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Fixação biológica de nitrogênio em culturas energéticas
O que podemos fazer para produzir mais por unidade de energia
investida?
Veronica Massena Reis - Embrapa AgrobiologiaSeropédica, Rio de JaneiroE-mail: [email protected]
Cenário da cana de açúcar no Brasil – Safra 2012/2013 Área plantada: 9,6 milhões de ha
Produtividade média: 71,8 toneladas por ha
Produção estimada: 657 milhões de toneladas
IBGE-SIDRA, (Agosto de 2012)
Consumo de N na cana de açúcar – safra 2012/2013 576 mil toneladas –
Soqueiras
21,5 % de N aplicado na agricultura brasileira
Total = 672 mil toneladas 96 mil toneladas – Cana
planta
Modelo
Balanço energético da produção de etanol a partir de cana
*Source: Boddey et al., 2008, Bio-ethanol production in Brazil. Chapter 13, In: Pimentel, D., (ed.), Biofuels, Solar and Wind as Renewable Energy Systems: Benefits and Risks. Springer, New York pp 321-356.
Modelo teóricoDentro da porteira
Balanço de energia da produção de cana de açúcar no Estado de São Paulo
Impacto da adubação nitrogenada
Hectare / ano
65 kg N 0 kg N 200 kg N
Produção (peso colmos frescos)
84,0 Mg 84,0 Mg 100,0 Mg
Produção de etanol 7224 L 7224 L 8157 L
Entrada energia fóssil GJ GJ GJ
1. Colheita e transporte até a usina
3.53 3.53 4.15
2. Maquinária agrícola 2.20 2.20 2.20
3. Fertilizantes e herbicidas 6.13 3.07 10.80
4. Construções e maquinas 0.40 0.40 0.48
5. Consumo na fáfrica* 0.62 0.62 0.74
TOTAL
12.88 GJ 9.82 GJ 18.37
Produção energia do etanol 134.7 GJ 134.7 GJ 160.4 GJ
Balanço = Energia no bio-etanol/ energia fóssil investida
10.5 13.7 8.7
* Produtos quimicos da industria de processamento como lubrificantes, etc
Contribuição para a absorção de radiação infravermelho por três gases da atmosfera
• CO2 = 1• CH4 = 21• N2O = 320
Atividade específica
Proporção em relação ao impacto total entre 1980 a 2050
• CO2 = 65 %• CH4 = 20 %• N2O = 14 %
De 1980 a 2050 o IPCC estima que a temperature da atmosfera irá aumentar entre 1,5 a 4,7oC
Gases como o CO2, N2O, CH4 e cloro-fluoro-carbonatos (CFCs) absorvem a radiação infravermelha sendo esta energia convertida em calor = gases de efeito estufa
Cenário que apresenta a substituição de parte da gasolina com etanol (5, 10% e 20%)
Mundo: demanda potencial por etanol (bilhões de litros / ano)
Área demandada para cana34,4 milhões de ha(mistura de 20%)
Demanda mundial por etanol nos 3 cenários (em bilhões de litros por ano): 60,1 120,2 e 240,5.
Fontes: IEA, CONAB, IBGE e GV Agro
Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola
2 NH4 + 3 O2 = 2 NO2 + 2 H2O + 4 H+
2 NO2 + O2 = 2 NO3Produção de N2O no solo
Fatores que aumentam as emissões de N2O no solo:
1. Adição de fertilizantes em excesso e não assimilados pelas plantas;
2. Chuvas – aumento atividade microbiológica principalmente em anaerobiose – aceptor de elétrons
Mas para reduzir nitrogênio fertilizante no ciclo de vida da cultura temos que utilizar melhor o N-aplicado = aumento de eficiência e /ou utilizar o processo biológico de fixar nitrogênio atmosférico.
Nitrogênio na cana-de-açúcar
Utilização de N por uma variedade típica plantada em São Paulo(Produção de 84 ton/ha)
N Total (kg N /ha/ano) em:Colmos……..………………………………42 kgPalha……………………………………… 52 kgFolha bandeira (fica no campo) ………....62 kgTotal parte aérea…………..……………156 kg
Removido pela queima e exportado para a usina … 94 kg
Adicionado como fertilizante………….. 65 kg N/ha
Balanço = menos 29 kg N ha (não contando com lixiviação, volatilização e erosão)
N recebido por chuvas - estimada para Piracicaba <9 kg N ha
Contribuição do N fixado biologicamente para variedades de cana-de-açúcar e determinada com diluição isotópica de 15N e balanço de N *
*Fonte: Urquiaga, Cruz & Boddey, 1992, Soil Sci. Soc. Am. J. 56:105-114*Fonte: Urquiaga, Cruz & Boddey, 1992, Soil Sci. Soc. Am. J. 56:105-114
Sugarcane variety
N a
ccu
mu
lati
on
(g
N m-2)
0
5
10
15
20
25
30
35
N from soilN from N2 fixation
O início da pesquisa sobre Fixação Biológica de Nitrogênio (FBN) em gramíneas….
Paspalum notatum – a diferença entre cultivares
Döbereiner, J. Azotobacter paspali sp. n. um bactéria fixadora de nitrogênio na rizosfera de Paspalum. PAB v.1, 1966
Johanna Döbereiner
Termo “inoculante” ou “biofertilizante”• o produto refere-se à utilização de microrganismos
vivos, capazes de promover o crescimento vegetal de forma direta ou indireta, através de diferentes mecanismos, tais como: fixação biológica de nitrogênio, produção de fito-hormônios, solubilizadores de fosfato, biocontrole, entre outros.
A TECNOLOGIA CONSAGRADA RIZÓBIO PARA A SOJA:
USO DE INOCULANTE CONTENDO BACTÉRIA DIAZOTRÓFICA
Sucesso devido à:
1. Seleção de cultivares
2. Seleção de estirpes
3. Testes de eficiência da interação planta-bactéria
Bactérias diazotróficas...• Todas as bactérias diazotróficas tem em comum o
complexo enzimático nitrogenase;• Não só o rizóbio interage com o hospedeiro e forma
nódulos;• Nódulos são estruturas especializadas, mas nem todo
nódulo está fixando nitrogênio – leg-hemoglobina;• Da mesma forma, nem todo diazotrófo forma nódulo.• Mas todos promovem o crescimento do hospedeiro,
desde que a melhor interação entre os dois parceiros funcione neste direção.
As diferentes comunidades diazotróficas de uma planta
rizosferarizoplano
Endófitosfacultativos
Endófitos obrigatórios
Simbioses
Interação planta-microrganismo
Hoje a pesquisa mostra que:
O caso da cana de açúcar: o grande desafio
Propagada por pedaços de colmos – plantio clonal
Plantada em todo território nacional
Novas variedades pouco estudadas são clonadas
Baixa resposta a nitrogênio no campo
Meio de cultivo usado no isolamento
. sem adição de nitrogênio
. semi-sólido
A base da seleção da microbiota associada à planta
Coleção de bactérias diazotróficas:
Embrapa Agrobiologia
Amostras de raízes, colmosfolhas,
isolamento
estirpes
Foto: Ivo Baldani - AgrobiologiaFoto: Rosa Pitard - Agrobiologia
Cana de açúcar e maneiras e aplicar bactérias fixadoras de nitrogênio atmosférico
Plantas micropropagadas
Imersão colmos plantio
Aplicação nas soqueiras
Diferentes, climas,
variedades
Inovação• Inoculante misto: cinco bactérias isoladas de cana-
de-açúcar, não patogênicas e que foram descritas em nosso laboratório – bactérias brasileiras;
• Misturadas no momento da aplicação;• Re-inocular após cada corte;• Aplicadas vivas – suporte pode ser um polímero
(chamado de veículo)• Veículo miscível em água – pulverização direto dos
colmos imediatamente após o corte;
Inoculação usando cana-de-açúcar micropropagada
1. Processo de micropropagação – inoculação “in vitro” (Reis et al., 1999)
2. Aclimatização das plantas
3. Transplante para o campo (Oliveira et al., 2006)
Usina Univalem/COSAN - Valparaíso-SP
Usina Santa Elisa - Orlândia-SP
Usina Cruz Alta/Guarani - Olímpia-SP
Usina Santa Elisa - Ribeirão Preto-SP
Usina Santa Helena/COSAN - Piracicaba-SP
Usina Diamante/COSAN - Jaú-SP
Usina Da Barra/COSAN - Barra Bonita-SP
Usina Goiasa - Bom Jesus de Goiás-GO
Campo Experimental UFSM - Santa Maria-RS
Usina Sapucaia - Campos-RJ
Usina Santa Cruz - Campos-RJ
20 Experimentos10 Estados17 Usinas
Produtividade de colmos de cana-de-açúcar, variedade RB867515, ao longo de quatro colheitas submetida à adubação nitrogenada, inoculação e o controle experimental, cultivada em Cambissolo na usina Santa Cruz - Campos dos Goytacazes - RJ. Teste t (LSD) a 5% de probabilidade.
Produtividade de colmos de cana-de-açúcar, na variedade RB867515, ao longo de quatro colheitas, submetida à adubação nitrogenada, inoculação e o controle experimental, cultivada em Argissolo Amarelo na usina Sapucaia - Campos dos Goytacazes – RJ. Teste t (LSD) a 5% de probabilidade.
Acúmulo de N total na parte aérea de cana planta submetida à adubação nitrogenada, inoculação e o controle experimental, cultivadas em um Planossolo Háplico no campo experimental da Embrapa Agrobiologia – RJ.Tratamentos RB 72454 RB 867515
-------------------------------kg ha-1 ----------------------------------Controle 120,3 b 131,3 aPolímero líquido (IPC 0,8) 137,2 b 139,7 aPolímero gel (IPC 2,2) 189,4 a 139,3 a120 kg ha-1 de N 161,0 ab 148,2 aC.V. (%) 19,6
Médias oriundas de 4 repetições. Valores seguidos das mesmas letras nas colunas não diferem entre si. C.V. = coeficiente de variação. Teste t (LSD) a 5% de probabilidade.
Médias de rendimentos de colmos (Mg ha-1) das variedades dos experimentos da região nordeste
Variedade
Cana planta
2008
1a soca
2009
2a soca
2010
Controle inoculado Controle inoculado Controle inoculado Experimentos
RB867515 95,9 106,1 88,7 88,5 93,1 95,7Usina Cruangi – Fazenda maravilha – PE/ Usina Cruangi – Timbaúba – PE/ Usina Olho D`Água – PE/ Usina Agroindustrial Japungu – PB/ Usina Coruripe - AL
RB72454 90,8 93,7 67,6 76,7 89,1 109,0
RB863129 91,1 92,9 84,1 85,8 104,0 108,1
SP81-3250 94,3 98,6 72,7 67,1 84,0 88,2
RB931011 86,4 89,6 - - - -
RB92579 121,7 133,6 89,9 101,7 89,3 83,5
IAC94-4004 81,8 81,8 - - - -
RB98710 120,7 133,6 81,9 82,5 - -
RB93509 141,7 145,9 - - - -
Médias de rendimentos de colmos (Mg ha-1) das variedades dos experimentos da região nordeste
Variedade
Cana planta2008
1ª soca2009
2ª soca2010
Controle inoculado 120 N Controle inoculado 120 N controle inoculado 120 N
RB867515 95,9 106,1 122,0 88,7 88,5 104,3 93,3 93,5 92,8
RB72454 90,8 93,7 102,6 67,6 76,7 86,9 89,1 109,0 92,3
RB92579 121,7 133,6 105,6 - - - - -
ICA94-4004 81,8 81,8 99,0 - - - - - -
Experimentos: Usina Cruangi – Fazenda maravilha – PE/ Usina Cruangi – Timbaúba – PE/ Usina Olho D`Água – PE/ Usina Agroindustrial Japungu – PB/ Usina Coruripe - AL
Médias de rendimentos de colmos das variedades na região noroeste do estado de São Paulo
Variedades
Cana planta2009
1a soca2010
Controle inoculado Controle inoculado Experimentos
RB867515 111,6 109,5 115,3 112,2
Usina Cruz Alta – Grupo Guarani - SP/ Usina Univalem – Grupo COSAN - SP
RB72454 102,8 115,7 100,4 103,0
RB935744 123,9 132,7 135,6 139,4
SP81-3250 117,7 121,9 91,4 104,1
RB92579 127,3 128,5 118,2 132,7
RB855453 97,7 94,6 107,3 105,8
CTC2 - - 139,2 149,3
CTC4 - - 128,2 144,6
CTC15 - - 132,4 133,6
Médias de rendimentos de colmos (Mg ha-1) dos experimentos de São Paulo
Variedade
Cana planta
2008
1ª soca
2009Experimentos
Controle inoculado 120 N Controle inoculado 120 kg
Usina Cruz Alta – Grupo Guarani /
Usina Univalem – Grupo COSAN RB867515 111,6 109,5 109,9 115,3 112,2 105,0
RB72454 102,8 115,7 110,6 100,4 103,0 116,5
Variedade: SP80-3280
TratamentosControles2 doses do inoculante (1: 1x105 e 2: 1x106 cel mL-1) 3 doses de N (50, 100 e 150 kg ha-1)- Nitrato de amônioTotal: 12 tratamentos
Área experimentalParcelas: 6 linhas de 80 metros – Doses do inoculanteSub-parcelas: 6 linhas de 20 metros – Doses de NEspaçamento: 1,40 m
DelineamentoBlocos ao acaso com 5 repetições – parcelas subdivididas
Área total do experimento: 11,088 m2
Ensaio com soqueira
Sem inoc: y = 66,49 + 0,1177x - R2 = 0,99***
Inoc 1: y = 73,07 + 0,0844x - R2 = 0,85***
Inoc 2: y = 69,34 + 0,10215x - R2 = 0,80***
Produtividade de colmos Segunda soqueira (2008/2009)
CV parcela: 11%CV sub-parcela: 8,7%
Produtividade de colmos Terceira soqueira (2009/2010)
Sem inoc: y = 83,93 + 0,0678x - R2 = 0,69**
Inoc 1: não significativo
Inoc 2: y = 85,45 + 0,2654x - 0,0020x2 - R2 = 0,89**
Tratamentos TCH ATR TAHReceita bruta
Custo CCT
Custo do tratament
o
Custo total
MCA
N(kg ha-
1)
Inoculante
(Dose)*t ha-1 Kg t-1 Kg ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1
0 0 65,85 153,55 10.111 3.531 1.396 0 1.396 2.135
0 1 71,07 153,24 10.891 3.803 1.507 50 1.557 2.246
0 2 66,30 156,68 10.389 3.628 1.406 100 1.506 2.122
50 0 73,36 156,81 11.504 4.017 1.555 103,5 1.659 2.358
50 1 79,36 159,46 12.654 4.419 1.682 153,5 1.836 2.583
50 2 78,32 154,99 12.139 4.239 1.660 203,5 1.864 2.375
100 0 78,25 158,02 12.365 4.318 1.659 207 1.866 2.452
100 1 83,36 156,80 13.071 4.565 1.767 257 2.024 2.540
100 2 80,92 156,72 12.682 4.429 1.716 307 2.023 2.406
150 0 83,85 157,98 13.246 4.626 1.778 310,5 2.088 2.538
150 1 83,80 156,06 13.079 4.567 1.777 360,5 2.137 2.430
150 2 82,46 157,82 13.014 4.544 1.748 410,5 2.159 2.386
Margem de contribuição agrícola (MCA)Safra 2008/2009
Tratamentos TCH ATR TAHReceita bruta
Custo CCT
Custo do tratament
o
Custo total
MCA
N(kg ha-
1)
Inoculante(Dose)*
t ha-1 Kg t-1 Kg ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1 R$ ha-1
0 0 82,45 149,70 12.343 4.648 1747,87 0,0 1747,87 2783,82
0 1 87,10 153,07 13.332 5.021 1846,53 50,0 1896,53 3113,43
0 2 84,62 154,45 13.070 4.922 1794,00 100,0 1894,00 3019,99
50 0 91,04 155,59 14.165 5.335 1930,03 103,5 2033,53 3301,04
50 1 92,10 153,20 14.110 5.314 1952,53 153,5 2106,03 3210,11
50 2 96,12 155,11 14.910 5.615 2037,81 203,5 2241,31 3371,07
100 0 87,78 152,85 13.417 5.053 1860,86 207,0 2067,86 2986,77
100 1 90,98 153,85 13.998 5.272 1928,81 257,0 2185,81 3080,59
100 2 89,16 156,48 13.951 5.254 1890,09 307,0 2197,09 3056,13
150 0 94,84 153,54 14.562 5.484 2010,57 310,5 2321,07 3157,40
150 1 91,62 150,93 13.828 5.208 1942,36 360,5 2302,86 2898,66
150 2 85,30 152,09 12.974 4.886 1702,43 410,5 2112,93 2494,56
Margem de contribuição agrícola (MCA)Safra 2009/2010
Novos produtos que podem vir a atender a demanda de uso de inoculantes
Tecnologias de inoculação de biofertilizantes Descrição
Na semente Veículo – turfa neutralizada Mistura na semente sem adição de adesivo Mistura de turfa com solução aquosa com uso de
adesivo (goma arábica, sacarose, etc) Peletização Inoculante turfoso + calcáreo + fósforo ou
micronutrientes Polímeros cobrindo a semente No solo Inoculante líquido Inoculante íquido aplicado no sulco de plantio Turfa + líquido no sulco de plantio Granular Aplicação de grânulos no sulco de plantio Nos colmos usados para plantio vegetativo No colmo Polímeros cobrindo a superfície Líquido por imersão No sulco Líquido no sulco Spray Sobre o material propagativo no sulco Rebrota Líquido No corte da planta por ocasião da coleta Spray No corte da planta por ocasião da coleta Mergulho do facão de corte Líquido e aplicado na soca por ocasião do corte Fonte: Brockwell, J; 1997. Bio-Care Tecnology Pty Ltd. Inoculant brochure 1998; Thompson, J. 1988. Adapatado para cultivos propagados vegetativamente: Veronica M. Reis, 2006