RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR E ELETRÔNICA APLICADAS A ESTUDOS DA MATÉRIA ORGÂNICA EM AMOSTRAS DE SOLOS INTACTAS E FRACIONADAS FISICAMENTE Ladislau Martin Neto 1 Cimélio Bayer 2 João Mielniczuk 3 Luiz A. Colnago 1 Sérgio da C. Saab 4 Mauro da Conceição 5 Resumo Dentre os diversos componentes do solo a matéria orgânica desempenha papel primordial na qualidade do solo. Isso ocorre devido a influência que a quantidade e qualidade da matéria orgânica tem sobre as propriedades físicas, químicas e biológicas dos solos. Dentre essas propriedades destacam-se efeitos na melhoria e estabilidade de agregados, diminuição da plasticidade, aumento da capacidade de reter água, aumento da capacidade de troca de cátions (CTC), participação essencial na respiração microbiana de determinadas espécies, entre muitas outras. Adicionalmente a matéria orgânica do solo é, geralmente, o principal sítio de sorção para pesticidas e metais pesados no solo. Estima-se ainda que o manejo inadequado dos solos e o 1 Embrapa Instrumentação Agropecuária, Rua XV de Novembro, 1452, Caixa Postal 741, CEP 13560-970 São Carlos/SP; e-mail: martin@cnpdia.embrapa.br 2 Universidade Estadual de Lages, Faculdade de Ciêncais Agronômicas e Veterinárias, Lages/SC 3 Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Faculdade de Agronomia, Departamento de Solos, Porto Alegre/RS 4 Universidade Estadual de Ponta Grossa/PR, doutorando USP-IQSC, São Carlos 5 Embrapa Solos, Rio de Janeiro/RJ. * Bolsista do CNPq
desmatamento são responsáveis por aproximadamente 30% do gás carbônico (CO2) produzido na Terra com todas as consequências para o chamado efeito estufa e mudanças globais do clima no Planeta. Neste trabalho as técnicas espectroscópicas de Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) e Ressonância Magnética Nuclear (NMR) foram utilizadas para analisar amostras de agregados organo-minerais de solos podzólico vermelho-escuro e podzólico vermelho-amarelo sob plantio direto e manejo convencional. Também foram medidas amostras de solos de várzeas intactos, sem qualquer fracionamento químico ou físico. Foi possível detectar o nível de radicais livres semiquinona, indicativo do grau de humificação, nas amostras de agregados organo-minerais dos solos podzólicos e solos de várzea intactos. Observou-se que nas áreas sob plantio direto houve uma redução no nível de semiquinonas comparado com áreas sob manejo convencional, indicando que a matéria orgânica incorporada no plantio direto contém uma menor concentração de compostos aromáticos. Por NMR de 13 C verificou-se que a fração 2-20 µm teve um maior grau de aromaticidade entre todas as frações dos agregados organo-minerais do solo podzólico vermelho-escuro, resultado concordante com o maior nível de semiquinonas, detectado por EPR, nesta fração. Conclue-se que o método de fracionamento físico do solo combinado com o uso das técnicas de NMR e EPR pode fornecer importantes informações sobre a dinâmica da matéria orgânica em solos sob diferentes manejos. Introdução Os métodos espectroscópicos tem dado muitas contribuições nos estudos de substâncias húmicas e matéria orgânica. Alguns exemplos são estudos estruturais, identificação de grupos funcionais, mecanismos de reações com metais pesados e pesticidas (Preston, 1996), reciclagem de resíduos orgânicos, incluindo lixo urbano e lodo de esgoto entre outros.
A técnica de Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) é uma das únicas entre métodos de laboratório capaz de fornecer informações estruturais sem artefatos ou condições experimentais restritivas sobre a complexação de íons metálicos com as substâncias húmicas, com possibilidade de identificar o estado de valência do íon metálico, simetria do complexo formado, concentração do metal, e em alguma sistuações identificação de átomos ligantes ao íon metálico (Senesi et al., 1985; Martin-Neto et al., 1991). EPR pode também detectar radicais livres, os quais tem sido associados a reações de polimerização-despolimerização, grau de aromaticidade e humificação da matéria orgânica e podem ainda reagir com pesticidas e poluentes orgânicos tóxicos (Martin- Neto et al., 1994a). Tem sido possível determinar o grau de humificação de substâncias húmicas e de agregados organominerais em áreas sob diferentes manejos, incluindo comparação com plantio direto e manejo convencional (Martin-Neto et al., 1994b; Bayer et al., 1997). Por sua vez, Saab et al. (1997) mostraram a possibilidade de detectar e quantificar radicais livres semiquinonas em amostras de solos glei-húmicos sem serem submetidos a qualquer fracionamento, químico ou físico. Os resultados com agregados organo-minerais e com solos intactos ganham interesse pelo fato de que possíveis artefatos gerados pelo fracionamento químico, reconhecidamente agressivo, são eliminados e assim informações mais confiáveis poderiam ser obtidas. A Ressonância Magnética Nuclear tem sido extensivamente utilizada principalmente no exterior, com informações sobre os núcleos de 1 H, 13 C, 31 P; 15 N e 27 Al, com identificação de mecanismos de decomposição, efeitos de cultivo, caracterização de formas orgânicas de N e P e interação da matéria orgânica com xenobióticos e metais (Preston, 1996). É fato também que algumas limitações quantitativas da metodologia, principalmente em medidas em estado sólido, exigem o devido cuidado na interpretação dos resultados. Contudo, no Brasil, ainda são poucos os resultados e recentes os grupos que vem se dedicando
ao uso de NMR em substâncias húmicas (Martin-Neto et al., 1995; Ceretta et al., 1995; Colnago et al., 1996). Neste trabalho será apresentado resultados recentes obtidos pela Embrapa Instrumentação Agropecuária em parceria com várias instituições do Brasil e do exterior, com o uso das técnicas espectroscópicas de EPR e NMR. Vale mencionar que uma série de outros resultados já foram obtidos pelo grupo os quais incluem também o uso de FTIR e UV-Visível e podem ser encontrados em várias publicações (Martin-Neto et al., 1996; Martin-Neto et al., 1994a; Martin-Neto et al., 1994b; Martin-Neto et al., 1991; Colnago et al., 1996; Sposito et al., 1996). Materiais e Metodos Foram obtidas frações organo-minerais de solos podzólico vermelho-amarelo e vermelho-escuro, do Rio Grande do Sul, usando o fracionamento físico baseado no uso de ultra-som (Bayer, 1996). Anteriormente havíamos já estudados frações organo-minerais de um solo Mollissoll da Argentina (Martin-Neto et al., 1994b). Amostras intactas de solos glei-húmicos do Rio de Janeiro foram analisadas sem qualquer tratamento químico ou físico (Saab et al., 1997). As medidas de EPR foram feitas usando-se o espectrômetro Varian (Laboratório de Biofísica do IFSC, USP, São Carlos, SP) operando em Banda X (9 G Hz) e com sistema de controle de temperatura até próximo do nitrogênio líquido. Amostras liofilizadas de substâncias húmicas, agregados organominerais e solos intactos foram analisadas e o nível de radicais livres semiquinona determinado usando a aproximação Ix H 2 e o método do padrão secundário com um cristal de rubi contendo Cr 3+ (Martin-Neto et al., 1994b). Foram utilizados geralmente de 10 a 30 mg de amostra nas medidas efetuadas. As medidas de NMR de 13 C das amostras de agregados organo-minerais foram feitas em um espectrômetro de 300 M Hz, AC-300 da Brucker.
Resultados e Discusões. Na Figura 1 mostra-se espectros de EPR de agregados organo-minerais de um solo podzólico vermelho-escuro, do Rio Grande do Sul. Observa-se dois tipos de sinais, um com valor de g próximo de 2,004, característico de radical livre semiquinona, e outro com valor de g =2,000 que diminuiu de intensidade com o tamanho de partícula. Testes com amostras sem matéria orgânica sugerem tratar de um radical associado ao quartzo (SiO2) (Bayer, 1996; Bayer et al., 1997). Considerando que o sinal associado ao quartzo interferia na quantificação do nível de radicais semiquinonas foi feito uma subtração de espectro para determinação correta de semiquinonas. Na Tabela 1 apresenta-se a quantificação do nível de semiquinonas para amostras sob diferentes sistemas de cultura em plantio direto com uma área descoberta, para comparação. Os dados indicam que há uma redução do nível de semiquinonas em áreas sob intensa incorporação de resíduos orgânicos, como no plantio direto, o que sugere que a matéria orgânica humificada, sob plantio direto, contém um maior percentual de frações alifáticas comparado com áreas sob manejo convencional (Bayer, 1996).
Figura 1- Espectros de EPR de frações organo-minerais de um solo podzólico vermelho-escuro, do Rio Grande do Sul, para um sistema em plantio direto com rotação aveia/milho. Tabela 1- Conteúdo de radicais livres semiquinona nas frações granulométricas do solo podzólico vermelho-escuro em diferentes sistemas de manejo. Fração Sistemas de Manejo PD- A+V/M+C* PC- A+V/M+C* PC- A/M* spins/gc (x 10 17 ) 20-53 µm 2,38(± 0,18) 4,99(± 0,30) 4,85(±0,33) 2-20 µm 3,27 (± 0,14) 5,43(± 0,23) 5,74(± 0,17) < 2 µm 3,20 (±0,17) 2,92(±0,04) 3,54 (± 0,26) PD-Plantio Direto; PC-Plantio Convencional; A-aveia; V/Mervilhaca/milho; C-caupi
Gleissolo 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 B(Gauss) Figura 2- Espectro de EPR, em banda X (frequência da medida em torno de 9,4 GHz) de amostra intacta de solo (gleissolo), mostrando sinal do radical livre semiquinona. Na Figura 2 tem-se espectro de EPR de amostra intacta de solos glei húmicos do Rio de Janeiro. É possível observar um sinal com excelente relação sinal/ruído e com parâmetros espectroscópicos típicos de radicais livres semiquinona. Acreditase que as medidas em solos intactos pode trazer informações sem nenhum possível artefato restritivo advindo de tratamentos químicos ou físicos das amostras. Na Figura 3 é possível mostrar que há uma excelente correlação (r= 0,90) entre o nível de semiquinonas, detectados por EPR, e a capacidade de troca catiônica (CTC), evidenciando que a maior contribuição para a CTC vem da matéria orgânica humificada, pois esta contém boa quantidade de semiquinonas..
Figura 3- Gráfico do nível de radical livre semiquinona, detectado por EPR, versus capacidade de troca catiônica (ctc) de solos (gleissolos) húmicos e pouco húmicos Na Figura 4 mostram-se espectros de NMR de 13 C de amostras de agregados organo-minerais de um solo podzólico vermelho-escuro do Rio Grande do Sul. A partir da quantificação dos espectros observa-se que há um máximo de aromaticidade para os agregados organo-minerais com tamanho de 2-20 µm. Este resultado é coerente com resultados anteriores onde determinou-se um máximo do nível de semiquinonas por EPR nesta fração para um solo mollisol da Argentina (Martin-Neto et al., 1994b) e conforme resultado também por NMR de 13 C obtido por Baldock et al. (1992). Ressalte-se também que o conteúdo de grupos alquil cresce com a diminuição do tamanho de partícula, indicando sua preservação nas amostras mais humificadas.
Figura 4- Espectros de NMR de 13 C da matéria orgânica em frações granulométricas da camada 0-2,5 cm de um solo Podzólico vermelho-escuro. Conclusões Conforme apresentado, brevemente, uma série de informações quantitativas e qualitativas da matéria orgânica de diferentes solos puderam ser obtidas com o uso de Ressonância Paramagnética Eletrônica (EPR) e Ressonância Magnética Nuclear (NMR). Dados obtidos por EPR com amostras de solos gleihúmicos, sem qualquer tratamento químico ou físico, e com NMR e EPR em agregados organo-minerais, obtidos por fracionamento físico, revelam que estas espectroscopias podem ser utilizadas, em determinadas situações, para caracterizar amostras com menor risco de alterações devido ao tratamento químico clássico para obtenção de substâncias húmicas. Espera-se que com a disponibilização de um maior número de espectrômetros de ressonância magnética e trabalhos em
parceria de especialistas nas referidas técnicas e cientistas do solo e meio ambiente possam acelerar o entendimento da dinâmica e reações da matéria orgânica, principalmente em regiões tropicais. Neste sentido a Embrapa Instrumentação Agropecuária recém adquiriu um espectrômetro de NMR, 400 MHz, e um EPR, Banda X (9 GHz) para uso exclusivo em estudos de interesse da agropecuária. Estes equipamentos estarão sendo gerenciados na forma de facilities para todo o sistema cooperativo de pesquisa agropecuário. Referências Bibliográficas BALDOCK, J.A.; OADES, J.M.; WATERS, A.G.; PENG, X.; VASSALO, A.M., WILSON, M.A. Aspects of the chemical structure of soil organic materials as revealed by solid-state 13 C NMR spectroscopy. Biogeochemistry, Amsterdam, v.16, p.1-42, 1992. BAYER, C. Dinâmica da matéria orgânica em sistemas conservacionistas de manejo do solo. Porto Alegre: UFRGS- Faculdade de Agronomia, 1996. 202p. Tese Doutorado. BAYER, C.; MARTIN-NETO, L.; MIELNICZUK, J.; CERETTA, C.A. Fracionamento da matéria orgânica e sua avaliação qualitativa por EPR num solo submetido dez anos a diferentes sistemas de cultura em plantio direto. In: SIMPÓSIO NACIONAL DE INSTRUMENTAÇÃO AGROPECUÁRIA, 1., nov. 1996, São Carlos, SP. Anais do I SIAGRO. São Carlos: EMBRAPA- CNPDIA, 1997. p.115-121. CERETTA, C.A.; BOHNEN, H.; COSTA, V.E.U. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE CIÊNCIA DO SOLO, 25., 1995, Viçosa, MG. Caracterização química de ácidos húmicos de solos com quatro sistemas de culturas em plantio direto. Programa e resumos [Campinas]: Sociedade Brasileira de Ciência do Solo, 1995. p.220.
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