Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012

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Utilização da energia nuclear na agricultura 23 11 2012

  1. 1. Utilização da energia nuclear naagriculturaProf. Dr. José Lavres JuniorLaboratório de Nutrição Mineral de Plantas Prof. Eurípedes MalavoltaUNIVERSIDADE DE SÃO PAULOCENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURADiamantina-MG, 26 de novembro de 2012
  2. 2. Sumário• Contextualização• CENA - História• Introdução• Estudos e Aplicações Ecologia Isotópica Ciência dos Alimentos Radioentomologia Geologia e mineralogia Fertilidade do Solo, Adubos e Adubação, NutriçãoMineral de Plantas• Desafios futuros
  3. 3. • ContextualizaçãoDiversas utilizações de energia nuclear, para fins pacíficos,como ferramenta auxiliar para o entendimento da dinâmicade elementos e compostos (e.g. nutrientes, água, pesticidasetc) em estudos de ecologia, física do solo, mineralogia,geologia, biogeoquímica ambinetal; entomologia, ciência dosalimentos, melhoramento genético, nutrição animal enutrição meniral de plantas; fertilidade do solo etc.
  4. 4. Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)
  5. 5. http://www1.folha.uol.com.br/ciencia/1245240-especialistas-da-nasa-comentam-a-nova-descoberta-de-curiosity.shtml
  6. 6. Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)
  7. 7. Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)
  8. 8. • CENA - HistóriaO estabelecimento do CENA derivou da iniciativa de um grupo deprofessores da USP-ESALQ, que vislumbrou o grande potencial do uso detécnicas nucleares em aplicações agropecuárias e ambientais. Diversostrabalhos empregando radioisótopos e radiações foram conduzidos poresses professores com auxílio de outros centros de pesquisas (ex. IEA, atualIPEN) e unidades da USP (FM, IF), após 1955. Com isso, foi iniciado oplanejamento para estabelecer instalações dedicadas e concentradas emúnico local, de forma a racionalizar o uso dos equipamentos já existentes,aumentar a segurança dos laboratórios e promover maior interação entreos cientistas.
  9. 9. • CENA - HistóriaO projeto de criação de uma instalação unificada para a pesquisa comaplicações nucleares em agricultura foi retomado pelos professores daESALQ, que culminou com a criação do Centro de Energia Nuclear naAgricultura por Decreto Estadual 46794, publicado em 22 de setembro de1966, como instituto anexo à ESALQ. O CENA passou então a receber apoiofinanceiro e material da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN)através de acordo assinado em 1968, com duração de cinco anos. Nesseperíodo, foram concluídas as primeiras instalações físicas do CENA.
  10. 10. • CENA - História
  11. 11. • ContextualizaçãoÁTOMOSENERGIA NUCLEARISÓTOPOSRADIOISÓTOPOS
  12. 12. • ContextualizaçãoÁTOMOS ENERGIA NUCLEAR ISÓTOPOSRADIOISÓTOPOS
  13. 13. • ContextualizaçãoChernobyl – 26 abril de 1986 Goiânia – setembro de 1987Idéia Geral(população/mídia)
  14. 14. ENERGY MATRIX: BRAZILIAN RENEWABLE MIXBRAZILIAN ENERGY MIXWORLD ENERGY MIXSource: MME/BEN, 2006Biomass; 29,7%Coal; 6,4%Natural gas; 9,3%Hydraulic andElectricity; 15,0%Oil and OilProducts; 38,4%Uraniun; 1,2%Biomass; 11,2%Coal; 24,1%Natural gas;20,9%Hydraulic andElectricity; 2,1%Oil and OilProducts; 35,3%Uraniun; 6,4%Share of renewable energy in the totalprimary energy: 45%Share of renewable energy in the powergeneration: 85%
  15. 15. O que são isótopos?Introdução
  16. 16. Átomos com mesmo número de prótons (número atômico, Z) e diferentenúmero de nêutrons (N), ou seja, elementos com massas atômicas (A)diferentes: (A = Z+N).Exemplo clássico: elemento hidrogênioHidrogênio Deutério Tritio1 nêutron2 nêutrons(não é estável)Ishida, 2007O que são isótopos?Introdução1 próton 1 próton1 próton
  17. 17. 2) Ou instáveis ou radioisótopos quando emitem radiação - seja em formade 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?IntroduçãoExemplos: 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 deenergia eletromagnética ou partículas subatômicas. Ex: 15N, 34S, 10B, 13C...
  18. 18. Tipos de RadiaçãoIntrodução
  19. 19. Carbono 12C Carbono 13CNitrogênio 15N6 prótons6 nêutrons6 prótons7 nêutronsNitrogênio 14N7 prótons7 nêutrons 7 prótons8 nêutronsIshida, 2007Exemplos de isótopos estáveis com particular interesse emestudo ligados à processos ambientaisIntrodução
  20. 20. Ishida, 2007Abundância média natural dos elementos mais utilizadosem estudos ambientaisIntroduçãoElemento Isótopo AbundânciaHidrogênio 1H 98,984D 0,0155Carbono 12C 98,8913C 1,11Nitrogênio 14N 99,63415N 0,366Oxigênio 16O 99,7617O 0,03718O 0,199Enxofre 32S 95,0234S 4,21
  21. 21. Abordagem para os Isótopos de PotássioIntrodução
  22. 22. Isótopos de Potássio – Geologia e MineralogiaEstudos eAplicaçõesA desintegração de 40K em 40Ar é empregada como método para a dataçãode rochas. O método K-Ar convencional se baseia na hipótese de que asrochas não continham argónio quando se formaram e o formado nãoescapou, de modo que a quantidade presente provém da completa eexclusiva desintegração do potássio original. A medição da quantidade depotássio e Ar-40 fornece o procedimento de datação adequado para adeterminação da idade de minerais como o feldspato vulcânico, moscovita,biotita e hornblenda , geralmente as amostras de rochas vulcânicas eintrusivas que não tenham sofrido alterações.Além da datação, os isótopos de potássio são muito utilizados em estudos doclima e, em estudos sobre o ciclo dos nutrientes por ser um macronutrienteimportante para a vida.
  23. 23. Uso Pacífico da Energia NuclearEstudos eAplicaçõesEngenhariaAgronomiaZootecniaArqueologia (datação 14C) Australopithecus afarensis14C meia vida de aproximadamente 5.730 anos
  24. 24. Linhas de PesquisasEstudos eAplicações1. Criação artificial de moscas das frutas.2. Controle biológico por meio da liberação de parasitóides outécnica do inseto estéril.
  25. 25. Linhas de PesquisasEstudos eAplicações1. Irradiação de alimentos: quarentena e conservação.2. Características físico-químicas de alimentos e bebidas.
  26. 26. Aplicações práticas dos Isótopos Estáveis1. Adulteração de Vinhos2. Adulteração do Mel3. Dieta Alimentar4. Rastreamento e origem de drogasCrédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA
  27. 27. UVas = -28 o/ooCana de açúcar = -12 o/ooVinho = -27 o/oo Cachaça = -11 o/ooFermentação?Crédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA
  28. 28. 1º Experimento fisiológico de NMP – movimento do 42K no xilema (e floema)Estudos eAplicações
  29. 29. Experimento fisiológico de NMP – movimento do 32P no floemaEstudos eAplicaçõesNº seção Porcentagem (contagem) de 32PSeparada Não separadaFloema Xilema Floema XilemaS1 12 1 15 5S2 7 traço 10 6S3 13 0 5 2S4 5 traço 3 1Aplicação de 32P na folha de algodoeiro e arranjamento das seções naregião onde o floema e o xilema foram separados pela introdução de umpapel encerado (a). Distribuição do 32P entre o xilema e o floemaseparados e não separados (b).Adaptado de Biddulph & Markle (1944).(a) (b)
  30. 30. 1º Experimento no Brasil - absorção de 65Zn por orquídeas.Estudos eAplicações
  31. 31. Elemento Espécie Tempo para 50% deabsorçãoNitrogênio (ureia)Citros 1 – 2 HCafeeiro 1 – 6 HMacieira 1 - 4 HFeijoeiro 1 – 6 HBatata 12 – 24 HFumo 24 – 56 HFósforoMacieira 7 – 11 DCafeeiro 6 – 12 DCálcio Feijoeiro 4 DEnxofre Feijoeiro 8 DManganês Feijoeiro 24 – 48 HZinco Feijoeiro 24 HVelocidade de absorção de elementos aplicados às folhas (H – horas; D – dias)Estudos eAplicaçõesAdaptado de Malavolta (2006)
  32. 32. Transporte de radiofósforo (32P) aplicado em folhas de muda de caféEstudos eAplicaçõesFonte: Malavolta (2006)
  33. 33. Fonte: Malavolta (2006)Absorção de 15N-ureia via foliar pelas folhas de algodoeiro emovimento para o capulho (Fonte: Oosterhuis et al. 1989).Estudos eAplicações
  34. 34. Na235SO4aplicado nas raízesSilva et al. (2003) PABTransporte a longa distancia de 35S da raiz para a parte aérea do milhoEstudos eAplicações
  35. 35. Silva et al. (2003) PABNa235SO4aplicado nas folhasDreno forteDreno fraco98% 35S2% 35S0% 35STransporte a longa distancia de 35S das folhas para a raiz da sojaEstudos eAplicações
  36. 36. Fig. Autoradioagrafia de folha decoentro (C. sativum) suprida com0,4 mM 45Ca2+ e posteriormenteexpostas à perda de 0,02 g e 0,2 gde água pela transpiração (a).Imagens mostram a retenção decálcio no centro da folha. (b) Folhasuprida com 40 mM 45Ca2+ eposteriormente exposta à perda de0,2 g de água por transpiração. Ocálcio 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 eAplicações
  37. 37. 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 SocietyEstudos e Aplicações
  38. 38. 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
  39. 39. 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
  40. 40. 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
  41. 41. Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no floemaEstudos eAplicações
  42. 42. Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no xilema de cevadaEstudos eAplicaçõesFig. Transporte à longa distância de 52Mn das raízes para a parte aérea de plantasdeficientes em Mn (a) e plantas bem supridas em Mn (b). As imagens foram obtidas pormeio de autoradiografia.
  43. 43. Tsukamoto et al. (2006)52MnRedistribuiçãoTransporte 52Mn
  44. 44. Page et al. (2006)
  45. 45. Quanto foi absorvido?Quanto foi redistribuído?Boaretto et al. (2002)Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos eAplicaçõesBrotação novasurgida após aaplicação
  46. 46. Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos eAplicações
  47. 47. Lombi E et al. J. Exp. Bot. (2011); 62:273-282Estudos eAplicaçõesMapa dos elementos por análise de florescência de Raio-X de uma seçãolongitudinal de grão de cevada.
  48. 48. Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e AdubaçõesEstudos eAplicações1. Aprendemos na faculdade que, no cálculo para arecomendação de adubação o aproveitamento do Ne do P 70 e 50% (estimativas)2. Comprovou-se com 15N e com 32P que, raramente,esses valores ultrapassavam de 50 e 10%,respectivamente.
  49. 49. Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e AdubaçõesEstudos eAplicações• Eficiência agronômica defertilizantes;• 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 ede uso);• Adubação verde e restosculturais;• Elementos tóxicos.
  50. 50. Desafios Futuros
  51. 51. 1. Auxílio no melhoramento do feijão (fixação biológica do N);Na área da ciência da Nutrição Mineral de Plantas, Fertilidade do Solo, Adubos eAdubação2. Fisiologia e funciomanto de raízes novas – maior aquisição de nutrientes (oupreferência 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 manejoda adubação;5. Pequenos agricultores: culturas (genótipos) mais eficientes na aquisição donutriente – absorção e utilização (> remobilização);6. Novas fontes de nutrientes, bem como a utilização de sub-produtos (produtossecundários) – avaliação da eficiência agronômica (i.e., inibidores denitrificação).
  52. 52. “A radiação nãodeve ser temida,mas sim,respeitada!”(E. Malavolta)Obrigado!E-mail: jlavres@cena.usp.br

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