Utilização da energia nuclear na agricultura

Prof. Dr. José Lavres Junior

Laboratório de Nutrição Mineral de Plantas Prof. Eurípedes Malavolta

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULOCENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA

Diamantina-MG, 26 de novembro de 2012

Sumário• Contextualização• CENA - História• Introdução• Estudos e Aplicações

Ecologia Isotópica Ciência dos Alimentos Radioentomologia Geologia e mineralogia Fertilidade do Solo, Adubos e Adubação, Nutrição Mineral de Plantas

• Desafios futuros

• 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.

Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

http://www1.folha.uol.com.br/ciencia/1245240-especialistas-da-nasa-comentam-a-nova-descoberta-de-curiosity.shtml

Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

• 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 1955. 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.

• 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 à ESALQ. 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.

• CENA - História

• Contextualização

ÁTOMOS

ENERGIA NUCLEAR

ISÓTOPOS

RADIOISÓTOPOS

• Contextualização

ÁTOMOS ENERGIA NUCLEAR ISÓTOPOS

RADIOISÓTOPOS

• Contextualização

Chernobyl – 26 abril de 1986 Goiânia – setembro de 1987

Idéia Geral(população/mídia)

ENERGY MATRIX: BRAZILIAN RENEWABLE MIX

BRAZILIAN ENERGY MIX

WORLD ENERGY MIX

Source: MME/BEN, 2006

Biomass; 29,7%

Coal; 6,4%

Natural gas; 9,3%

Hydraulic and Electricity; 15,0%

Oil and Oil Products; 38,4%

Uraniun; 1,2%

Biomass; 11,2%

Coal; 24,1%

Natural gas; 20,9%

Hydraulic and Electricity; 2,1%

Oil and Oil Products; 35,3%

Uraniun; 6,4%

Share of renewable energy in the total

primary energy: 45%

Share of renewable energy in the power

generation: 85%

O que são isótopos?Introdução

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

Hidrogênio Deutério Tritio

1 nêutron2 nêutrons(não é estável)

Ishida, 2007

O que são isótopos?Introdução

1 próton 1 próton 1 próton

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)

O que são isótopos?Introdução

Exemplos: 14C (radiação β- fraco; meia vida de 5.730 anos)

32P (radiação β- alta energia; meia vida de 14 dias)

1) Chamados de estáveis quando não emitem radiação - seja em forma de

energia eletromagnética ou partículas subatômicas. Ex: 15N, 34S, 10B, 13C...

Tipos de RadiaçãoIntrodução

Carbono 12C Carbono 13C

Nitrogênio 15N

6 prótons6 nêutrons

6 prótons7 nêutrons

Nitrogênio 14N

7 prótons7 nêutrons 7 prótons

8 nêutrons

Ishida, 2007

Exemplos de isótopos estáveis com particular interesse em estudo ligados à processos ambientais

Introdução

Ishida, 2007

Abundância média natural dos elementos mais utilizados em estudos ambientais

Introdução

Elemento Isótopo Abundância

Hidrogênio 1H 98,984

  D 0,0155

Carbono 12C 98,89

  13C 1,11

Nitrogênio 14N 99,634

  15N 0,366

Oxigênio 16O 99,76

  17O 0,037

  18O 0,199

Enxofre 32S 95,02

  34S 4,21

Abordagem para os Isótopos de PotássioIntrodução

Isótopos de Potássio – Geologia e MineralogiaEstudos e Aplicações

A desintegração de 40K em 40Ar 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.

Uso Pacífico da Energia NuclearEstudos e Aplicações

Engenharia

Agronomia

Zootecnia

Arqueologia (datação 14C) Australopithecus afarensis

14C meia vida de aproximadamente 5.730 anos

Linhas de PesquisasEstudos e Aplicações

1. Criação artificial de moscas das frutas.

2. Controle biológico por meio da liberação de parasitóides ou

técnica do inseto estéril.

Linhas de PesquisasEstudos e Aplicações

1. Irradiação de alimentos: quarentena e conservação.

2. Características físico-químicas de alimentos e bebidas.

Aplicações práticas dos Isótopos Estáveis

1. Adulteração de Vinhos

2. Adulteração do Mel

3. Dieta Alimentar

4. Rastreamento e origem de drogas

Crédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA

UVas = -28 o/ooCana de açúcar = -12 o/oo

Vinho = -27 o/oo Cachaça = -11

o/oo

Fermentação

?

Crédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA

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

Experimento fisiológico de NMP – movimento do 32P no floemaEstudos e Aplicações

Nº seção Porcentagem (contagem) de 32P

Separada Não separada

Floema Xilema Floema Xilema

S1 12 1 15 5

S2 7 traço 10 6

S3 13 0 5 2

S4 5 traço 3 1

Aplicação de 32P 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 32P entre o xilema e o floema separados e não separados (b).

Adaptado de Biddulph & Markle (1944).

(a) (b)

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

Elemento Espécie Tempo para 50% de absorção

Nitrogênio (ureia)

Citros 1 – 2 H

Cafeeiro 1 – 6 H

Macieira 1 - 4 H

Feijoeiro 1 – 6 H

Batata 12 – 24 H

Fumo 24 – 56 H

FósforoMacieira 7 – 11 D

Cafeeiro 6 – 12 D

Cálcio Feijoeiro 4 D

Enxofre Feijoeiro 8 D

Manganês Feijoeiro 24 – 48 H

Zinco Feijoeiro 24 H

Velocidade de absorção de elementos aplicados às folhas (H – horas; D – dias)Estudos e Aplicações

Adaptado de Malavolta (2006)

Transporte de radiofósforo (32P) aplicado em folhas de muda de café Estudos e Aplicações

Fonte: Malavolta (2006)

Fonte: Malavolta (2006)

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

Estudos e Aplicações

Na235SO4

aplicado nas raízes

Silva et al. (2003) PAB

Transporte a longa distancia de 35S da raiz para a parte aérea do milhoEstudos e Aplicações

Silva et al. (2003) PAB

Na235SO4

aplicado nas folhas Dreno forte

Dreno fraco

98% 35S

2% 35S

0% 35S

Transporte a longa distancia de 35S das folhas para a raiz da sojaEstudos e Aplicações

Fig. Autoradioagrafia de folha de

coentro (C. sativum) suprida com

0,4 mM 45Ca2+ 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 45Ca2+ 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)

Transporte de 45Ca em folhas de coentro em função da transpiraçãoEstudos e Aplicações

Schematic of the macroimaging system for real-time isotope imaging and example of use.

Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

Estudos e Aplicações

Comparison of 32P-phosphate uptake between water and soil cultures of Oryza sativa cv.

Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

Schematic of microimaging systems and examples of use.

Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

Capacities of the system to perform absolute or quantitative measurements.

Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no floemaEstudos e Aplicações

Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no xilema de cevadaEstudos e Aplicações

Fig. Transporte à longa distância de 52Mn 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.

Tsukamoto et al. (2006)

52MnRedistribuiçãoTransporte 52Mn

Page et al. (2006)

Quanto foi absorvido?Quanto foi redistribuído?

Boaretto et al. (2002)

Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos e Aplicações

Brotação nova surgida após a aplicação

Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos e Aplicações

Lombi E et al. J. Exp. Bot. (2011); 62:273-282

Estudos e Aplicações

Mapa dos elementos por análise de florescência de Raio-X de uma seção longitudinal de grão de cevada.

Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.

Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e AdubaçõesEstudos e Aplicações

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 15N e com 32P que, raramente, esses valores ultrapassavam de 50 e 10%, respectivamente.

Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.

Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e AdubaçõesEstudos e Aplicações

• 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.

Desafios Futuros

1. Auxílio no melhoramento do feijão (fixação biológica do N);

Na área da ciência da Nutrição Mineral de Plantas, Fertilidade do Solo, Adubos e Adubação

2. Fisiologia e funciomanto de raízes novas – maior aquisição de nutrientes (ou preferência na absorção de 15N-NH4

+ em relação ao 15N-NO3- 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).

“A radiação não deve ser temida,

mas sim, respeitada!”(E. Malavolta)

Obrigado!E-mail: jlavres@cena.usp.br