Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012
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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
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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
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• 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.
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Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)
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http://www1.folha.uol.com.br/ciencia/1245240-especialistas-da-nasa-comentam-a-nova-descoberta-de-curiosity.shtml
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Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)
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Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)
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• 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.
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• 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.
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• CENA - História
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• Contextualização
ÁTOMOS
ENERGIA NUCLEAR
ISÓTOPOS
RADIOISÓTOPOS
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• Contextualização
ÁTOMOS ENERGIA NUCLEAR ISÓTOPOS
RADIOISÓTOPOS
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• Contextualização
Chernobyl – 26 abril de 1986 Goiânia – setembro de 1987
Idéia Geral(população/mídia)
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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%
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O que são isótopos?Introdução
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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
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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...
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Tipos de RadiaçãoIntrodução
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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
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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
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Abordagem para os Isótopos de PotássioIntrodução
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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.
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Uso Pacífico da Energia NuclearEstudos e Aplicações
Engenharia
Agronomia
Zootecnia
Arqueologia (datação 14C) Australopithecus afarensis
14C meia vida de aproximadamente 5.730 anos
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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.
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Linhas de PesquisasEstudos e Aplicações
1. Irradiação de alimentos: quarentena e conservação.
2. Características físico-químicas de alimentos e bebidas.
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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
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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
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1º Experimento fisiológico de NMP – movimento do 42K no xilema (e floema)Estudos e Aplicações
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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)
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1º Experimento no Brasil - absorção de 65Zn por orquídeas.Estudos e Aplicações
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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)
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Transporte de radiofósforo (32P) aplicado em folhas de muda de café Estudos e Aplicações
Fonte: Malavolta (2006)
![Page 33: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/34.jpg)
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
![Page 35: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/35.jpg)
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
![Page 36: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/36.jpg)
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
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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
![Page 38: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/38.jpg)
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
![Page 39: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/39.jpg)
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
![Page 40: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/40.jpg)
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
![Page 41: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/41.jpg)
Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no floemaEstudos e Aplicações
![Page 42: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/42.jpg)
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.
![Page 43: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/43.jpg)
Tsukamoto et al. (2006)
52MnRedistribuiçãoTransporte 52Mn
![Page 44: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/44.jpg)
Page et al. (2006)
![Page 45: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/45.jpg)
Quanto foi absorvido?Quanto foi redistribuído?
Boaretto et al. (2002)
Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos e Aplicações
Brotação nova surgida após a aplicação
![Page 46: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/46.jpg)
Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos e Aplicações
![Page 47: Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012](https://reader035.fdocumentos.tips/reader035/viewer/2022062406/558bd78ad8b42aaa308b466e/html5/thumbnails/47.jpg)
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.
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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.
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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.
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Desafios Futuros
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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).
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“A radiação não deve ser temida,
mas sim, respeitada!”(E. Malavolta)
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