Utilização da energia nuclear na agricultura

Transcrição

1 Utilização da energia nuclear na agricultura Prof. Dr. José Lavres Junior Laboratório de Nutrição Mineral de Plantas Prof. Eurípedes Malavolta UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA Diamantina MG, 26 de novembro de 2012

2 Contextualização CENA História Introdução Estudos e Aplicações Ecologia Isotópica Ciência dos Alimentos Radioentomologia Geologia e mineralogia Sumário Fertilidade do Solo, Adubos e Adubação, Nutrição Mineral de Plantas Desafios futuros

3 Contextualização Diversas utilizações de energia nuclear, para fins pacíficos, como ferramenta auxiliar para o entendimento da dinâmica de elementos e compostos (e.g. nutrientes, água, pesticidas etc) em estudos de ecologia, física do solo, mineralogia, geologia, biogeoquímica ambinetal; entomologia, ciência dos alimentos, melhoramento genético, nutrição animal e nutrição meniral de plantas; fertilidade do solo etc.

4 Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

7 CENA História O estabelecimento do CENA derivou da iniciativa de um grupo de professores da USP ESALQ, que vislumbrou o grande potencial do uso de técnicas nucleares em aplicações agropecuárias e ambientais. Diversos trabalhos empregando radioisótopos e radiações foram conduzidos por esses professores com auxílio de outros centros de pesquisas (ex. IEA, atual IPEN) e unidades da USP (FM, IF), após Com isso, foi iniciado o planejamento para estabelecer instalações dedicadas e concentradas em único local, de forma a racionalizar o uso dos equipamentos já existentes, aumentar a segurança dos laboratórios e promover maior interação entre os cientistas.

8 CENA História O projeto de criação de uma instalação unificada para a pesquisa com aplicações nucleares em agricultura foi retomado pelos professores da ESALQ, que culminou com a criação do Centro de Energia Nuclear na Agricultura por Decreto Estadual 46794, publicado em 22 de setembro de 1966, como instituto anexo àesalq. O CENA passou então a receber apoio financeiro e material da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN) através de acordo assinado em 1968, com duração de cinco anos. Nesse período, foram concluídas as primeiras instalações físicas do CENA.

9 CENA História

10 Contextualização ENERGIA NUCLEAR ÁTOMOS ISÓTOPOS RADIOISÓTOPOS

11 Contextualização ÁTOMOS ENERGIA NUCLEAR ISÓTOPOS RADIOISÓTOPOS

12 Contextualização Chernobyl 26 abril de 1986 Goiânia setembro de 1987 Idéia Geral (população/mídia)

13 ENERGY MATRIX: BRAZILIAN RENEWABLE MIX BRAZILIAN ENERGY MIX Biomass; 29,7% Coal; 6,4% Share of renewable energy in the total primary energy: 45% Share of renewable energy in the power generation: 85% Uraniun; 1,2% Natural gas; 9,3% Oil and Oil Products; 38,4% Hydraulic and Electricity; 15,0% WORLD ENERGY MIX Biomass; 11,2% Coal; 24,1% Uraniun; 6,4% Natural gas; 20,9% Source: MME/BEN, 2006 Oil and Oil Products; 35,3% Hydraulic and Electricity; 2,1%

14 Introdução O que são isótopos?

15 Introdução O que são isótopos? Átomos com mesmo número de prótons (número atômico, Z) e diferente número de nêutrons (N), ou seja, elementos com massas atômicas (A) diferentes: (A = Z+N). Exemplo clássico: elemento hidrogênio 1 próton 1 próton 1 nêutron 1 próton 2 nêutrons (não éestável) Hidrogênio Deutério Tritio Ishida, 2007

16 Introdução O que são isótopos? 1) Chamados de estáveis quando não emitem radiação seja em forma de energia eletromagnética ou partículas subatômicas. Ex: 15 N, 34 S, 10 B, 13 C... 2) Ou instáveis ou radioisótopos quando emitem radiação seja em forma de energia (radiação gama = Ƴ) ou partículas subatômicas (beta negativo β, beta positivo β + ou partícula alfa α). Decaimento radioativo (meia vida = t ½) Exemplos: 14 C (radiação β fraco; meia vida de anos) 32 P (radiação β alta energia; meia vida de 14 dias)

17 Introdução Tipos de Radiação

18 Introdução Exemplos de isótopos estáveis com particular interesse em estudo ligados à processos ambientais Carbono 12 C Carbono 13 C 6 prótons 6 nêutrons 6 prótons 7 nêutrons Nitrogênio 14 N Nitrogênio 15 N 7 prótons 7 nêutrons 7 prótons 8 nêutrons Ishida, 2007

19 Introdução Abundância média natural dos elementos mais utilizados em estudos ambientais Elemento Isótopo Abundância Hidrogênio 1 H 98,984 D 0,0155 Carbono 12 C 98,89 13 C 1,11 Nitrogênio 14 N 99, N 0,366 Oxigênio 16 O 99,76 17 O 0, O 0,199 Enxofre 32 S 95,02 34 S 4,21 Ishida, 2007

20 Introdução Abordagem para os Isótopos de Potássio

21 Estudos e Aplicações Isótopos de Potássio Geologia e Mineralogia A desintegração de 40 K em 40 Ar é empregada como método para a datação de rochas. O método K Ar convencional se baseia na hipótese de que as rochas não continham argónio quando se formaram e o formado não escapou, de modo que a quantidade presente provém da completa e exclusiva desintegração do potássio original. A medição da quantidade de potássio e Ar 40 fornece o procedimento de datação adequado para a determinação da idade de minerais como o feldspato vulcânico, moscovita, biotita e hornblenda, geralmente as amostras de rochas vulcânicas e intrusivas que não tenham sofrido alterações. Além da datação, os isótopos de potássio são muito utilizados em estudos do clima e, em estudos sobre o ciclo dos nutrientes por ser um macronutriente importante para a vida.

22 Estudos e Aplicações Uso Pacífico da Energia Nuclear Engenharia Agronomia Zootecnia Arqueologia (datação 14 C) Australopithecus afarensis 14 C meia vida de aproximadamente anos

23 Estudos e Aplicações Linhas de Pesquisas 1. Criação artificial de moscas das frutas. 2. Controle biológico por meio da liberação de parasitóides ou técnica do inseto estéril.

24 Estudos e Aplicações Linhas de Pesquisas 1. Irradiação de alimentos: quarentena e conservação. 2. Características físico químicas de alimentos e bebidas.

25 Aplicações práticas dos Isótopos Estáveis 1. Adulteração de Vinhos 2. Adulteração do Mel 3. Dieta Alimentar 4. Rastreamento e origem de drogas

26 Crédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA? Vinho = -27 o / oo Cachaça = -11 o / oo UVas = -28 o / oo Fermentação Cana de açúcar = -12 o / oo

27 Estudos e Aplicações 1º Experimento fisiológico de NMP movimento do 42 K no xilema (e floema)

28 Estudos e Aplicações Experimento fisiológico de NMP movimento do 32 P no floema (a) (b) Nº seção Porcentagem (contagem) de 32 P Separada Não separada Floema Xilema Floema Xilema S S2 7 traço 10 6 S S4 5 traço 3 1 Aplicação de 32 P na folha de algodoeiro e arranjamento das seções na região onde o floema e o xilema foram separados pela introdução de um papel encerado (a). Distribuição do 32 P entre o xilema e o floema separados e não separados (b). Adaptado de Biddulph & Markle (1944).

29 Estudos e Aplicações 1º Experimento no Brasil absorção de 65Zn por orquídeas.

30 Estudos e Aplicações Velocidade de absorção de elementos aplicados às folhas (H horas; D dias) Elemento Espécie Tempo para 50% de absorção Nitrogênio (ureia) Fósforo Citros Cafeeiro Macieira Feijoeiro Batata Fumo Macieira Cafeeiro 1 2 H 1 6 H 1 4 H 1 6 H H H 7 11 D 6 12 D Cálcio Feijoeiro 4 D Enxofre Feijoeiro 8 D Manganês Feijoeiro H Zinco Feijoeiro 24 H Adaptado de Malavolta (2006)

31 Estudos e Aplicações Transporte de radiofósforo ( 32 P) aplicado em folhas de muda de café Fonte: Malavolta (2006)

32 Estudos e Aplicações Absorção de 15 N ureia via foliar pelas folhas de algodoeiro e movimento para o capulho (Fonte: Oosterhuis et al. 1989). Fonte: Malavolta (2006)

33 Estudos e Aplicações Transporte a longa distancia de 35 S da raiz para a parte aérea do milho Na 2 35 SO 4 aplicado nas raízes Silva et al. (2003) PAB

34 Estudos e Aplicações Transporte a longa distancia de 35 S das folhas para a raiz da soja Na 2 35 Na SO 4 35 SO aplicado nas folhas 98% 35 S 2% 35 S Dreno forte Dreno fraco 0% 35 S Silva et al. (2003) PAB

35 Estudos e Aplicações Transporte de 45 Ca em folhas de coentro em função da transpiração Fig. Autoradioagrafia de folha de coentro (C. sativum) suprida com 0,4 mm 45 Ca 2+ e posteriormente expostas à perda de 0,02 g e 0,2 g de água pela transpiração (a). Imagens mostram a retenção de cálcio no centro da folha. (b) Folha suprida com 40 mm 45 Ca 2+ e posteriormente exposta à perda de 0,2 g de água por transpiração. O cálcio migra para a borda da folha, nesta concentração de suprimento. Barra de escala é igual a 1 cm. Seta = pecíolo. Kerton; Newbury; Hand and Pritchard (2008)

36 Estudos e Aplicações Experimento fisiológico de NMP movimento do 52 Mn no floema

37 Estudos e Aplicações Experimento fisiológico de NMP movimento do 52 Mn no xilema de cevada Fig. Transporte àlonga distância de 52 Mn das raízes para a parte aérea de plantas deficientes em Mn (a) e plantas bem supridas em Mn (b). As imagens foram obtidas por meio de autoradiografia.

38 Transporte 52 Mn 52 MnRedistribuição Tsukamoto et al. (2006)

39 Page et al. (2006)

40 Estudos e Aplicações Movimento do 65 Zn no floema Redistribuição Brotação nova surgida após a aplicação Quanto foi absorvido? Quanto foi redistribuído? Boaretto et al. (2002)

41 Estudos e Aplicações Movimento do 65 Zn no floema Redistribuição

42 Estudos e Aplicações Mapa dos elementos por análise de florescência de Raio X de uma seção longitudinal de grão de cevada. Lombi E et al. J. Exp. Bot. (2011); 62:

43 Estudos e Aplicações Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e Adubações 1. Aprendemos na faculdade que, no cálculo para a recomendação de adubação o aproveitamento do N e do P 70 e 50% (estimativas) 2. Comprovou se com 15 N e com 32 P que, raramente, esses valores ultrapassavam de 50 e 10%, respectivamente. Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.

44 Estudos e Aplicações Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e Adubações Eficiência agronômica de fertilizantes; Análise de solo extratores (valor E); Absorção foliar, pelo caule, pelo fruto; Perdas; Fixação simbiótica de N. Sistema radicular; Efeito residual dos adubos; Cultivares eficientes (eficiência de absorção e de uso); Adubação verde e restos culturais; Elementos tóxicos. Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.

45 Desafios Futuros

46 Na área da ciência da Nutrição Mineral de Plantas, Fertilidade do Solo, Adubos e Adubação 1. Auxílio no melhoramento do feijão (fixação biológica do N); 2. Fisiologia e funciomanto de raízes novas maior aquisição de nutrientes (ou preferência na absorção de 15 N NH 4+ em relação ao 15 N NO 3 em cana); 3. Alimentos mais nutritivos maior remobilização para a parte comestível; 4. Grandes agricultores: uso eficiente de fertilizantes e boas práticas de manejo da adubação; 5. Pequenos agricultores: culturas (genótipos) mais eficientes na aquisição do nutriente absorção e utilização (> remobilização); 6. Novas fontes de nutrientes, bem como a utilização de sub produtos (produtos secundários) avaliação da eficiência agronômica (i.e., inibidores de nitrificação).

47 A radiação não deve ser temida, mas sim, respeitada! (E. Malavolta) Obrigado! E mail: jlavres@cena.usp.br