alvo correspondentes. Esta revisão descreve as oportunidades existentes
e desafios que devem ser abordados através de investigação e inovação contínuas neste emocionante mas
campo complexo na Austrália. As instalações agrícolas internas são amplamente categorizadas nos três seguintes
níveis de avanço tecnológico: baixa, média e alta tecnologia com desafios correspondentes
que exigem soluções inovadoras. Além disso, as limitações ao crescimento das plantas de interior e às
sistemas de cultivo (por exemplo, altos custos de energia) restringiram o uso da agricultura interna a áreas relativamente
poucas culturas de alto valor. Portanto, precisamos desenvolver novos cultivares de culturas adequados para a agricultura interna
que podem diferir daqueles exigidos para a produção em campo aberto. Além disso, o cultivo protegido
requer altos custos iniciais, mão de obra qualificada cara, alto consumo de energia e pragas significativas
e gestão de doenças e controle de qualidade. No geral, as culturas protegidas oferecem soluções promissoras
para a segurança alimentar, reduzindo ao mesmo tempo a pegada de carbono da produção alimentar. No entanto, para ambientes internos
produção agrícola tenha um impacto positivo substancial na segurança alimentar e nutricional global
segurança, a produção económica de diversas culturas será essencial.
Palavras-chave: cultivo protegido; fazenda vertical; cultura sem solo; desempenho da colheita; agricultura interna;
comida segura; sustentabilidade de recursos
1. Introdução
Espera-se que a população global atinja quase 10 mil milhões em 2050, prevendo-se que a maior parte do crescimento ocorra nos grandes centros urbanos em todo o mundo [1,2]. À medida que a população aumenta, a produção de alimentos deve aumentar e satisfazer as necessidades nutricionais e de saúde, ao mesmo tempo que alcança os Objectivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas (ODS da ONU) [3,4]. O declínio das terras aráveis e os impactos adversos das alterações climáticas na agricultura colocam desafios adicionais que obrigam as inovações nos futuros sistemas de produção alimentar a satisfazer a procura crescente nas próximas décadas. Por exemplo, as explorações agrícolas australianas estão frequentemente expostas à variabilidade climática e são susceptíveis aos impactos das alterações climáticas a longo prazo. As recentes secas no leste da Austrália em 2018–19 e 2019–20 afetaram negativamente as empresas agrícolas, aumentando assim os efeitos emergentes das mudanças climáticas na agricultura australiana [5].
As culturas protegidas, também conhecidas como agricultura interior [6] – que vão desde politúneis de baixa tecnologia a estufas de média tecnologia parcialmente controladas ambientalmente, até estufas “inteligentes” de alta tecnologia e quintas interiores – poderiam ajudar a melhorar a segurança alimentar global no século XXI. século. No entanto, embora a visão de uma metrópole autossustentável seja atraente como forma de enfrentar os desafios contemporâneos, a adoção da agricultura interior não correspondeu às necessidades
entusiasmo e optimismo dos seus proponentes. O cultivo protegido e a agricultura indoor envolvem um maior uso de tecnologia e automação para otimizar o uso da terra, oferecendo assim soluções interessantes para melhorar a produção futura de alimentos [7]. Em todo o mundo, o desenvolvimento da agricultura urbana [8,9] ocorreu frequentemente após crises crónicas e/ou agudas, como limitações de luz e espaço nos Países Baixos; o colapso da indústria automobilística em Detroit; a quebra do mercado imobiliário na Costa Leste dos EUA; e o bloqueio da crise dos mísseis cubanos. Outro
Os impulsos vieram na forma de mercados disponíveis, ou seja, as culturas protegidas proliferaram em Espanha [10] devido ao fácil acesso do país aos mercados do Norte da Europa. Juntamente com os desafios existentes, a pandemia de COVID-19 em curso poderia fornecer o impulso necessário para transformar a agricultura urbana [11].
Para que a agricultura urbana desempenhe um papel significativo na melhoria da segurança alimentar e da nutrição humana, ela precisa ser dimensionada globalmente para que tenha a capacidade de cultivar uma ampla gama de produtos de uma forma mais eficiente em termos de energia, recursos e custos do que a agricultura urbana. atualmente é possível. Existem enormes oportunidades para melhorar a produtividade e a qualidade das culturas, combinando avanços em controles ambientais, manejo de pragas, fenômica e automação
com esforços de melhoramento visando características que melhorem a arquitetura da planta, a qualidade da colheita (sabor e nutrição) e o rendimento. Uma maior diversidade de culturas atuais e emergentes em relação aos tipos de culturas tradicionais, bem como plantas medicinais, pode ser cultivada em explorações agrícolas ambientalmente controladas [12,13].
A necessidade iminente de melhorar a segurança alimentar urbana e reduzir a pegada de carbono dos alimentos pode ser abordada através de inovações nos setores agroalimentares, como as culturas protegidas e a agricultura vertical interior. Estes vão desde politúneis de baixa tecnologia com controlo ambiental mínimo, estufas de média tecnologia parcialmente controladas ambientalmente até estufas de alta tecnologia e instalações agrícolas verticais com tecnologias de ponta. As culturas protegidas são o setor de produção de alimentos que mais cresce na Austrália, em termos de escala de produção e impacto económico [12]. A indústria australiana de culturas protegidas consiste em instalações de alta tecnologia (17%), estufas (20%) e sistemas de produção agrícola hidropónicos/baseados em substratos (52%), indicando a necessidade e oportunidade de desenvolver o sector agroalimentar. Nesta revisão, discutimos a situação das culturas protegidas no contexto das tecnologias disponíveis e das culturas hortícolas alvo correspondentes, delineando as oportunidades e os desafios que precisam de ser abordados pela investigação em curso na Austrália.
2. Técnicas e tecnologias atuais em cultivo protegido
Em 2019, a área total dedicada às culturas protegidas – que, em geral, envolve
o cultivo de culturas sob todos os tipos de cobertura – foi estimado em 5,630,000 hectares (ha) globalmente [14]. A área total de vegetais e ervas cultivadas em estufas (estruturas permanentes) foi estimada em cerca de 500,000 ha globalmente, com 10% destas culturas cultivadas em estufas e 90% em estufas de plástico [15,16]. A área de estufas da Austrália é estimada em cerca de 1300 ha, com estufas de alta tecnologia (cerca de 14 empresas individuais, cada uma ocupando menos de 5 ha) representando 17% desta área, e estufas de baixa/média tecnologia representando 83% [17 ]. Globalmente, as estufas e estufas de plástico constituem cerca de 80% e 20%, respectivamente, do total de estufas produzidas [16].
O cultivo protegido é o setor de produção de alimentos que mais cresce na Austrália, avaliado em cerca de US$ 1.5 bilhão por ano no portão da fazenda em 2017. Estima-se que cerca de 30% de todos os agricultores australianos cultivam em alguma forma de sistema de cultivo protegido, e que as culturas cultivadas sob cobertura representam cerca de 20% do valor total da produção de vegetais e flores [18]. Na Austrália, a área estimada de produção de vegetais em estufa é mais alta para a Austrália do Sul (580 ha), seguida por Nova Gales do Sul (500 ha) e Victoria (200 ha), enquanto Queensland, Austrália Ocidental e Tasmânia representam <50 ha cada [17 ].
Com base no Australian Horticulture Statistics Handbook (2014–2015) e em discussões com a indústria, o valor bruto da produção (GVP) de frutas, vegetais e flores foi estimado para 2017. Entre os sistemas de cultivo implantados, as culturas cultivadas em hidropônico/substrato- sistemas de produção baseados em solo (52%) foram os mais valorizados, seguidos por aqueles cultivados em sistemas de fertirrigação do solo (35%), com uma combinação de fertirrigação do solo e sistemas hidropônicos/baseados em substrato (11%), e usando uma hidroponia/nutriente técnica de filme (NFT) (2%) (Figura 1A). Da mesma forma, entre os tipos de proteção, as culturas cultivadas sob coberturas de poli/vidro (63%) tiveram o maior VBP, seguidas pelas cultivadas sob coberturas de poli (23%), coberturas de granizo/sombra (8%) e coberturas combinadas de poli/granizo/sombra. cobre (6%) (Figura 1B) [17]. Na Austrália, as estatísticas para GVPs de produtos específicos de horticultura em estufa não estão prontamente disponíveis [15].
Figura 1. Produção total de valor bruto (VBP) de culturas sob cultivo protegido (2017) por sistema de cultivo (A) e proteção (B). A produção hidropônica/baseada em substrato envolve o crescimento de plantas sem solo usando um meio inerte, como lã de rocha. A produção baseada no solo/fertirrigação envolve o crescimento das plantas utilizando solo com fertirrigação (aplicação combinada de fertilizante e água). A técnica de hidroponia/filme de nutrientes (NFT) envolve a circulação de um fluxo raso de água contendo nutrientes dissolvidos que passa pelas raízes das plantas em canais estanques. 'Poli' refere-se a policarbonato.
As coberturas contra granizo/sombra, geralmente de malha ou tecido, protegem as culturas do granizo e bloqueiam uma proporção de luz excessiva. $ refere-se a AUD.
Entre as instalações de ambiente controlado nos Estados Unidos, estufas de vidro ou policarbonato (poli) (47%) são mais comuns do que fazendas verticais internas (30%), casas de aro de plástico de baixa tecnologia (12%), fazendas de contêineres (7% ) e sistemas internos de cultura em águas profundas (4%). Entre os sistemas de cultivo, a hidroponia (49%) é mais comum do que os sistemas baseados no solo (24%), aquapônico (15%), aeropônico (6%) e híbrido (aeroponia, hidroponia, solo) (6%) [19,20].
A Austrália tem muito poucas fazendas verticais avançadas estabelecidas, em grande parte devido ao fato de ter poucas cidades densamente povoadas. No entanto, a Austrália tem cerca de 1000 ha de área de estufa [16,17] e a exportação de vegetais e frutas frescas aumentou substancialmente de 2006 a 2016 para a Austrália [16] com o aumento das culturas sob cobertura. Embora a Austrália tenha tido um excelente início na agricultura indoor e o sector tenha um enorme potencial de crescimento, requer tempo para amadurecer e para se desenvolver mais para se tornar um actor-chave à escala global. Atualmente, as instalações agrícolas internas com orientação comercial podem ser categorizadas nos seguintes três níveis de avanço tecnológico: baixa, média e alta tecnologia. Cada um é discutido em mais detalhes nas seções seguintes.
2.1. Novas tecnologias para politúneis de baixa tecnologia
As instalações de estufa de baixa tecnologia que mais contribuem para as culturas protegidas têm várias limitações que requerem soluções tecnológicas para ajudar na sua transição para instalações rentáveis de média ou alta tecnologia que produzem culturas de alta qualidade com recursos mínimos. Os politúneis de baixa tecnologia são responsáveis por 80-90% da produção de culturas em estufas em todo o mundo [20] e na Austrália [17]. Considerando a grande proporção de politúneis de baixa tecnologia em culturas protegidas e os seus baixos níveis de clima, fertirrigação e controlo de pragas, é importante enfrentar os desafios associados, a fim de aumentar a produção e os retornos económicos para os produtores.
O nível de baixa tecnologia abrange vários tipos de politúneis que podem variar desde estruturas metálicas improvisadas com coberturas plásticas até estruturas permanentes construídas para esse fim. Geralmente, eles não são controlados além da capacidade de levantar a cobertura plástica quando fica muito quente ou nublado lá fora. Estas coberturas de plástico protegem a colheita do granizo, da chuva e do frio e prolongam até certo ponto a estação de cultivo. Estas estruturas baratas oferecem uma
retorno viável para investimento em hortaliças como alface, feijão, tomate, pepino, repolho e abobrinha. A agricultura nestes politúneis é realizada no solo, enquanto as operações mais avançadas podem utilizar vasos grandes e irrigação gota a gota para tomates, mirtilos, beringelas ou pimentos. No entanto, embora as culturas protegidas de baixa tecnologia façam sentido para os pequenos produtores, tais técnicas apresentam várias deficiências. A falta de controle ambiental afeta a consistência do tamanho e da qualidade do produto e, portanto, reduz
o acesso desses produtos ao mercado para clientes exigentes como supermercados e restaurantes. Dado que a cultura é geralmente plantada no solo, estes agricultores também enfrentam numerosas pragas e doenças transmitidas pelo solo (por exemplo, infestação persistente de nemátodos). Os parceiros industriais e de pesquisa exigem inovações no fornecimento de soluções em projetos de instalações e sistemas de gestão de culturas, bem como sistemas de comércio inteligentes para exportar produtos
e manter uma cadeia de abastecimento constante. Incentivos e apoio de organismos de financiamento e inovações tecnológicas (por exemplo, controlo biológico, automatização parcial na irrigação e controlo de temperatura) de universidades e empresas poderiam ajudar os produtores na transição para sistemas de cultivo tecnológicos mais avançados.
2.2. Atualizando Estufas de Média Tecnologia com Inovações e Novas Tecnologias
O cultivo protegido de média tecnologia é uma categoria ampla que abrange estufas e estufas de ambiente controlado. Esta parte do sector das culturas protegidas requer actualizações tecnológicas significativas para poder competir com a produção alimentar em grande escala em explorações agrícolas que utilizam politúneis de baixa tecnologia e produtos de alta qualidade provenientes de estufas de alta tecnologia. O controle ambiental em estufas de média tecnologia é geralmente parcial ou intensivo e a temperatura de algumas estufas pode ser controlada abrindo manualmente o telhado, enquanto
instalações mais avançadas possuem unidades de resfriamento e aquecimento. O uso de painéis solares e filmes inteligentes está sendo investigado para reduzir os custos de energia e as pegadas de carbono em estufas de média tecnologia [21–23].
Embora muitas estufas ainda sejam feitas de PVC ou vidro, filmes inteligentes podem ser aplicados a essas estruturas ou incorporados ao projeto da estufa para aumentar a eficiência energética. Geralmente, as estufas de alta qualidade usam meios de cultivo, como blocos de lã de rocha, com receitas de fertilizantes líquidos cuidadosamente calibradas em diferentes estágios de crescimento para maximizar o rendimento das colheitas. A fertilização com CO2 é por vezes utilizada em estufas de média tecnologia para aumentar o rendimento e a qualidade. O setor das culturas protegidas de média tecnologia beneficiará de parcerias entre a indústria e a universidade para gerar soluções científicas e tecnológicas avançadas, incluindo novos genótipos de culturas com elevado rendimento e qualidade, gestão integrada de pragas, fertirrigação totalmente automatizada e controlo climático de estufa, e assistência robótica na gestão das culturas. e colheita.
2.3. Inovações de ciência e tecnologia para estufas de alta tecnologia
As estufas de alta tecnologia podem incorporar os mais recentes avanços tecnológicos em fisiologia das culturas, fertirrigação, reciclagem e iluminação. Em estufas comerciais de grande escala, por exemplo, a tecnologia de “vidro inteligente”, sistemas solares fotovoltaicos (PV) e iluminação suplementar, como painéis LED, podem ser utilizados para melhorar a qualidade e os rendimentos das colheitas. Os produtores estão também a automatizar cada vez mais áreas críticas e/ou de mão-de-obra intensiva, como a monitorização das colheitas, a polinização e a colheita.
O desenvolvimento da inteligência artificial (IA) e do aprendizado de máquina (MI) abriu novas dimensões para estufas de alta tecnologia [24–28]. IA é um conjunto de regras codificadas por computador e modelos estatísticos treinados para discernir padrões em big data e executar tarefas geralmente associadas à inteligência humana. A IA usada no reconhecimento de imagens está sendo usada para monitorar a saúde das culturas e reconhecer sinais de doenças, permitindo tomadas de decisão mais rápidas e mais bem informadas para o manejo e colheita das culturas – o que, atualmente, pode ser alcançado
por braços robóticos em vez de trabalho humano. A Internet das Coisas (IoT) oferece soluções de automação que podem ser personalizadas especificamente para aplicações em estufas [29]. Assim, a IA e a IoT podem contribuir significativamente na área da agricultura moderna, controlando e automatizando as atividades agrícolas [30].
A pesquisa e o desenvolvimento na área de robôs agrícolas cresceram significativamente na última década [31–33]. Um sistema autônomo de colheita de pimentão que se aproxima da viabilidade comercial foi demonstrado com uma taxa de sucesso de colheita de 76.5% [31] na Austrália. Protótipos de robôs para desfolhar plantas de tomate, colher pimentão (pimentão) e polinizar plantações de tomate [34,35] foram desenvolvidos na Europa e em Israel e poderão ser comercializados em um futuro próximo.
Além disso, os sistemas de software de gestão do trabalho para estufas de alta tecnologia em grande escala optimizarão significativamente a eficiência dos trabalhadores, melhorando as perspectivas económicas destas empresas. A revolução da TI e da engenharia continuará a capacitar as culturas protegidas e a agricultura interior, permitindo aos produtores monitorizar e gerir as suas culturas a partir de computadores e dispositivos móveis, que podem até ser usados para realizar atividades agrícolas e
decisões de mercado. As estufas de alta tecnologia têm o maior potencial para beneficiar o sector agrícola protegido da Austrália, pelo que a investigação e inovação contínuas nestas instalações provavelmente se traduzirão em tempo e dinheiro bem investidos.
2.4. Desenvolvendo Fazendas Verticais para Necessidades Futuras
Nos últimos anos, tem sido testemunhado um rápido desenvolvimento da 'agricultura vertical' indoor em todo o mundo, especialmente em países com grandes populações e terras insuficientes [36,37]. A agricultura vertical representa 6 mil milhões de dólares em valor, mas continua a ser uma pequena fração do mercado agrícola global multibilionário [38]. Existem várias iterações de agricultura vertical, mas todas elas usam prateleiras de cultivo hidropônicas ou sem solo empilhadas verticalmente em um ambiente totalmente fechado e controlado, o que permite um alto grau de automação, controle e consistência [39]. No entanto, a agricultura vertical continua limitada a culturas de elevado valor e de ciclo de vida curto devido aos elevados custos energéticos, apesar de oferecer uma produtividade incomparável por metro quadrado e elevados níveis de eficiência hídrica e nutricional.
A dimensão tecnológica da agricultura vertical – e em particular, o advento de estufas “inteligentes” – provavelmente atrairá produtores ansiosos por trabalhar com tecnologias emergentes de informática e big data, como IA e a Internet das Coisas (IoT) [40]. Actualmente, todas as formas de agricultura interior são intensivas em energia e mão-de-obra, embora haja espaço para grandes avanços tanto nas tecnologias de automação como de eficiência energética. As formas mais avançadas de agricultura indoor já fornecem a sua própria energia no local e são independentes da rede geral de serviços públicos. Os jardins em telhados podem variar desde projetos simples no topo de edifícios urbanos até empreendimentos corporativos em edifícios municipais em Nova York e Paris. A agricultura vertical interior tem um futuro brilhante, especialmente na sequência da pandemia da COVID-19 e está bem posicionada para aumentar a sua quota no mercado alimentar global, devido à sua
sistema de produção altamente eficiente, reduções na cadeia de abastecimento e custos logísticos, potencial de automação (minimizando o manuseio) e fácil acesso tanto à mão de obra quanto aos consumidores.
3. Culturas alvo em culturas protegidas
Atualmente, as culturas adequadas para a agricultura interior são limitadas em número devido às limitações das culturas para o crescimento interior, bem como às limitações das culturas protegidas, como o elevado custo de energia (para iluminação, aquecimento, arrefecimento e funcionamento de vários sistemas automatizados), o que permite culturas específicas de alto valor [ 41–43]. Contudo, a produção económica de uma gama diversificada de culturas comestíveis é essencial para que as culturas protegidas tenham um impacto significativo na
segurança alimentar global [12,13,44]. Os cultivares de culturas para cultivo protegido de hortaliças diferem significativamente daqueles de produção em campo aberto que são criados para tolerância a uma ampla gama de condições ambientais, o que não é necessariamente exigido no cultivo protegido. O desenvolvimento de cultivares adequadas exigirá a otimização de diversas características (como autopolinização, crescimento indeterminado, raízes robustas) que diferem das características vistas como
desejável em culturas ao ar livre (Figura 2) (Adotado de [13]).
Figura 2. Painel do Características desejáveis para culturas frutíferas cultivadas em ambientes fechados, sob condições ambientais controladas, em relação às culturas cultivadas ao ar livre, em condições de campo.
Atualmente, as frutas e vegetais mais adaptados para a agricultura indoor incluem:
• Aqueles que crescem em vinhas ou arbustos (tomate, morango, framboesa, mirtilo, pepino, pimentão, uva, kiwi);
• Culturas especializadas de alto valor (lúpulo, baunilha, açafrão, café);
• Culturas medicinais e cosméticas (algas marinhas, Echinacea);
• Árvores pequenas (cerejas, chocolate, manga, amêndoas) são outras opções viáveis [13].
Nas seções seguintes, discutiremos com mais detalhes as culturas existentes e o desenvolvimento de novas cultivares para agricultura interna.
3.1. Culturas existentes cultivadas em instalações de baixa, média e alta tecnologia
Os sistemas de cultivo protegido de baixa e média tecnologia produzem principalmente tomate, pepino, abobrinha, pimentão, berinjela, alface, verduras asiáticas e ervas. Em termos de área, quantidade de fruta produzida e número de negócios, o tomate é a cultura hortícola hortícola mais importante produzida em estufas, seguida do pimentão e da alface [15,45].
Na Austrália, o desenvolvimento de instalações em grande escala com ambiente controlado foi limitado principalmente àquelas construídas para o cultivo de tomate [15]. O VBP estimado de frutas, legumes e flores para 2017, no campo e em instalações de cultivo protegido, demonstra o domínio do tomate no setor australiano de cultivo protegido.
O VBP global estimado para 2017 no que diz respeito à produção no campo e ao ar livre de culturas hortícolas foi mais elevado para o tomate (24%), seguido do morango (17%), frutos de verão (13%), flores (9%), mirtilo (7%), pepino (7%) e pimentão (6%), com vegetais asiáticos, ervas, berinjela, cereja e frutas vermelhas representando cada um menos de 6% (Figura 3A).
Figura 3. Valor bruto estimado da produção (VBP) para a produção combinada geral de hortaliças em campos e culturas protegidas (A) e VBP imputado de culturas cultivadas sob culturas protegidas em 2017 (B) para a Austrália.
Entre estes, o VBP das culturas cultivadas em sistemas de cultivo protegido foi mais elevado para o tomate (40%), o que liderou por uma margem significativa em relação a outras culturas, incluindo flores (11%), morango (10%), frutas de verão (8% ) e bagas (8%), com cada uma das restantes culturas a representar menos de 5% (Figura 3B). No entanto, o mercado interno australiano tem sido saturado por tomates com efeito de estufa, o que deixa a indústria agrícola protegida
com as duas opções seguintes: aumentar as vendas destas culturas nos mercados internacionais; e/ou encorajar alguns dos produtores de estufa existentes no país a fazerem a transição para a produção de outras culturas de alto valor. A proporção de culturas individuais cultivadas sob protecção foi mais elevada para os frutos silvestres (85%) e o tomate (80%), seguidos das flores (60%), do pepino (50%), da cereja e dos vegetais asiáticos (40% cada), do morango e do verão.
frutas (30% cada), mirtilo e ervas (25% cada) e, por fim, pimentão e berinjela, com 20% cada [17]. Atualmente, a agricultura interna intensiva em energia e mão-de-obra está restrita a culturas de alto valor que podem ser produzidas a curto prazo com um baixo consumo de energia [46,47]
Nas 'fábricas' de plantas, as culturas predominantemente cultivadas atualmente são folhas verdes e ervas, devido aos curtos períodos de crescimento dessas culturas (porque frutas e sementes não são necessárias) e ao alto valor [7], ao fato de que tais culturas requerem relativamente menos luz para a fotossíntese [48] e porque a maior parte da biomassa vegetal produzida pode ser colhida [46,49]. Há um grande potencial para melhorar os rendimentos e a qualidade das culturas cultivadas em fazendas urbanas [12].
3.2. Pesquisa da indústria: onde estão os interesses dos participantes?
A identificação dos principais tópicos de investigação é essencial para melhorar a eficiência da investigação financiada por fundos públicos e privados para o futuro das culturas protegidas. Por exemplo, o Future Food Systems Co-operative Research Center (FFSCRC), iniciado pela New South Wales Farmers Association (NSW Farmers), pela University of New South Wales (UNSW) e pela Food Innovation Australia Ltd. de mais de 60 fundadores
indústria, governo e participantes de pesquisa. Os seus programas de investigação e capacitação visam apoiar os participantes na optimização da produtividade dos sistemas alimentares regionais e periurbanos, levando novos produtos do protótipo ao mercado e implementando cadeias de abastecimento rápidas e protegidas pela proveniência, desde a exploração agrícola até ao consumidor. Para esse efeito, o FFSRC proporciona um ambiente de investigação colaborativa destinado a melhorar as culturas protegidas, a fim de aumentar a nossa capacidade de exportar produtos hortícolas de alta qualidade e ajudar a Austrália a tornar-se líder em ciência e tecnologia para o sector das culturas protegidas.
Os participantes foram entrevistados para identificar culturas alvo para a agricultura interna. Entre os participantes que identificaram culturas-alvo, o interesse pelos vegetais frescos (29%) foi maior, seguido pelo interesse pelas culturas frutícolas (22%); cannabis medicinal, outras ervas medicinais e culturas especializadas (13%); espécies nativas/indígenas (10%); cogumelos/fungos (10%); e folhas verdes (3%) (Figura 4).
Figura 4. Classificação das culturas produzidas actualmente pelos participantes do FFSCRC em instalações de cultivo protegido e, portanto, do provável interesse dos participantes em encontrar soluções para o cultivo destas culturas de forma mais produtiva sob cobertura.
A pesquisa foi baseada em informações sobre os participantes disponíveis online; adquirir informações mais detalhadas será crucial para compreender e atender às necessidades específicas dos participantes.
3.3. Criação de novas cultivares para instalações com ambiente controlado
As tecnologias de melhoramento disponíveis para o melhoramento de vegetais e outras culturas estão avançando rapidamente [50]. Nas culturas protegidas, um sector económico dinâmico com rápidas mudanças nas tendências do mercado e nas preferências dos consumidores, a escolha da cultivar certa é fundamental [44,51]. Existem muitos estudos que avaliam a adaptação de culturas de alto valor, como tomate e berinjela, para produção em estufas [52,53]. Novas tecnologias de melhoramento [50] facilitaram o desenvolvimento de novos cultivares com as características desejadas, e algumas empresas começaram a projetar plantas para crescimento em ambientes controlados sob luzes LED [20]. No entanto, as cultivares foram criadas principalmente para maximizar o rendimento sob condições de campo altamente variáveis [46]. As características das culturas, como a tolerância à seca, ao calor e às geadas – que são desejáveis em culturas cultivadas no campo, mas normalmente acarretam penalizações no rendimento – geralmente não são necessárias em culturas agrícolas.
agricultura interna.
As principais características que podem ser visadas para a adaptação de culturas de maior valor à agricultura interior incluem ciclos de vida curtos, floração contínua, uma baixa relação raiz-parte aérea, melhor desempenho sob baixo consumo de energia fotossintética e características desejáveis do consumidor, incluindo sabor, cor, textura e conteúdo específico de nutrientes [12,13]. Além disso, a criação específica para maior qualidade produzirá produtos altamente desejáveis e com alto valor de mercado. O espectro de luz, a temperatura, a umidade e o fornecimento de nutrientes podem ser gerenciados de modo a alterar o acúmulo de compostos alvo nas folhas e frutos [54,55] e aumentar o valor nutricional das culturas, incluindo proteínas (quantidade e qualidade), vitaminas A, C e E, carotenóides, flavonóides, minerais, glicosídeos e antocianinas [12]. Por exemplo, mutações que ocorrem naturalmente (na videira) e edição genética (em kiwis) têm sido utilizadas para modificar a arquitetura das plantas, o que será útil para o cultivo interior em espaços restritos. Num estudo recente, plantas de tomate e cereja foram projetadas usando CRISPR-Cas9 para combinar as seguintes três características desejáveis: um fenótipo anão, um hábito de crescimento compacto e floração precoce. A adequação das variedades de tomate 'editadas' resultantes para uso em sistemas de cultivo interno foi validada usando testes de campo e de cultivo vertical comercial [56].
Uma revisão do melhoramento molecular para criar culturas otimizadas discutiu o valor acrescentado dos produtos agrícolas através do desenvolvimento de culturas agrícolas com benefícios para a saúde e como medicamentos comestíveis [46]. As principais abordagens para desenvolver culturas agrícolas com benefícios para a saúde foram identificadas como a acumulação de grandes quantidades de um nutriente intrínseco desejável ou a redução de compostos indesejáveis, e a acumulação de compostos valiosos que
normalmente não são produzidos na cultura.
4. Desafios e oportunidades nas culturas protegidas e na agricultura interior
Instalações avançadas de cultivo protegido e agricultura interna têm um impacto ambiental relativamente pequeno. Embora o cultivo coberto exija mais energia do que muitos outros métodos agrícolas, a capacidade de mitigar os impactos do clima, garantir a rastreabilidade e cultivar alimentos de melhor qualidade promove a entrega consistente de produtos de qualidade, atraindo retornos que superam em muito os custos adicionais de produção [18]. Os principais desafios nas culturas protegidas incluem:
• Elevados custos de capital, devido aos elevados preços dos terrenos nas zonas urbanas e periurbanas;
• Alto consumo de energia;
• Demanda por mão de obra qualificada;
• Gestão de doenças sem controlos químicos; e
• Desenvolvimento de índices de qualidade nutricional – para definir e certificar aspectos de qualidade dos produtos – para culturas cultivadas em ambientes fechados.
Na secção seguinte, discutimos alguns dos desafios e oportunidades associados às culturas protegidas.
4.1. Condições ideais para alta produtividade e uso eficiente de recursos
Uma maior compreensão das necessidades das culturas em diferentes fases de crescimento e sob diversas condições de luz é essencial para que os produtores possam manter uma produção agrícola rentável em ambientes controlados. A gestão eficiente do ambiente de estufa, incluindo os seus elementos climáticos e nutricionais, e as condições estruturais e mecânicas, pode aumentar significativamente a qualidade e a produção dos frutos [57]. Os fatores ambientais de crescimento podem influenciar o crescimento das plantas, as taxas de evapotranspiração e os ciclos fisiológicos. Entre os fatores climáticos, a radiação solar é o mais importante, pois a fotossíntese requer luz e o rendimento das culturas é diretamente proporcional aos níveis de luz solar até os pontos de saturação de luz para a fotossíntese. Muitas vezes, o controlo ambiental preciso requer elevados gastos energéticos, reduzindo a rentabilidade da agricultura em ambiente controlado. A energia necessária para o aquecimento e arrefecimento das estufas continua a ser uma grande preocupação e uma meta para aqueles que procuram reduzir os custos de energia [6]. Os materiais de envidraçamento e as tecnologias de vidro inovadoras, como o Smart Glass [58], oferecem oportunidades promissoras para reduzir os custos associados à manutenção da temperatura do efeito estufa e ao controle das variáveis ambientais. Hoje em dia, tecnologias inovadoras de vidro e sistemas de resfriamento eficazes estão sendo incorporados em cultivos protegidos em estufas. Os materiais de envidraçamento têm o potencial de reduzir
consumo de eletricidade, absorvendo o excesso de radiação solar e redirecionando a energia luminosa para gerar eletricidade por meio de células fotovoltaicas [59,60].
No entanto, os materiais de cobertura afetam os microclimas das estufas [61,62], incluindo a luz [63] e, portanto, é importante avaliar o impacto de novos materiais de envidraçamento no crescimento e na fisiologia das plantas, no uso de recursos, no rendimento e na qualidade das culturas em ambientes em que fatores como CO2, temperatura, nutrientes e irrigação são rigorosamente controlados. Por exemplo, fotovoltaicos orgânicos semitransparentes (OPVs) baseados na mistura de poli (3-hexiltiofeno) regioregular (P3HT) e éster metílico de ácido fenil-C61-butírico (PCBM) foram testados para cultivar plantas de pimenta (Capsicum annuum). Sob a sombra dos OPVs, as plantas de pimenta produziram 20.2% mais massa de frutos e as plantas sombreadas eram 21.8% mais altas no final da estação de crescimento [64]. Em outro estudo, a redução do PAR causada por painéis fotovoltaicos flexíveis no telhado não afetou o rendimento, a morfologia da planta, o número de flores por ramo, a cor dos frutos, a firmeza e o pH [65].
Um filme de 'vidro inteligente' de reflexão ultrabaixa, Solar Gard™ ULR-80 [58], está atualmente sendo testado na produção em estufas. O objetivo é concretizar o potencial dos materiais de envidraçamento com transmitância de luz ajustável e reduzir o alto custo de energia associado às operações em instalações de horticultura em estufas de alta tecnologia. O filme de vidro inteligente (SG) está sendo aplicado ao vidro padrão de estufas individuais em instalações que cultivam hortaliças usando cultivo vertical comercial e práticas de manejo [66,67]. Os ensaios de berinjela sob SG demonstraram maior eficiência energética e de fertirrigação [42], mas também reduziram o rendimento da berinjela, devido às altas taxas de aborto de flores e/ou frutos como consequência da fotossíntese limitada pela luz [58]. O filme SG usado pode precisar de modificação para gerar condições ideais de luz e minimizar as limitações de luz para frutas com alto consumo de carbono, como a berinjela.
O uso de novos materiais de envidraçamento que economizam energia, como o vidro inteligente, oferece uma excelente oportunidade para reduzir o custo de energia das operações em estufa e otimizar as condições de luz para o cultivo de culturas alvo. Filmes de cobertura inteligentes, como filmes agrícolas emissores de luz luminescente (LLEAF), têm o potencial de melhorar e controlar o crescimento vegetativo e o desenvolvimento reprodutivo em cultivos protegidos de média tecnologia. LLEAF
Os painéis poderiam ser testados numa variedade de culturas com e sem floração para determinar se ajudam a aumentar o crescimento vegetativo e reprodutivo (alterando os processos fisiológicos que sustentam o crescimento das plantas e a produtividade e qualidade das culturas).
4.2. Manejo de Pragas e Doenças
Embora as instalações de culturas protegidas controladas possam minimizar as pragas e doenças, uma vez introduzidas, são extremamente difíceis e dispendiosas de controlar sem a utilização de produtos químicos sintéticos tóxicos. A agricultura interior vertical permite a monitorização rigorosa das culturas em busca de sinais de pragas ou doenças, manualmente e/ou automaticamente (utilizando tecnologias de detecção) e a adopção de tecnologias robóticas emergentes e/ou procedimentos de detecção remota facilitará
a detecção precoce de surtos e remoção de plantas doentes e/ou infestadas [7].
Novos métodos de manejo integrado de pragas (MIP) [68] serão necessários para o manejo eficaz de pragas em estufas. Estratégias de gestão adequadas (culturais, físicas, mecânicas, biológicas e químicas), juntamente com boas práticas culturais, técnicas avançadas de monitorização e identificação precisa podem melhorar a produção vegetal, minimizando ao mesmo tempo a dependência de aplicações de pesticidas. Uma abordagem integrada ao manejo de doenças envolve o uso de cultivares resistentes, saneamento, práticas culturais sólidas e o uso apropriado de pesticidas [44]. O desenvolvimento de novas estratégias de MIP pode minimizar os custos laborais e a necessidade de aplicação de pesticidas químicos. Tomemos, por exemplo, a utilização de insectos novos, criados comercialmente e naturalmente benéficos (por exemplo, pulgões, crisopídeos, etc.) para gerir pragas de culturas e reduzir a dependência do controlo químico. Testando vários novos IPM
estratégias, isoladamente e em combinação, ajudarão no desenvolvimento de recomendações específicas para culturas e instalações para os produtores.
4.3. Qualidade da colheita e valores nutricionais
O cultivo protegido proporciona aos produtores e parceiros da indústria altos rendimentos e produtos de alta qualidade durante todo o ano [69]. O cultivo de frutas e vegetais premium, no entanto, requer testes de alto rendimento de parâmetros nutricionais e de qualidade [70]. Os parâmetros básicos de qualidade dos frutos incluem teor de umidade, pH, sólidos solúveis totais, cinzas, cor dos frutos, ácido ascórbico e acidez titulável, e parâmetros nutricionais avançados, incluindo açúcares, gorduras, proteínas, vitaminas e antioxidantes; medições de firmeza e perda de água também são cruciais para definir índices de qualidade [66]. Além disso, os testes de qualidade de alto rendimento dos produtos agrícolas poderiam ser incorporados num sistema automatizado de operações em estufas. A triagem dos genótipos de culturas disponíveis para parâmetros de qualidade fornecerá novas variedades de frutas e vegetais de alto valor e ricas em nutrientes para produtores e consumidores. As estratégias agronómicas, incluindo o ambiente de crescimento e as práticas de gestão das culturas, terão de ser optimizadas para aumentar a produção e a densidade de nutrientes das plantas destas culturas de alto valor.
4.4. Disponibilidade de emprego e mão de obra qualificada
As necessidades de mão-de-obra para a indústria das culturas protegidas estão a aumentar (>5% ao ano) e estima-se que mais de 10,000 pessoas em toda a Austrália estejam actualmente empregadas directamente pela indústria. Apesar dos seus elevados níveis de automatização, as culturas protegidas em grande escala requerem uma força de trabalho significativa, especialmente para o estabelecimento das culturas, manutenção das culturas, polinização mecânica e colheita de produtos. Com a crescente demanda
para produtores altamente qualificados, a oferta de trabalhadores adequadamente qualificados permanece baixa [18,71]. Uma força de trabalho qualificada também será necessária para o desenvolvimento da agricultura vertical urbana, o que gerará novas carreiras para tecnólogos, gestores de projetos, trabalhadores de manutenção e pessoal de marketing e varejo [7]. A criação de instalações avançadas polivalentes à escala comercial proporcionaria uma oportunidade para abordar questões de investigação, promovendo assim o objectivo de maximizar a produtividade numa diversidade de culturas, ao mesmo tempo que proporcionaria educação e formação em competências que provavelmente serão muito procuradas no futuro sector das culturas protegidas.
5. Conclusões
Em estufas de alta tecnologia com tecnologia inteligente, existe um grande potencial para melhorar a rentabilidade através da automatização de áreas críticas e/ou de mão-de-obra intensiva, tais como monitorização de culturas, polinização e colheita. O desenvolvimento da IA, da robótica e do ML estão a abrir novas dimensões para as culturas protegidas. As explorações agrícolas verticais constituem uma pequena fração do mercado agrícola global e, apesar de serem altamente intensivas em energia, a agricultura vertical oferece uma produtividade incomparável com elevados níveis de eficiência hídrica e nutricional. A produção económica de diversas culturas é essencial para que a produção de culturas protegidas tenha um impacto positivo significativo na segurança alimentar global. Os sistemas de cultivo protegido de baixa e média tecnologia produzem principalmente culturas de tomate, pepino, abobrinha, pimentão, berinjela e alface, juntamente com verduras e ervas asiáticas.
O desenvolvimento de instalações de ambiente controlado em grande escala na Austrália limitou-se principalmente ao cultivo de tomates. O desenvolvimento de cultivares adequadas exigirá a otimização de várias características-chave que diferem daquelas consideradas desejáveis em culturas ao ar livre. As principais características que podem ser direcionadas para a agricultura interna incluem um ciclo de vida reduzido da cultura, floração contínua, baixa proporção raiz-parte aérea, melhor desempenho sob baixa fotossíntese.
consumo de energia e características desejáveis do consumidor, como sabor, cor, textura e teor de nutrientes específicos.
Além disso, o melhoramento específico para culturas de maior qualidade e nutricionalmente mais densas produzirá produtos hortícolas (e potencialmente medicinais) desejáveis com excelente valor de mercado. A rentabilidade e a sustentabilidade das culturas protegidas dependem do desenvolvimento de soluções para desafios primários, incluindo custos iniciais, consumo de energia, mão-de-obra qualificada, gestão de pragas e desenvolvimento de índices de qualidade.
Novos materiais de envidraçamento e avanços tecnológicos atualmente sendo pesquisados ou testados oferecem soluções para enfrentar um dos desafios mais urgentes das culturas protegidas. Estes avanços poderiam, potencialmente, fornecer o impulso necessário para ajudar a transição do sector das culturas protegidas para um nível de eficiência energética sustentável e eficiente em termos de custos e satisfazer as crescentes exigências de segurança alimentar, mantendo ao mesmo tempo a qualidade das culturas e os benefícios nutricionais.
conteúdo e minimizando impactos ambientais prejudiciais.
Contribuições do autor: SGC escreveu a revisão com contribuições e revisão fornecidas por DTT, Z.-HC, OG e CIC Todos os autores leram e concordaram com a versão publicada do manuscrito.
Métodos: A revisão baseou-se num relatório encomendado e financiado pelo Future Food Systems Cooperative Research Centre, que apoia colaborações lideradas pela indústria entre a indústria, os investigadores e a comunidade. Também recebemos apoio financeiro de projetos Horticulture Innovation Australia (número de concessão VG16070 para DTT, Z.-HC, OG, CIC; número de concessão VG17003 para DTT, Z.-HC; número de concessão LP18000 para Z.-HC) e projeto CRC P2 -013 (TDT, Z.-HC, OG, CIC).
Declaração do Conselho de Revisão Institucional: Não aplicável.
Declaração de consentimento informado: Não aplicável.
Declaração de disponibilidade de dados: Não aplicável.
Conflitos de interesse: Os autores declaram não haver conflito de interesses.
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