Lucas Mancini Rodrigues

Estudo do fornecimento de nitrogênio para

o solo a partir da cafeína

Orientadora: Esp. Erica Gayego Bello Figueiredo Bortolotti

Campinas – SP – 2015

Trabalho apresentado ao Conselho Regi-

onal de Química – IV Região como parte

dos requisitos exigidos para concorrer ao

Prêmio CRQ-IV 2015.

2

DEDICATÓRIA

Aos meus familiares que por toda minha vida estiveram presentes, compartilhando co-

nhecimentos e ensinando o caminho da sabedoria e da descoberta, coisas que são levadas e

ponderadas em todos os lugares e momentos; coisas ensinadas a mim sempre para promover o

bem e sempre intuito de elevar o ser humano e fazê-lo compreender o mundo de uma maneira

melhor.

Em especial aos meus pais que sempre muito solícitos deram total suporte e apoio em

todos os momentos da vida. Sem eles a arte do saber não teria feito seu caminho a mim. E

também a minha tia Gláucia que de forma muito perspicaz soube me mostrar o melhor do

mundo da Química, das Ciências e da Natureza e minha tia Neusa, que sempre ensinou a bon-

dade, em todas as circunstâncias.

3

AGRADECIMENTOS

Foram muitas pessoas que passaram por este projeto. Este projeto passou por muitos

momentos. E agradecer a cada uma dessas pessoas por propiciarem todos os momentos que

formaram este trabalho seria como contar todas as estrelas no céu. Afinal é disso que se trata,

as pessoas a quem agradeço são como estrelas: visíveis em muitos momentos, invisíveis em

outros, podem estar distantes ou perto, mas a verdade é que elas sempre estarão presentes,

num momento ou em outro. A família não passa de uma enorme constelação: um conjunto de

estrelas que unidas formam uma bela imagem que nos guia e dá sentido para o que quer que

for. Agradeço também a todas pessoas cometas que passaram por este trabalho, não puderam

ficar, porém trouxeram muita luz guiando-me ao caminho certo.

É assim, somos todos parte de um universo cheio de estrelas e cometas, e querendo ou

não, vivemos nele e vivemos dele.

4

EPÍGRAFE

“Os que se encantam com a prática sem a ciência são como os timoneiros que entram no

navio sem timão nem bússola, nunca tendo certeza de seu destino.”

“A necessidade é a melhor mestra e guia da natureza. A necessidade é terna e inventa-

dora, o eterno freio e lei da natureza.”

Leonardo da Vinci

(1452 – 1519)

“Não despreze a tradição que vem de anos longínquos; talvez as velhas avós guardem

na memória relatos sobre coisas que alguma vez foram úteis para o conhecimento dos sábios”

J. R. R. Tolkien

(1892 – 1973)

5

RESUMO

O nitrogênio é um macronutriente primário aos vegetais, porém, por sua inércia quími-

ca, sua absorção é dificultosa. A partir da teoria de que toda matéria orgânica que apresenta

nitrogênio em sua composição, quando decomposta pela ação de microrganismos específicos,

resulta numa forma do nutriente em questão assimilável por organismos do reino Plantae,

neste caso, leguminosas como o feijão, obtém-se o nitrogênio na forma amoniacal ao estabe-

lecer relação mutualística com bactérias do gênero Rhizobium, que promovem essa transfor-

mação química. Como matéria orgânica fonte do nitrogênio, a borra de café mostrou-se opor-

tuna por ser um resíduo orgânico gerado abundantemente n o Brasil onde o consumo de café é

cultural; além disso, este material é composto em parte por cafeína, molécula orgânica que

apresenta em sua estrutura o grupo amina, que tem o elemento nitrogênio. Foram preparadas

três amostras de solo, numa composteira feita de materiais reutilizáveis e biodegradáveis, com

diferentes concentrações de borra de café: um padrão branco, uma com 10% e outra com 20%

de borra de café; uma replicata dessas amostras foi feita para que houvesse o plantio do feijão

e observação de seu crescimento em diferentes concentrações da borra de café sem que inter-

ferisse na quantificação de nitrogênio amoniacal no solo. A determinação foi feita por titula-

ção potenciométrica, com ácido clorídrico (HCl) como titulante. O acompanhamento do de-

senvolvimento trouxe determinada coerência com a quantidade de nitrogênio amoniacal cal-

culada, porém outro fator como pH, resultado da quantidade de ácidos orgânicos produtos da

decomposição, foi determinante para o sucesso no desenvolvimento do vegetal. Dessa forma,

a amostra com 10% de borra de café não apresentou a maior quantidade de nitrogênio amoni-

acal (134,7 ppm), mas apresentou o melhor pH (8,47 – sendo o solo básico mais propício para

esse tipo de agricultura) e o melhor desenvolvimento do vegetal.

PALAVRAS-CHAVE: Rhizobium; feijão; borra de café; amônio; titulação potenciométrica.

6

Sumário

1. Introdução..................................................................................................................10

2. Pesquisa Bibliográfica...............................................................................................11

2.1 O papel do nitrogênio e suas transformações no solo...........................................11

2.2 A perda de nitrogênio do solo e suas implicações.................................................12

3. Fundamentação teórica.............................................................................................13

3.1 Nitrogênio.................................................................................................................13

3.1.1 O Ciclo do nitrogênio...........................................................................................13

3.1.1.1 O nitrogênio no solo...........................................................................................14

3.1.1.2 Microrganismos no ciclo do nitrogênio...........................................................15

3.1.2 Nitrogênio amoniacal...........................................................................................16

3.2 Cafeína......................................................................................................................16

4. Relevância do trabalho..............................................................................................19

5. Hipótese......................................................................................................................20

6. Objetivos.................................................................................................................... .20

6.1 Objetivo geral...........................................................................................................20

6.2 Objetivos específicos................................................................................................20

7. Materiais e métodos...................................................................................................21

7.1.Materiais e métodos para a construção do canteiro ecológico............................21

7.1.1 Materiais................................................................................................................21

7.1.2 Métodos..................................................................................................................21

7.2 Materiais e métodos para compostagem do solo...................................................22

7.2.1 Materiais............................................................................................................... .22

7.2.2 Métodos..................................................................................................................22

7.3 Materiais e métodos para o plantio dos grãos de feijão.......................................23

7.3.1 Materiais................................................................................................................23

7.3.2 Métodos................................................................................................................. .23

7.4 Materiais e métodos para monitorar o crescimento das plantas.........................24

7.4.1 Materiais............................................................................................................... .24

7.4.2 Métodos..................................................................................................................24

7.5 Materiais e métodos para a determinação de amônio no solo utilizando testes

comerciais.............................................................................................................................. ..24

7

7.5.1 Materiais................................................................................................................24

7.5.2 Métodos................................................................................................................. .24

7.6 Materiais e métodos para preparação e padronização de solução de HCl

0,1M..........................................................................................................................................25

7.6.1 Materiais................................................................................................................25

7.6.2 Métodos..................................................................................................................25

7.7 Materiais e métodos para a determinação de amônio no solo por titulação po-

tenciométrica...........................................................................................................................26

7.7.1 Materiais................................................................................................................26

7.7.2 Métodos................................................................................................................. .26

7.8 Materiais e métodos para a determinação de pH do solo com pHmetro............27

7.8.1 Materiais................................................................................................................27

7.8.2 Métodos..................................................................................................................27

8. Custos..........................................................................................................................28

8.1 Custo total................................................................................................................28

8.2 Custo real................................................................................................................. .29

9. Cronograma...............................................................................................................30

10. Resultados.................................................................................................................30

10.1 Compostagem do solo............................................................................................30

10.2 Crescimento das plantas.......................................................................................31

10.3 Determinação de pH do solo com pHmetro........................................................33

10.4 Determinação de amônio no solo por titulação potenciométrica......................34

10.5 Determinação de amônio no solo utilizando testes comerciais..........................34

11. Conclusão.................................................................................................................36

12. Referências Bibliográficas......................................................................................37

Lista de figuras e tabelas

8

Figura 1. Esquema do ciclo do nitrogênio......................................................................15

Figura 2. Fórmulas estruturais da xantina e seus derivados...........................................18

Figura 3. Esquema de canteiro ecológico.......................................................................21

Figura 4. Esquema de canteiro ecológico para plantio...................................................22

Figura 5. Esquema de plantio dos grão de feijão...........................................................23

Figura 6. Curva de crescimento do feijão em diferentes concentrações de borra de café

ao longo de aproximadamente dois meses................................................................................31

Figura 7. Desenvolvimento da planta no canteiro com o solo branco com 1 semana (A),

3 semanas (B) e 6 semanas (C). (Arquivo do pesquisador)......................................................32

Figura 8. Desenvolvimento da planta no canteiro com o solo com 10% de borra de café

com 1 semana (A), 3 semanas (B) e 6 semanas (C). (Arquivo do pesquisador).......................32

Figura 9. Desenvolvimento da planta no canteiro com o solo com 20% de borra de café

com 1 semana (A), 3 semanas (B) e 6 semanas (C). (Arquivo do pesquisador).......................33

Figura 10. Teste comercial utilizado para determinação de amônio utilizando testes

comerciais. (Arquivo do pesquisador)......................................................................................34

Figura 11. Gabarito do teste comercial utilizado na determinação de amônio no solo

utilizando testes comerciais. (Arquivo do pesquisa-

dor).............................................................35

Figura 12. Resultados obtidos com o teste comercial utilizado na determinação de

amônio do solo utilizando testes comerciais. (Arquivo do pesquisa-

dor)...................................35

Tabela 1. Materiais para a construção do canteiro ecológico.........................................21

Tabela 2. Materiais para compostagem do solo..............................................................22

Tabela 3. Materiais para o plantio dos grãos de feijão...................................................23

Tabela 4. Materiais para monitorar o crescimento das plantas......................................24

Tabela 5. Materiais para a determinação de amônio no solo utilizando testes comerci-

ais.............................................................................................................................. ................24

Tabela 6. Materiais para preparação e padronização de solução de HCl 0,1

M...............................................................................................................................................25

Tabela 7. Materiais para a determinação de amônio no solo por titulação potenciométri-

ca...............................................................................................................................................26

Tabela 8. Materiais para determinação de pH do solo com pHmetro............................27

9

Tabela 9. Custo total......................................................................................................28

Tabela 10. Custo real......................................................................................................29

Tabela 11. Cronograma..................................................................................................30

Tabela 12. Dados de determinação de pH do solo com pHmetro..................................33

Tabela 13. Dados de determinação de amônio no solo por titulação potenciométrica...34

1.Introdução

10

Por mais que o mundo se industrialize cada vez mais, o setor agrícola não deixa de ser

essencial já que é dele que se tiram os alimentos mais básicos ao ser humano e os animais.

Porém, a produção desses bens agrícolas em escala industrial, algo necessário num planeta de

7 bilhões de pessoas, exige intervenção química, principalmente, para que se possa manter

estável e atingir essa escala. Assim, o uso de fertilizantes químicos industrializados tornou-se

muito comum atualmente, mas o que se deve analisar é que a produção dos mesmos pode ge-

rar resíduos tóxicos e nocivos ao meio ambiente.

Além disso, nem todo alimento produzido é consumido, sendo que grande parte é des-

perdiçada durante o transporte ou então jogada fora apenas pela má aparência (o que não sig-

nifica que não está consumível). Ou seja, muito resíduo que poderia ser reaproveitado não é

utilizado, principalmente quando se diz respeito a alimentos que podem servir de grandes fon-

tes nutricionais aos vegetais.

Isso não é diferente com o café, que após ser moído e seu pó ser preparado, acaba sendo

jogado fora. Porém, a cafeína presente no café é uma grande fonte de nitrogênio e sua decom-

posição poderia beneficiar muito o solo, enriquecendo-o e tornando-o propício à agricultura –

a decomposição resultaria em amônia que, além de basificar o solo, serviria de reagente para a

síntese de nitrito e nitrato, por bactérias, assimiláveis pelas plantas.

2.Pesquisa Bibliográfica

11

2.1 O papel do nitrogênio e suas transformações no solo

Analisando-se de forma geral, observa-se que pequena parte do nitrogênio disponível no

solo e às plantas está na forma de amônio ou nitrato. Essa baixa taxa disponível se deve ao

fato que 95% do nitrogênio no solo está em sua forma orgânica e, durante o curto ciclo de

uma cultura, apenas pequena parte pode ser mineralizada. (1)

A ciclagem do nitrogênio apresenta-se de forma dinâmica e complexa no sistema solo-

planta-atmosfera em decorrência de múltiplas reações e a mobilidade desse macronutriente.

Dessa forma, fontes de nitrogênio, industrias ou orgânicas, aplicadas ao solo estão sujeitas à

todas essas transformações – microbiológicas e químicas – e, portanto, suscetíveis à perdas.

(1)

As principais reações a que o nitrogênio está suscetível são a de mineraliza-

ção/imobilização, amonização/nitrificação e desnitrificação, sendo que estas transformações

podem ser da forma orgânica para inorgânica e vice-versa. Quando o nitrogênio passa de sua

forma orgânica para inorgânica, denomina-se esse processo de mineralização, processo este

ocasionado pela ação de microrganismos heterótrofos do solo, que utilizam compostos orgâ-

nicos como fonte de energia. De forma concomitante a este processo ocorre a imobilização,

que trata-se nada mais nada menos do que o inverso da mineralização, onde microrganismos,

incorporando o nitrogênio disponível em suas células, transformam-no de inorgânico para

orgânico. (1)

A quebra hidrolítica de proteínas e aminoácidos pela ação de microrganismos decompo-

sitores resulta na liberação de amônia, ou seja, é o processo de amonização (1). E a amônia,

num processo de nitrificação pela ação de bactérias nitrificantes do gênero Nitrosomonas spp.

(2), uma sequência à mineralização, é oxidada a nitrato. (1)

Uma das formas de perda de nitrogênio do solo para a atmosfera é devida ao processo

de desnitrificação, onde microrganismos utilizam óxidos de nitrogênio como aceptores finais

de elétrons. (1)

As taxas de transformações de nitrogênio no solo são influenciadas pela quantidade de

carbono disponível no solo, uma vez que microrganismos utilizam carbono e de energia em

seus sistemas enzimáticos e, portanto, a presença deste em quantidades suficientes resultará

num metabolismo mais ativo por parte dos microrganismos, gerando melhores rendimentos

nas reações que ocorrem com o nitrogênio. (1)

12

2.2 A perda de nitrogênio do solo e suas implicações

Uma das principais vias de perda de N após a aplicação dos dejetos no solo é a volatili-

zação da amônia (3), o que reduz seu potencial fertilizante e traz problemas ambientais, já que

a amônia pode provocar a eutrofização de ecossistemas aquáticos e também pode ser fonte

indireta de óxido nitroso (N2O). O óxido nitroso, produzido durante os processos microbioló-

gicos de nitrificação e de desnitrificação, é um dos principais gases causadores do efeito estu-

fa, além de agir na destruição da camada de ozônio. A adição de N ao solo, tanto a partir de

fontes orgânicas animais como inorgânicas - como os fertilizantes sintéticos - aumenta as

emissões de N2O em solos agrícolas. A quantidade de emissão de N2O depende de muitos

fatores, como: tipo e manejo do fertilizante nitrogenado dos dejetos e dos resíduos culturais,

culturas antecedentes, condições de clima e propriedades do solo. Assim, deve-se observar a

importância da quantificação e entendimento do efeito do manejo e de estratégias de uso de

resíduos agrícolas (como a borra de café) como fonte direta e/ou indireta de N2O. Portanto, há

necessidade de se desenvolver estratégias que melhorem a eficiência do N no solo, mantendo

o poder fertilizante dos resíduos agrícolas e reduzindo os riscos ambientais após sua aplicação

no solo. (2)

3.Fundamentação Teórica

13

3.1.Nitrogênio

O nitrogênio é um elemento químico de número de massa 14, número atômico 7, repre-

sentado pelo símbolo N e localizado na família 15 da tabela periódica dos elementos. (4)

Representa aproximadamente 78% da atmosfera terrestre em volume e cerca de 75% da

atmosfera terrestre em peso. Nas Condições Normais de Temperatura e Pressão está no estado

gasoso. (7)

Sendo o quinto elemento mais abundante no Universo, é encontrado em espaços interes-

telares, estrelas e na atmosfera de outros astros/planetas. É constituinte do organismo de todos

os seres vivos terrestres, compondo os ácidos nucleicos e as proteínas (cadeias polipeptídicas

compostas por aminoácidos), principalmente. (6)

O uso de seus compostos pelo homem é conhecido desde a Idade Média, quando os al-

quimistas utilizavam, principalmente, o ácido nítrico e a água régia (mistura entre ácido nítri-

co e ácido clorídrico). (5)

O seu isolamento é datado de 1772, pelo químico escocês Daniel Rutherford, que remo-

veu o dióxido de carbono e o oxigênio do ar atmosférico e verificou que o gás restante não

apresentava sinais de interação química, ou seja, era um gás inerte. Tal característica fez com

que fosse chamado pelo químico Antoine Lavoisier de azoe, um termo francês que se refere à

coisas “impróprias para manter vida”, e é daí que vem seu nome popular: azoto. (4)

Suas principais aplicações atualmente consistem na produção de adubos orgânicos e

compostos – ou constituintes desses compostos – explosivos, como os nitratos de sódio e po-

tássio, o trinitrotolueno (TNT), entre outros. (5)

3.1.1 O Ciclo do nitrogênio

No ciclo do nitrogênio, o processo de fixação é aquele que transforma o N2 em uma

forma assimilável pelas plantas. Esse processo ocorre, principalmente, pela ação de microrga-

nismos presentes tanto no solo como na água. (8)

A fixação pode ser biológica, pela ação dos microrganismos, ou atmosférica, pela ação

do arco voltaico dos raios e do vulcanismo, gerando amônia e óxidos de nitrogênio. (8)

14

O principal meio de fornecimento de nitrogênio ao solo é pela ação decompositora de

microrganismos que transforma por meio da degradação proteínas, aminoácidos, nucleotídeos

e excretas animais e amônia, sendo este o processo de amonização. (8)

Além disso, a amônia advinda do processo de amonização pode ser oxidada por bacté-

rias nitrificantes, transformando-se me nitrito e depois nitrato. (8)

No ciclo do nitrogênio também há a perda do mesmo para a atmosfera pelo processo de

desnitrificação, onde bactérias transformam a amônia em nitrogênio gasoso. (8)

3.1.1.1 O nitrogênio no solo

Sendo o elemento necessário em maior quantidade para as plantas, o nitrogênio é consi-

derado um macronutriente primário. Porém, devido às condições ambientais extremas para

que ocorram as diversas reações químicas possíveis com o nitrogênio, sua utilização na agri-

cultura torna-se muito difícil já que nem todas as formas encontradas de nitrogênio são assi-

miláveis pelos vegetais. As formas mais comuns do nitrogênio assimiláveis pelas plantas são

o íon amônio (NH4+) e o íon nitrato (NO3

-), disponibilizadas pela ação de bactérias nitrifican-

tes e fungos decompositores presentes no solo orgânico. (1)

Além disso, a abundância do nitrogênio está na atmosfera e não na forma de compos-

tos minerais, o que dificulta ainda mais a obtenção de formas assimiláveis desse elemento,

que envolvem uma série de reações com alto custo energético. (1)

15

Figura 1. Esquema do ciclo do nitrogênio.(8)

3.1.1.2 Microrganismos no ciclo do nitrogênio

No solo, bactérias dos gêneros Azotobacter e Clostridium podem viver livremente, po-

rém as do gênero Rhizobium criam uma associação em raízes de diversas plantas, principal-

mente da família das leguminosas (como feijão, alfafa, ervilha, soja), estes microorganismos

utilizam-se da transformação química do nitrogênio gasoso para obtenção de energia, gerando

como subproduto a amônia (NH3), e na água, cianobactérias, como as dos gêneros Anabaena

e Nostoc, são capazes de realizar o mesmo processo. (8)

Os vegetais assimilam muito mais facilmente o nitrogênio em forma de nitrato (NO3-

).

Assim há microorganismos que transformam a amônia primeiramente em nitrito – NO2-

- por

bactérias do gênero Nitrosomonas, e, depois em nitrato, pelas do gênero Nitrobacter. Este

processo de oxidação da amônia é chamado de nitrificação. (7)

16

Há outro grupo de bactérias, como a Pseudonomas denitificans, que são capazes de de-

volver o nitrogênio gasoso à atmosfera através de um processo denominado desnitrificação,

onde a amônia (NH3) é convertida em N2. (7)

3.1.2 Nitrogênio amoniacal

Nitrogênio amoniacal corresponde ao nitrogênio proveniente de um composto derivado

do amoníaco. (10)

A amônia é a mais reduzida forma de nitrogênio orgânico em água e inclui NH3 (amô-

nia) e NH4+ (íon amônio) dissolvidos. Embora a amônia seja somente um pequeno componen-

te no ciclo total do nitrogênio, esta contribui para a fertilização da água tendo em vista que o

nitrogênio é um nutriente essencial para as plantas. (10)

3.2.1 Cafeína

Historicamente, a cafeína proveniente de fontes naturais, tem sido consumida e aprecia-

da desde sempre, sendo o chá a bebida mais antiga que contém cafeína. Alguns antropologis-

tas pensam que o primeiro uso da cafeína, incluída nas plantas, remonta a 600 mil anos a.C.

(Idade da Pedra), no entanto, a sua descoberta acredita-se ter sido feita na Etiópia (antiga

Abissínia), em torno de 700 a.C., onde a planta crescia naturalmente. (9)

As primeiras plantações de café designadas por “Kaweh” apareceram na península Ará-

bica, no século XIV, e eram usadas como alimento, na fabricação de vinho, como remédio e

para fazer uma bebida árabe denominada “qahwa”, conhecida por prevenir o sono. Posteri-

ormente, difundiu-se através do Iémen e dos países árabes para o resto do mundo. (9)

O hábito de tomar café foi condenado pela ortodoxia islâmica, no entanto, posterior-

mente, chegou a ser considerado como algo providencial para rezar sem cair em sonolência e,

como um excelente substituto das bebidas alcoólicas. (9)

Na Europa, o café apareceu no século XVI sendo introduzido, principalmente, pelos es-

panhóis e holandeses, no período das descobertas. Antes disso, o café era consumido de ma-

neira restrita e a bebida nobre era o chá. Inicialmente, o café encontrou uma forte oposição em

alguns países protestantes, como a Alemanha, Áustria e Suíça, nações essas que chegaram

mesmo a castigar o comércio e o seu consumo. (9)

17

Com o passar do tempo, todas as proibições acabaram por desaparecer na Europa e, a

partir da segunda metade do século XVII, o café converteu-se em sinônimo de bebida intelec-

tual, devido à existência de muitos comércios que ofereciam espaços públicos para consumi-

lo, em todas as grandes cidades. Consta que, em França, os cafés se tornaram locais de reuni-

ão dos intelectuais, entre eles Victor Hugo, Voltaire, Rousseau. (9)

Em 1736, surgem as primeiras plantações na América Latina, nomeadamente, em Porto

Rico e cerca de 20 anos depois era já o principal produto de exportação do país, o que aconte-

ce até aos nossos dias. (9)

O primeiro protótipo de uma máquina de café expresso foi criado em França, em 1822,

mas só em 1905 surge um modelo comercial em Itália. O descafeinado é descoberto na Ale-

manha em 1903 após investigações que visavam obter um processo que permitisse remover a

cafeína sem destruir o verdadeiro sabor do café. (9)

Em 1938, o café instantâneo (Nescafé) é inventado pela companhia Nestlé que pretendia

ajudar o governo brasileiro a escoar o seu excedente de café. (9)

Atualmente, a cafeína é consumida por bilhões de pessoas no mundo, estando este hábi-

to inserido em diversas e variadas práticas culturais, sendo até vital para a economia de alguns

países. (9)

A cafeína é um alcaloide, um composto contendo nitrogênio, que apresenta proprieda-

des básicas. Segundo De Maria e Moreira (2007), este alcaloide é encontrado em grande

quantidade nas sementes de café e nas folhas de chá verde. Esta molécula também pode ser

encontrada em outros produtos vegetais, como o cacau, o guaraná e a erva-mate. Mesmo que

uma pequena parcela da população consuma cafeína na forma de fármacos, como os antigri-

pais, grande parte desta substância é ingerida na forma de bebidas. (9)

A cafeína é uma substância encontrada em certas plantas e usada para o consumo em

bebidas, tanto na forma de infusão, como em refrigerantes e bebidas energéticas. Ela é tam-

bém encontrada em alimentos como o chocolate, guaraná, cola, chá-mate e no cacau. O efeito

mais conhecido da cafeína é o de ser um estimulante. De fato, esta substância possui a propri-

edade de atuar no sistema nervoso central aumentando o estado de alerta. O mecanismo de

ação parece estar ligado ao estímulo da produção de dopamina que é um neurotransmissor

responsável pela ativação de áreas do cérebro relacionadas à atenção. (9)

O uso da cafeína vem de muitos séculos, e atualmente é a droga mais consumida no

mundo. A cafeína tem sido utilizada desde o período paleolítico, provavelmente devido aos

seus efeitos do Sistema Nervoso Central (SNC). (9)

18

Quimicamente, a cafeína (1,3,7-trimetilxantina) pertence ao grupo das metilxantinas

(derivadas da xantina), do qual também fazem parte a teofilina, a teobromina, a teína e o gua-

raná. Estes compostos são alcaloides estreitamente relacionados, pois todos tem ação farma-

cológica sobre o sistema nervoso central, mas com intensidades diferentes. (9)

Figura 2. Fórmulas estruturais da xantina e seus derivados

19

4.Relevância do Trabalho

A indústria de fertilizantes está presente em muitos aspectos do cotidiano das pessoas,

mostrando-se extremamente importante, mas ao mesmo tempo muito polêmica. O uso de cer-

tos agentes químicos como fertilizantes muitas vezes podem ser prejudiciais ao bem estar psi-

cossomático do ser humano. Além disso, os processos industriais empregados na produção

desses agentes químicos podem gerar resíduos nocivos aos ecossistemas aquáticos e terres-

tres, principalmente. Mas o que passa despercebido é que praticamente toda matéria orgânica

residual, vegetal ou animal, despejada inadequadamente em muitas toneladas, pode funcionar

como fertilizante natural já que a maior parte é composta por proteínas e aminoácidos que

contém quantidades significativas do elemento nitrogênio, um dos, senão o, principal nutrien-

te vegetal.

Um exemplo de resíduo gerado, principalmente no Brasil devido à tradição cultural, é a

borra de café. Diariamente enormes quantidades de filtros sujos com borra de café são joga-

dos fora para acabarem, muitas vezes, num local inadequado. Porém, a cafeína presente no

café é uma grande fonte de nitrogênio que vem sendo desperdiçada por muitos anos e que

poderia ser um aliado sustentável para a fertilização natural do solo.

Além disso, na agricultura, por muito tempo tem-se utilizado sacos plásticos para a

acomodação de mudas de plantas, o que é um problema, visto que não são biodegradáveis e

quando não retirados pra o plantio provocam o enovelamento das raízes da planta prejudican-

do seu desenvolvimento. Além disso, o saco plástico pode funcionar como uma barreira im-

pedindo a total troca de nutrientes entre a planta e o solo, podendo levá-la à morte.

Desta forma, deve-se procurar alternativas ecológicas para o plantio da semente e que

além de fornecer um meio adequado e sustentável possa promover um melhor desenvolvi-

mento do vegetal. Um exemplo disso é o filtro usado de café, um produto biodegradável e

comum, utilizado em grande quantidade no dia-a-dia de muitas pessoas.

20

5.Hipótese

Será que através da ação de bactérias e fungos decompositores, o nitrogênio contido na

cafeína poderá ser transformado em amônia (NH3), tornando o solo mais básico – propício ao

desenvolvimento da grande maioria das plantas – e, pela ação das bactérias do gênero Rhizo-

bium, que vivem em mutualismo com as raízes de leguminosas como feijão, a amônia (não

assimilável diretamente pelas plantas) será transformada bioquimicamente em nitrito (NO2-) e

em seguida nitrato (NO3-), assimilável pelos vegetais, promovendo um crescimento mais rápi-

do e saudável à planta?

6.Objetivos

6.1.Objetivo geral

Reutilizar a borra de café – que contém cafeína – como adubo orgânico natural devido à

grande quantidade de nitrogênio presente em sua molécula e reutilizar filtro coador como can-

teiro para mudas de forma que possa ser plantada diretamente no solo sem danificar o mesmo

e/ou a planta.

6.2.Objetivos específicos

Elaborar ambiente ecológico para estudo da decomposição;

Medir o nitrogênio amoniacal;

Observar o crescimento das plantas e relacionar com a quantidade de

borra de café adicionado (consequentemente com a quantidade de nitrogênio

fornecida).

21

7.Materiais e Métodos

7.1.Materiais e métodos para a construção do canteiro ecológico

7.1.1 Materiais

- Tabela 1. Materiais para construção do canteiro ecológico

Material Quantidade/Descrição

Garrafa PET 1L 12 unidades usadas

Filtro coador de café 12 unidades usadas

Cola quente 1 bastão

Tesoura 1 unidade

7.1.2 Métodos

Recortar a região afunilada da garrafa PET e lavar para em seguida posicioná-la de pon-

ta cabeça no fundo da garrafa recortada. Colocar os filtros usados dentro da região afunilada

da garrafa PET já recortada. Colar cada uma das seis unidades de garrafas recortadas uma nas

outras de forma a otimizar o espaço utilizado, conforme o esquema abaixo:

Figura 3. Esquema se canteiro ecológico (autoria do pesquisador).

22

7.2 Materiais e métodos para compostagem do solo

7.2.1 Materiais

- Tabela 2. Materiais para compostagem do solo

Materiais Quantidade/Descrição

Solo orgânico 1 saco de 5kg

Café 1 pacote de 500g

Canteiro ecológico 2 unidades com 6 slots cada

7.2.2 Métodos

No canteiro ecológico, misturar a borra de café no solo na proporção de 0:10, respecti-

vamente, numa coluna de slots; em outra coluna na proporção de 1:9 e na terceira coluna na

proporção 2:8, utilizando-se 200 gramas de solo (assim 200 gramas de solo na primeira, 20

gramas de borra de café e 180 gramas de solo na segunda e 40 gramas de borra de café e 160

gramas de solo na terceira coluna). Colocar nos filtros acoplados no canteiro ecológico, de

forma que fique conforme o esquema abaixo, e deixar num local úmido, arejado e que haja

luz solar e esperar aproximadamente duas semanas. Colocar quantidades iguais do solo em

cada canteiro.

- Esquema de canteiro ecológico para o plantio

Figura 4. Esquema de canteiro ecológico para o plantio (autoria do pesquisador).

23

7.3 Materiais e métodos para o plantio dos grãos de feijão

7.3.1 Materiais

- Tabela 3. Materiais para plantio dos grãos de feijão

Materiais Quantidade/Descrição

Canteiro ecológico 2 unidades já com solo compostado

Grão de feijão 1 pacote de 1kg

7.3.2 Métodos

Pegar o canteiro com o solo já compostado e, em três slots com proporções diferentes

de solo/borra de café, colocar 1 grão de feijão, em cada slot, e cobri-lo com o próprio solo do

canteiro.

- Esquema de plantio dos grãos de feijão

Figura 5. Esquema de plantio dos grãos de feijão (autoria do pesquisador).

24

7.4 Materiais e métodos para monitorar o crescimento das plantas

7.4.1 Materiais

- Tabela 4. Materiais para monitorar o crescimento das plantas

Materiais Quantidade/Descrição

Fita métrica 1 unidade de 150 cm

7.4.2 Métodos

Durante 2 meses, a cada semana, aferir a altura do caule das plantas, submetidas à dife-

rentes concentrações de borra de café, por toda sua extensão utilizando a fita métrica de 150

cm, e comparar os resultados relacionando-os com a quantidade de borra de café fornecida.

7.5 Materiais e métodos para a determinação de amônio no solo utilizando testes comer-

ciais

7.5.1 Materiais

- Tabela 5. Materiais para determinação de amônio no solo

Materiais Quantidade/Descrição

Kit Ammonium – Test (MERCK) 1 unidade

Agitador magnético 1 unidade

Erlenmeyer 1 unidade 500 mL

Balança analítica 1 unidade

7.5.2 Métodos

Preparar uma solução com o solo a ser analisado colocando, num béquer de 600 mL, 50

gramas de solo, pesado em balança analítica, e 200 mL de água destilada. Agitar e esperar a

maior parte do solo decantar. Utilizar o filtrado no teste seguindo o procedimento indicado no

Kit Ammonium – Test.

25

7.6 Materiais e métodos para preparação e padronização de solução de HCl 0,1 M

7.6.1 Materiais

- Tabela 6. Materiais para preparação e padronização de solução de HCl

0,1 M

Materiais Quantidade/Descrição

HCl PA 8,6 mL (11,7 M)

Água destilada 1000 mL

Solução de Na2CO3 padrão 100 mL (0,1 M fc = 1,0002)

Balão volumétrico 1 unidade 1000 mL

Béquer 1 unidade 600 mL

Pipeta volumétrica 1 unidade 25 mL

Pipeta graduada 1 unidade 10 mL

Erlenmeyer 3 unidades 250 mL

Alaranjado de metila aproximadamente 1 mL

Bureta 1 unidade 25 mL

Suporte universal 1 unidade

7.6.2 Métodos

Para preparar a solução de HCl 0,1 M, pipeta-se com pipeta graduada e transfere-se

quantitativamente para um béquer contendo aproximadamente 200 mL de água. Faz-se uma

pré-diluição. Transfere-se o conteúdo do béquer para o balão volumétrico e completa-se o

volume deste com água destilada até a marca de volume indicada. Agita-se até completa ho-

mogeneização.

Para padronização da solução utiliza-se solução de Na2CO3, transferindo-se alíquota de

25 mL para um erlenmeyer de 250 mL. Faz-se uma triplicata. Titula-se a solução padrão de

carbonato de sódio utilizando-se alaranjado de metila como indicador e a solução de HCl pre-

parada como titulante. Para os cálculos tem-se:

CHCl . VHCl = CNa2CO3 . V Na2CO3 . fc Na2CO3

Encontrando-se a concentração real do HCl, faz-se:

fcHCl = Creal HCl

Cteórica HCl

26

7.7 Materiais e métodos para a determinação de amônio no solo por titulação potencio-

métrica

7.7.1 Materiais

- Tabela 7. Materiais para a determinação de amônio no solo por titulação

de neutralização

Materiais Quantidade/Descrição

Béquer 1 unidade 600 mL

Pipeta volumétrica 1 unidade 10 mL

Bureta 1 unidade 25 mL

Solução de ácido clorídrico 0,1 M; suficiente até ponto de viragem

Água destilada 3 L

Balança analítica 1 unidade

Agitador magnético 1 unidade

7.7.2 Métodos

Preparar uma solução com o solo a ser analisado colocando, num béquer de 600 mL, 50

gramas de solo, pesado em balança analítica, e 200 mL de água destilada. Agitar e esperar a

maior parte do solo decantar. Transferir uma alíquota de 50 mL com pipeta volumétrica para

um outro béquer de 600 mL tomando cuidado para não pipetar o solo decantado junto. Titular

com ácido clorídrico 0,1 M pelo método de titulação potenciométrica, até pH aproximada-

mente 4,5 (pH de viragem do alaranjado de metila, indicador utilizado nesta titulação quando

a solução não é turva e pode-se observar a mudança na coloração da titulação) agitando com

agitador magnético.

Cálculo:

Sendo C = concentração, fcHCl = fator de correção da solução de HCl utilizada e V = vo-

lume, tem-se:

C(base).V(base).n°OH+ = C(ácido).V(base).n°H

+.fcHCl

27

7.8 Materiais e métodos para determinação de pH do solo com pHmetro

7.8.1 Materiais

- Tabela 8. Materiais para determinação de pH do solo com pHmetro

Materiais Quantidade/Descrição

Bico de bunsen 1

Bagueta de vidro 1

Béquer de vidro 1 unidade de 600 mL

Espátula 1

pHmetro 1

Tripé 1

Tela de amianto 1

7.8.2 Métodos

Preparar uma solução com o solo a ser analisado colocando, num béquer de 600 mL, 50

gramas de solo, pesado em balança analítica, e 200 mL de água destilada. Ferver por 5 minu-

tos e logo depois deixar esfriar por 10 minutos em banho de gelo. Quando a solução estiver

completamente fria, medir o pH utilizando pHmetro.

28

8.Custos

8.1 Custo total

- Tabela 9. Custo total

Material Quantidade/Descrição Preço

Garrafa PET 1,5 L 12 unidades usadas R$ 3,65x12

unidades = R$ 43,80

Filtro coador de café pacote com 60 unidades

(12 unidades usadas são necessá-

rias)

R$ 2,35

Pistola para cola

quente

1 unidade R$ 13,00

Cola quente 1 pacote com 2 bastões R$ 4,90

Tesoura 1 unidade R$ 2,00

Solo orgânico 1 saco de 5kg R$ 4,00

Café 1 pacote de 500g R$ 7,50

Grão de feijão 1 pacote de 1kg R$ 4,50

Fita métrica 1 unidade de 150 cm R$ 8,00

Kit Ammonium –

Test (MERCK)

1 unidade ~R$ 70,00

Agitador magnético 1 unidade sem aquecimen-

to

R$ 940,92

Béquer 1 unidade 600 mL R$ 25,00

Erlenmeyer 1 unidade 250 mL R$ 8,00

Balança analítica 1 unidade 220gx0,1mg ca-

libração externa

R$ 4062,90

Pipeta volumétrica 1 unidade 10 mL R$ 6,30

Bureta 1 unidade 25 mL R$ 47,30

Solução de ácido

clorídrico

0,1 M; suficiente até ponto

de viragem

R$ 8,19/L

Total R$ 5258,66

29

8.2 Custo real

- Tabela 10. Custo real.

Material Quantidade/Descrição Preço

Garrafa PET 1,5 L 12 unidades usadas reutilização

Filtro coador de café pacote com 60 unidades

(12 unidades usadas são necessá-

rias)

reutilização

Pistola para cola

quente

1 unidade R$ 13,00

Cola quente 1pacote com 2 bastões R$ 4,90

Tesoura 1 unidade R$ 2,00

Solo orgânico 1 saco de 5kg R$ 4,00

Café 1 pacote de 500g reutilização

Grão de feijão 1 saco de 1kg R$ 4,50

Fita métrica 1 unidade de 150 cm R$ 8,00

Kit Ammonium –

Test (MERCK)

1 unidade doação

Agitador magnético 1 unidade sem aquecimen-

to

material da es-

cola

Béquer 1 unidade 600 mL material da es-

cola

Erlenmeyer 1 unidade 250 mL material da es-

cola

Balança analítica 1 unidade 220gx0,1mg ca-

libração externa

material da es-

cola

Pipeta volumétrica 1 unidade 10 mL material da es-

cola

Bureta 1 unidade 25 mL material da es-

cola

Solução de ácido

clorídrico

0,1 M; suficiente até ponto

de viragem

material da es-

cola

Total R$ 36,40

30

9. Cronograma

- Tabela 11. Cronograma.

Ano 2013 2014

Atividades Ago Set Out Nov Dez Jan Fev Mar Abr Maio

Planejamento x x x x

Apresentação para a banca de aprovação

x

Redefinição do cronograma x

Construção do canteiro ecológi-

co x

Compostagem do solo x x

Plantio dos feijões x

Monitoramento das plantas x x

Testes x

Tabulação dos resultados x

Mostra de projetos x

Entrega final do TCC x

10. Resultados e Discussões

10.1 Compostagem do solo

Após preparar cada composteira com sua devida concentração de borra de café, elas fo-

ram umedecidas e monitoradas regularmente. Com aproximadamente dez dias após a compos-

tagem, notou-se um odor forte e característico de decomposição, um resultado bom já que

ficou evidente a decomposição da borra de café num período de tempo relativamente bom,

considerando as condições externas (calor e baixa umidade).

31

10.2 Crescimento das plantas

Figura 6: Curva de crescimento do feijão em diferentes concentrações de borra de café ao longo de apro-

ximadamente dois meses.

Depois de as sementes serem plantadas nos canteiros, levou em média 96 horas para que

o vegetal brotasse. Comparando as concentrações de borra de café nos canteiros com a ordem

de brotamento das sementes, observou-se que a primeira a brotar foi a que estava no canteiro

com 10% de borra de café, seguida da semente no canteiro branco, e logo depois a semente

contida no canteiro com 20%. Um resultado um pouco surpreendente, já que esperava-se que

maiores concentrações de borra de café promovessem melhor desenvolvimento do vegetal, o

que foi observado de forma relativa já que a semente que estava no canteiro com 10% de bor-

ra de café desenvolveu-se antes do que a contida no branco, obedecendo os resultados espera-

dos, mas a semente no canteiro com 20% de borra de café, a que se esperava que desenvolver-

se-ia primeiro, foi a última a brotar. Para garantir a confiabilidade dos testes, utilizando-se de

canteiros iguais aos utilizados nos testes, com o mesmo tempo de compostagem (uma duplica-

ta e triplicata), observou-se os mesmos resultados do primeiro teste. Isso pode ser explicado

pela teoria de que na decomposição da matéria orgânica há como produto ácidos orgânicos

que provavelmente tornaram o solo mais ácido e menos propício para a agricultura do feijão.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

10/m

arço

17/m

arço

24/m

arço

31/m

arço

07/a

bri

l

14/a

bri

l

21/a

bri

l

28/a

bri

l

05/m

aio

12/m

aio

19/m

aio

Branco

10%

20%

Aparecimento da folhagem

Aparecimento da folhagem

Alt

ura

da

pla

nta

(cm

)

32

Figura 7: Desenvolvimento da planta no canteiro com o solo branco com 1 semana (A), 3 semanas (B) e 6

semanas (C). (Arquivo do pesquisador)

Figura 8: Desenvolvimento da planta no canteiro com o solo com 10% de borra de café com 1 semana

(A), 3 semanas (B) e 6 semanas (C). (Arquivo do pesquisador)

33

Figura 9: Desenvolvimento da planta no canteiro com o solo com 20% de borra de café com 1 semana

(A), 3 semanas (B) e 6 semanas (C). (Arquivo do pesquisador)

10.3 Determinação de pH do solo com pHmetro

- Tabela 12. Dados de determinação de pH do solo com pHmetro

Branco 10% borra de café 20% borra de café

pH 7,59 8,47 7,38

T (ºC) 24,0 24,0 23,7

Observa-se que a adição de borra de café ao solo não apenas fornece amônio ao solo por

meio da decomposição, mas, por meio deste processo também, fornece como produto ácidos

orgânicos de diminuem o pH do solo e que, neste caso, acabou por comprometer o desenvol-

vimento da planta como observou-se no item anterior. Pode-se relacionar, desta forma, o óti-

mo desenvolvimento da planta na composteira com 10% de borra de café com o pH da mesma

(além da quantidade de amônio disponível, conforme o próximo item), propiciado pela amô-

nia resultante da decomposição que associou-se com a umidade do solo, formando NH4OH

que basificou o solo.

34

10.4 Determinação de amônio no solo por titulação potenciométrica

- Tabela 13. Dados de determinação de amônio no solo por titulação potenciomé-

trica

Amostra Volume da alíquota Volume de titulante

utilizado (HCl 0,1M

fc= 1,283)

Concentração de

NH4+ (ppm)

Solo branco 50 mL 0,8 mL 71,8

10% de borra de café 50 mL 1,5 mL 134,7

20% de borra de café 50 mL 2,1 mL 188,6

Observa-se que a borra de café forneceu quantidades bastante significativas de amônio

para o solo, mas como pode se observar anteriormente, não apenas a quantidade disponível de

amônio para o vegetal determina o desenvolvimento do mesmo, mas também outros fatores,

como pH, por exemplo, que neste caso foi um possível fator determinante para o não desen-

volvimento do vegetal no canteiro contendo 20% de borra de café.

10.5 Determinação de amônio do solo utilizando testes comerciais

Figura 10: Teste comercial utilizado para determinação de amônio utilizando testes comerciais. (Arquivo do

pesquisador)

35

Figura 11: Gabarito do teste comercial utilizado na determinação de amônio no solo utilizando testes comerciais.

(Arquivo do pesquisador)

Figura 12: Resultados obtidos com o teste comercial utilizado na determinação de amônio do solo utili-

zando testes comerciais. (Arquivo do pesquisador)

Inicialmente planejou-se utilizar o teste comercial, principalmente por sua praticidade,

apesar de sua quantificação ser apenas por faixas de concentração e não indicar uma concen-

tração exata do analito (no caso, NH4+).

36

Havia uma preocupação devido à validade do teste (31/12/2001, porém foram feitas

análises utilizando-se soluções com concentrações conhecidas de NH4+ e os resultados foram

condizentes). Porém, ao realizar o teste utilizando-se a amostra de solo, obteve-se muita difi-

culdade principalmente devido à turbidez da amostra, dificultando a visualização e compara-

ção com o gabarito do teste e, consequentemente, a determinação do analito nas amostras.

Pelo que pode-se observar, a concentração encontrada com o teste comercial estipulava

uma faixa de 30 a 60 ppm de NH4+ nas soluções analisadas, valores muitos discrepantes dos

encontrados pela titulação pontenciométrica – método que julgou-se mais confiável e por isso

adotou-se seus resultados como oficiais.

11. Conclusão

Comprovou-se experimentalmente que a decomposição da borra de café no solo for-

neceu ótimas quantidades de nitrogênio amoniacal ao solo, chegando a aumentar a concentra-

ção deste em até 162%. Porém deve-se levar em conta que a decomposição não gerou apenas

o nitrogênio amoniacal assimilável pela planta, mas também outros produtos, principalmente

ácidos orgânicos, que prejudicaram o desenvolvimento do vegetal ao acidificarem o solo.

Dessa forma deve-se analisar todos os fatores que resultaram do processo de compostagem e

que podem interferir de forma benéfica ou maléfica para o vegetal. Fazendo essa análise, a

composteira que apresentou melhor resultado foi a com 10% de borra de café no solo, onde o

vegetal cresceu e se desenvolveu mais rápido e melhor. Além disso, as raízes do feijão na

composteira com 10% de borra de café foram capazes de rasgar o filtro coador e alcançar a

reserva de água do sistema, provando que o uso do filtro coador de café descartável é uma

alternativa sustentável para o desenvolvimento de mudas de vegetais já que o mesmo não im-

pede o desenvolvimento da planta e, sendo biodegradável, pode ser plantado diretamente no

solo, reduzindo o volume de lixo produzido.

37

12. Referências Bibliográficas

(1) MEGDA, Márcio Mahmoud. Formas de nitrogênio e doses de potássio no capim-

marandu: atributos morfológicos, produtivos, nutricionais e bioquímicos e transformações do

nitrogênio em um Neossolo. Disponível em:

< http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11140/tde-23082013-162958/pt-br.php>

Acesso em 23 nov. 2013

(2) SCHIRMANN, Janquieli. Estratégias para melhorar o fornecimento de nitrogênio ao

milho e trigo por dejetos de suínos e reduzir a emissão de óxido nitroso do solo. Disponível

em:

<http://w3.ufsm.br/ppgcs/disserta%E7%F5es%20e%20teses/Disserta%E7%E3o%20Jan

quieli.pdf> Acesso em 23 nov. 2013

(3) MARCHESAN, Enio et al. Fontes alternativas à ureia no fornecimento de nitrogênio

para o arroz irrigado. Disponível em:

< http://www.scielo.br/pdf/cr/v41n12/a19411cr4018.pdf>

Acesso em 23 nov. 2013

(4) Nitrogênio. Disponível em: < http://www.mspc.eng.br/quim1/quim1_007.asp#hist>

Acesso em 18 set. 2013

(5) Nitrogênio. Disponível em:

< http://tabela.oxigenio.com/nao_metais/elemento_quimico_nitrogenio.htm>

Acesso em 18 set. 2013

(6) PEIXOTO, Eduardo Motta Alves. Nitrogênio. Disponível em:

< http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc06/elemento.pdf>

Acesso em 18 set. 2013

(7) Nitrogênio. Disponível em: < http://www.ufrrj.br/institutos/it/de/acidentes/n.htm>

Acesso em 19 set. 2013

(8) INDRIUNAS, Alexandre. Como funciona o ciclo do nitrogênio. Disponível em:

< http://ciencia.hsw.uol.com.br/ciclo-nitrogenio.htm> Acesso em 21 set. 2013

38

(9) SOARES, Ana Isabel Sousa Montenegro; FONSECA, Bruno Miguel

Reis. Cafeína: A cafeína é uma das substâncias mais estudadas, será que realmente a conhe-

ce? E os seus malefícios, sabe quais são? Terá ela efeitos benéficos?. Disponível em:

<http://www.ff.up.pt/toxicologia/monografias/ano0405/Cafeina/cafeina.pdf>. Acesso em: 15

nov. 2013.

(10) Determinação de Amônia. Disponível em:

< http://pessoal.utfpr.edu.br/colombo/arquivos/N_NH3.pdf> Acesso em 23 nov. 2013