JBCS

INTRODUÇAO

O solo exerce grande influência sobre os ambientes e as sociedades de maneira geral, sendo ele um dos mais importantes recursos naturais, essenciais para o desenvolvimento do país. Sua formaçao está intimamente ligada à açao de fatores climáticos e biológicos. Em uma boa formaçao no solo, os substratos devem apresentar propriedades químicas e físico-hídricas tal que haja uma retençao adequada de água, para que o processo germinativo ocorra da melhor maneira possível e garanta uma alta capacidade de suprir a demanda nutricional da planta durante seu desenvolvimento.¹

Sabe-se que a Amazônia apresenta, em sua grande extensao territorial, um solo pobre em relaçao à parte nutricional. Entretanto, em determinados pontos, é possível identificar um tipo de solo altamente fértil, chamado terra preta de índio. Este solo contém uma grande quantidade de micro cerâmicas fossilizadas incorporadas nos horizontes da superfície, oriundas, possivelmente, de urnas e utensílios cerâmicos usados pelos índios há sete mil anos atrás.² Devido a essas excelentes características de fertilidade, pesquisadores vêm procurando métodos para reproduçao de solos com um perfil semelhante. Portanto, vem sendo estudada a aplicaçao de biochar como uma estratégia orientada para a gestao da biota e da fertilidade do solo. Este condicionador de solos é produzido a partir da queima de biomassa e de resíduos vegetal ou animal. Por ser um condicionador mais recalcitrante, o biochar pode ser adequado quando combinado com a aplicaçao de compostos orgânicos, bem como associado a microrganismos do solo podendo contribuir significativamente para a melhoria das características físicas, químicas e biológicas do sistema.

Assim, foi proposto um experimento com o objetivo de avaliar o efeito do biochar, de fungos micorrizicos (FMA) e micorrizas associadas ao biochar sobre a nutriçao nitrogenada e a taxa fotossintética de plantas de mamao por meio da espectroscopia fotoacústica.

A espectroscopia fotoacústica de absorçao na faixa do espectro eletromagnético visível é uma técnica alternativa aos métodos convencionais. Esta técnica consiste em medir o calor e o oxigênio liberados pela incidência de luz sobre a folha de uma planta. O processo fotossintético inicia com a absorçao de energia, proveniente da luz. A energia absorvida excita e libera elétrons das moléculas de clorofila, dando início à fase fotoquímica da fotossíntese. Nesta fase é gerado o oxigênio e o armazenamento de energia, no entanto, nem toda a energia absorvida é armazenada, parte dela se dissipa em forma de calor, que pela técnica, é convertida em sinal elétrico, chamado de sinal fotoacústico. A técnica fotoacústica vem sendo muito utilizada por nao necessitar de grande preparaçao da amostra, podendo ser utilizada "in vivo"³ e, também, por possibilitar uma determinaçao mais rápida dos picos das clorofilas nas folhas, em detrimento das técnicas convencionais.

Biochar

A história do biochar começa com a descoberta da chamada "Terra Preta de Indio", levando à realizaçao de estudos em solos antropogênicos na Amazônia.⁴ O biochar é um material sólido obtido da conversao termoquímica de biomassa em um ambiente com ausência ou pouca presença de oxigênio (pirólise). A pirólise permite a fixaçao de 20% a 50% do carbono presente da biomassa. A composiçao do biocarvao pode ser grosseiramente dividida em carbono recalcitrante, instável ou lixiviável e cinzas. A maior diferença química entre o biocarvao e o carvao vegetal é a proporçao de cadeias aromáticas de carbono em suas estruturas, que é maior no biocarvao.⁵

Praticamente, qualquer tipo de biomassa atende à produçao do biochar. Porém, devido às diferenças existentes na composiçao química e na estrutura física e molecular desses materiais, assim como nas condiçoes da pirólise, o biochar obtido ao fim do processo de produçao apresenta características físicas e químicas variáveis. Tais variaçoes promovem no solo diferenças na porosidade, na superfície específica, no pH, na capacidade de troca iônica, recalcitrância, etc.⁶ Essas diferenças refletem nas respostas agronômicas e ambientais.

O biochar apresenta capacidade na retençao de água e de elementos químicos provenientes de adubos orgânicosou minerais, devido à abundância em sua estrutura de micro poros. Estes minerais retidos pelo biochar ligam-se aos grupos carboxílicos e fenólicos carregados negativamente. Tal retençao diminui a lixiviaçao e melhora a eficiência da adubaçao,⁷ por isso é indicado o seu uso como condicionador do solo.

A adiçao deste condicionador de solo influencia diretamente na resposta do solo, nao só na adiçao de água, como também na sua agregaçao, aeraçao, elasticidade e na capacidade de retençao de cátions.

Solos arenosos apresentam baixa microporosidade. A microporosidade é importante na retençao de água e partículas com baixa superfície específica, o que reduz a capacidade do solo de reter os nutrientes por ligaçoes eletrostáticas, como é comum ocorrer nos solos argilosos. Como o biochar tem o poder de reter líquidos e nutrientes em seus microporos, tem, assim, a capacidade demelhorar as características químicas de solos arenosos pelo aumento na quantidade de cargas ativas, possibilitando melhorias semelhantes àquelas dos solos argilosos.⁸

Micorriza

A micorriza é um fungo que tem um papel importante na sobrevivência e no crescimento das plantas principalmente nos trópicos, onde predomina em solos de baixa fertilidade, carentes em fósforo disponível.⁹ A propagaçao desses fungos ocorre através de esporos, do micélio e de fragmentos de raízes colonizadas coletivamente, denominadas propágulos que, ao infectarem as raízes da planta hospedeira, desenvolvem-se e inicia-se uma associaçao mutualística com estas raízes.¹⁰ Sao amplamente distribuídos na maioria dos ecossistemas, desde desertos até florestas, tanto em regioes tropicais e temperadas quanto em regioes árticas. Representam a mais ampla associaçao entre plantas e fungos encontrada na natureza.¹¹ O caráter mutualista da micorriza contribui para a evoluçao e a sobrevivência das plantas terrestres e dos próprios fungos que existem há 400 milhoes de anos.¹²

As micorrizas podem amenizar as limitaçoes causadas pelo homem ao ambiente, pois, quando associadas às raízes, aumentam a capacidade adaptativa das plantas às condiçoes adversas, como a baixa disponibilidade de nutrientes (N e P), ao estresse hídrico, ao pH baixo, à temperatura elevada, a diminuiçao da atividade microbiana.¹³ Além disso, as micorrizas permitem a interconecçao entre plantas de mesma e de diferentes espécies promovendo a transferência de nutrientes entre elas.¹⁴ Em geral, plantas colonizadas por micorrizas eficientes sao mais competitivas e têm maior capacidade de sobrevivência em solos de baixa fertilidade.¹⁵

Diminuiçoes observadas ocasionalmente na populaçao de fungos micorrízicos podem ser causados pela alta disponibilidade de nutrientes no solo, assim, reduzindo a necessidade da planta pela simbiose.¹⁶ Alteraçoes acentuadas nas condiçoes do solo, como por exemplo, variaçao do pH, salinidade ou contaminaçao por metais pesados, também podem alterar a colonizaçao micorrízica.¹⁷ Com isso a aplicaçao de condicionadores do solo, como o biocarvao, pode alterar a sobrevivência das micorrizas, a interaçao planta hospedeira-fungo micorrízico e as respostas da planta à inoculaçao. Os sistemas de poros internos das partículas de biocarvao podem proteger o micélio extra-radical de herbívoros.¹⁸ Além disso, a sorçao de compostos de sinalizaçao, desintoxicaçao de alelo químico, propriedades físico-químicas do solo ou efeitos indiretos através de alteraçoes sobre outras populaçoes microbianas do solo podem indiretamente afetar as micorrizas.¹⁸

O Processo da Fotossíntese

A energia solar é essencial para a evoluçao da vida na Terra. A fotossíntese é o processo através do qual as plantas, algas e certos tipos de bactérias verdes convertem energia luminosa em energia química, paraa síntese de compostos orgânicos.

Ela resulta na liberaçao do oxigênio, pela quebra da molécula de água, enquanto o gás carbônico é removido da atmosfera e usado na síntese de carboidratos (C_nH_2nO_n) Este processoé composto por uma cadeia de reaçoes de óxido-reduçao que pode ser resumida através da Equaçao 1:¹⁹

O processo de fotossíntese pode ser dividido em duas séries de reaçoes. A primeira depende da absorçao de luz e consiste na divisao da molécula de água e na produçao de oxigênio e compostos armazenadores de energia, entre eles o ATP (trifosfato de adenosina) e NADPH (Nicotinamida Adenina Dinucleótido Fosfato). Esta absorçao acontece em moléculas (ou pigmentos), como as clorofilas e os carotenóides, formando o chamado "sistema de antenas", que sao os centros de reaçao fotossintética, onde ocorrem as transferências primárias de elétrons, ou seja, excita os elétrons das moléculas de clorofila que saem da estrutura, dando início à fase fotoquímica da fotossíntese. Assim, os pigmentos fotossintetizantes absorvem a luz e impulsionam a fotossíntese.²⁰ As distâncias entre os pigmentos e sua orientaçao relativa seguem um arranjo geométrico fixo que facilita a transferência da energia captada da luz e a transferência de elétrons nos centros de reaçao.²¹ Na etapa seguinte, estes compostos sao usados para produzir carboidratos, proteínas e lipídios a partir do gás carbônico atmosférico.¹⁹

A partir dessas discussoes, será possível efetuar relaçoes entre as características fisiológicas e os perfis da fotossíntese. Podendo se destacar que a espectroscopia fotoacústica, por ser uma técnica mais sensível do que às utilizadas na Bioquímica, deverá perceber mais rapidamenteas mudanças estruturais e morfológicas nas folhas.

Aqui, a análise da fotossíntese será utilizada para qualificar os solos tratados com combinaçoes distintas de micorriza e/ou biochar, através de folhas de mamoeiro Golden (Carica Papaya L) cujas plantas estao acondicionadas em vasos com as amostras de solo investigadas neste trabalho.

Ciência Fototérmica

A Ciência Fototérmica é uma das ciências responsáveis pela conversao da energia de radiaçao eletromagnética em energia térmica. Esse fenômeno é definido por Efeito Fototérmico.²² A aplicaçao desta ciência pode ser realizada através das técnicas fototérmicas, normalmente utilizadas para a caracterizaçao térmica de materiais. Elas englobam uma série de técnicas, dentre elas a Espectroscopia Fotoacústica, Lentes Térmicas, Deflexao Fototérmica, Difraçao Fototérmica, Radiometria Fototérmica e Espectroscopia de Interferometria Fototérmica. Isso permite uma gama de aplicaçoes a uma série de materiais, abrangendo os três estados físicos da matéria: sólido, líquido e gasoso. Essa conversao pode estar associada a algumas particularidades do material absorvente, uma vez que tal efeito pertinente à excitaçao dos estados eletrônicos de átomos e/ou moléculas gera a emissao de ondas eletromagnéticas nao radiativas, sob a forma de energia/calor. A espectroscopia fototérmica é bem apropriada, por exemplo, para análises químicas que exijam ultrasensibilidade.²³ Dentre as diversas técnicas compreendidas pela Ciência Fototérmica, faz-se presente a Fotoacústica, cujo fenômeno está relacionado com a absorçao da radiaçao de uma onda eletromagnética por uma amostra e a sua conversao em uma onda acústica, devido à variaçao de pressao ocasionada pelo aquecimento da mesma. A energia absorvida propaga-se de maneira amortecida, sob a forma de ondas térmicas em seu interior. O primeiro efeito desse gênero foi observado por Alexander Graham Bell, em 1890, quando estudava um aparelho capaz de converter luz em som, que posteriormente foi denominado "photophone". Em seguida, Bell se dedicou a investigar os efeitos fotoacústicos em líquidos e gases.²⁴ Com o advento do microfone, em 1938, aumentou o interesse por experimentos qualitativos e quantitativos em gases e surgiram diversas teorias a respeito. Basicamente, o aparelho inventado por Bell possuía o seguinte princípio de funcionamento: por meio de um espelho, ele focalizava os raios solares sobre uma membrana, a qual vibrava sob o efeito de sua voz. O feixe de luz modulado era direcionado a uma célula de selênio, integrada a um circuito eletrônico de um telefone, que transformava a luz em som.²²

Com o aparecimento dos lasers na década de 70, houve uma expansao significativa das técnicas fototérmicas. Em 1976, surge o primeiro modelo teórico do efeito fotoacústico em sólidos, proposta por Rosencwaig e Gersho.²⁴ Outros pesquisadores continuaram desenvolvendo modelos matemáticos para melhor entender a técnica e suas diversas formas de aplicaçao. Hoje a espectroscopia fotoacústica tem aplicaçoes nao apenas na Física, mas na Química, Biologia, Agronomia, Medicina e Engenharias.²⁵

Modelo RG (Rosencwaig e Gersho)

O modelo RG baseia-se em uma luz modulada que incide na amostra em contato com uma câmara de gás (geralmente o ar) de espessura l_s e um suporte de espessura l_b. A câmara de gás é fechada por uma janela de quartzo (transparente à radiaçao incidente) e acoplado a esta câmara há um microfone que detecta variaçoes de pressao no gás. A Figura 1 mostra um desenho esquemático da célula fotoacústica fechada.²⁴ A configuraçao unidimensional do padrao da célula fotoacústica consiste em uma amostra sólida colocada dentro de uma pequena célula cheia de gás (ar) a uma distância l_g de uma janela de vedaçao transparente, pela qual incide um feixe de luz modulado. Admite-se que o gás nao absorva a energia da radiaçao proveniente de uma fonte que passa pela janela e que atinge a amostra. Um microfone capacitivo, inserido numa das paredes laterais da célula, capta as flutuaçoes de pressao no gás (sinal fotoacústico).

Figura 1. Esquema da célula fotoacústica do modelo RG

Assim, opticamente, podemos classificar as amostras comparando a sua espessura l_s com o seu comprimento de absorçao óptica l_β:

Se l_s >> l_β → amostra opticamente opaca.

Se l_s ≅ l_β → amostra absorvedora.

Se l_s < l_β → amostra opticamente transparente.

Termicamente, a classificaçao é feita através da comparaçao entre a espessura da amostra l_s e a profundidade que alcança o calor dentro da amostra, definido como comprimento de difusao térmica, µ_s:

Se l_s < µ_s → amostra termicamente fina.

Se l_s > µ_s → amostra termicamente grossa.

A quantidade de radiaçao transformada em calor fica relacionada diretamente com as propriedades de absorçao, difusao e espessura da amostra absorvedora da radiaçao, que é baseada na Equaçao 2:

onde,

Aqui, é a razao entre os calores específicos, T₀ é a temperatura média na superfície da amostra, P₀ é a pressao ambiente e ω = 2πf é a frequência angular de modulaçao, , e . A Tabela 1 apresenta as grandezas normalmente presentes nas equaçoes fotoacústicas.

A Equaçao 2 indica a expressao geral da variaçao de pressao dentro da câmera fotoacústica, quando o mecanismo de difusividade térmica é predominante na geraçao do sinal fotoacústico.²⁶ É importante ressaltar que a coluna fronteiriça de gás, 2πµ_g, é que vai responder termicamente à variaçao periódica da temperatura na superfície da amostra, provocando um gradiente de pressao na camada de gás, resultando na formaçao de um pistao acústico, cuja variaçao de pressao é transformada em sinal fotoacústico, capturado pelo microfone embutido na célula fotoacústica.

A Espectroscopia fotoacústica

Esta técnica começou a ser aplicada no estudo da fotossíntese em 1976, por Adams M. J, ao obter o espectro fotoacústico de uma soluçao preparada a partir da clorofila extraída de folhas de espinafre.²⁷ Dois anos depois, Rosencwaig mostrou ser possível obter o espectro fotoacústico de uma folha, colocando-a em uma célula fechada.²⁴ Em 1986, Perondi e Miranda apresentaram a Célula Fotoacústica Aberta (OPC).²⁸ E poucos anos depois, a OPC também foi introduzida no campo de estudo da fotossíntese.²⁶

Entre outras aplicaçoes, a Espectroscopia Fotoacústica é empregada também na caracterizaçao das propriedades térmicas da matéria, particularmente o da medida de difusividade térmica,^2,29,30 efusividade térmica e do tempo de relaxaçao nao radiativo.³¹ A difusividade térmica é um parâmetro que indica a velocidade com que o calor se propaga dentro da amostra, até chegar a um valorconstante. Por outro lado, a efusividade térmica indica a impedância térmica da amostra, isto é, o quanto de calor a amostra absorve de um meio externo. A capacidade térmica mostra o quanto de calor um material consegue armazenar dentro de seu volume. Finalmente, a condutividade térmica refere-se à velocidade com que o fluxo de calor incidente, que promove um aquecimento superficial na amostra, atinge as suas regioes mais frias. Todos estes parâmetros estao diretamente ligados às microestruturas da amostra e cada material apresenta propriedades térmicas únicas. Destaca-se a importância desta técnica na área de materiais biológicos, uma vez que possibilita o estudo in vivo, deixando intactas as amostras.^26,32

Uma utilizaçao bem apropriada para esta técnica é no estudo da fotossíntese, que se refere à utilizaçao de energia química pelas plantas, para a produçao de substancias orgânicas a partir do gás carbônico (CO₂) e da água (H₂O).  Na fase fotoquímica, durante a quebra das moléculas da água, que se formam as moléculas de oxigênio que sao liberadas na atmosfera. Particularmente, o processo da fotossíntese implica em liberaçao - ou absorçao - de gás, o que produz mudanças de pressao no volume restrito da câmara fotoacústica. Este efeito de variaçao de pressao foi chamado de efeito bárico. A componente bárica demora um período de tempo para ser observada, devido à complexa cadeia de reaçoes fotoquímicas que deve ser percorrida até a liberaçao do O₂.³³

Segundo Barja,¹⁹ a evoluçao do oxigênio é provocada na expansao isobárica do espaço intercelular com subsequente compressao adiabática do gás na câmara fotoacústica. Assim, pode-se medir a componente fotossintética da variaçao de pressao, isto é, P₀₂, de acordo com Equaçao 3

onde R é a constante dos gases e ψ_(t)é a oscilaçao média da concentraçao molar em torno do valor P₀/RT₀. Esta variaçao da concentraçao se relaciona com o fluxo modulado de oxigênio, q₃, na interface (z = l₂ + l₃) entre a parede celular e o espaço intercelularde acordo com a Equaçao 4.

onde Sendo definido η_mA como a área superficial total das células dos mesófilos para uma área foliar A; η_c  é a razao entre a área formada pela projeçao dos cloroplastos no plano das paredes celulares e a área total (η_mA) destas; V_T representa o volume do gás na câmara fotoacústica e mais volume do espaço intercelular correspondente à área foliar A.

Depois que as clorofilas absorvem a luz incidente, o oxigênio é formado após uma sequência de reaçoes de oxirreduçao. O sistema de fotossíntese possui clorofilas a e b em quantidades semelhantes, captando comprimentos de onda mais curtos que os captados pelos sistemas que possuem alta concentraçao de clorofila a, captando essencialmente radiaçoes de comprimento de onda longo. Podemos escrever a componente fotossintética P_O2 da variaçao de pressao na seguinte Equaçao 5:

onde o termo complexo Fe^i(φ+ωt) depende da constante de tempo k de evoluçao de O₂ das permeabilidades das membranas e também das espessuras l₁, l₂ e l₃, conforme a Figura 2. A pressao devida à taxa de evoluçao do O₂ (P_O2) é determinada por meio da dependência do ângulo de fase φ da atividade fotossintética com a frequência de modulaçao.

Figura 2. Seçao transversal esquemática de célula do mesófilo (Figura fora de escala). O cloroplasto tem espessura l₁, o citoplasma l₂, a parede celular l₃ e o espaço intercelular l₄,(despreza-se a espessura das membranas celulares. Adaptaçao Barja¹⁹)

Portanto, a luz incidente na folha chega aos cloroplastos e o oxigênio ali evoluído e difundido pelo estroma, passa pelas membranas, atravessando o citoplasma, a membrana plasmática e a parede da célula até o espaço intercelular, aumentando a concentraçao do O₂ e, consequentemente, a pressao neste meio. Para este fenômeno foi utilizado o sistema de espectroscopia fotoacústica de absorçao no espectro do visível (PAS) como indicado na Figura 3, constituindo de uma lâmpada de xenônio como fonte de luz. Após a lâmpada de xenônio, existe um monocromador, para realizar uma varredura do comprimento de onda da luz modulada e em seguida a luz é modulada por um modulador mecânico, chopper.²¹

Figura 3. Esquema do Espectrômetro Fotoacústico

É importante ressaltar que em sistemas convencionais, esta taxa só pode ser medida depois de vários minutos, pela necessidade de se deixar acumular uma determinada densidade de O₂. Enquanto que, usando a técnica fotoacústica, a evoluçao de O₂ já é detectada logo no primeiro minuto.

A PAS é uma técnica simples que permite obter espectros de absorçao nas regioes do ultravioleta ao infravermelho para uma grande variedade de materiais, tais como: sólidos, , líquidos, gases, pós, géis, filmes, entre outros, fornecendo tanto informaçoes qualitativas como quantitativas sobre o material analisado.³⁴ A amostra é colocada dentro de uma célula vedada preenchida por gás, na qual um feixe de luzvindo do chopper incide sobre a amostra, através de uma janela transparente (célula fotoacústica fechada). No interior da célula encontra-se um microfone capacitivo que, na realidade é o detector.

A energia da radiaçao modulada absorvida pela amostra é convertida em energia térmica, gerando flutuaçoes de pressao dentro da célula. Essas flutuaçoes sao detectadas pelo microfone que as converte em sinal elétrico que neste sistema é chamado de sinal fotoacústico (S_PA).²⁴

O sinal fotoacústico obtido é proporcional ao produto do espectro de emissao da luz incidente, I(ν) e pela energia dos fótons absorvidos, hn. Grande parte da energia incidente na folha é armazenada como energia química, sendo posteriormente utilizada na síntese de compostos necessários ao desenvolvimento da planta pela fotossíntese. Este armazenamento diminui a quantidade de luz absorvida que é transformada em calor. Assim, este efeito é chamado de perda fotoquímica, que pode ser descrita conforme Equaçao 6, relacionado ao balanço de energia do sistema vegetal sob incidência de luz.³³

Como este produto difere para cada comprimento de onda, torna-se necessário normalizar os sinais medidos das amostras, pelo espectro da fonte de luz. Normalmente, para determinar este espectro, utiliza-se um carvao padrao.

Os diferentes mecanismos, através dos quais os pulsos de calor produzidos na amostra geram ondas acústicas no gás, sao basicamente três: a difusao de calor da amostra para o gás, a expansao térmica da amostra e a flexao termoelástica da mesma. A ocorrência ou nao de um ou outro mecanismo e a predominância de um sobre o outro dependem das condiçoes experimentais, bem como do material a ser estudado.^31,35 A expansao térmica pode ser entendida como o aquecimento periódico da amostra (devido aos pulsos de calor na amostra), acarretando uma oscilaçao da temperatura média. Como consequência, a amostra expande e contrai periodicamente, de forma que sua superfície em contato com o ar passa a funcionar como um pistao vibratório, gerando ondas acústicas no gás.^31,35 A flexao termoelástica surge devido à existência de um gradiente de temperatura ao longo da espessura da amostra, pois a absorçao decresce à medida que a luz penetra no material.^31,35 Este gradiente de temperatura faz com que a expansao térmica seja diferente para diferentes planos da amostra (perpendiculares ao gradiente), induzindo a uma flexao da mesma na direçao do gradiente, se suas bordas estiverem presas. Este processo é também periódico (semelhante à vibraçao da membrana de um tambor), gerando ondas acústicas no gás. Na difusao térmica, o pulso de calor produzido na amostra é transmitido ao gás, que ao expandir-se periodicamente, gera a onda acústica. As ondas acústicas também podem ser geradas a partir da variaçao do número de moléculas na câmera fotoacústica. Este é o caso das folhas vegetais, onde se tem o consumo do CO₂ e a induçao do O₂ durante a reaçao da fotossíntese. Uma vez que a luz incidente é modulada, tanto o consumo de CO₂ quanto a induçao do O₂ serao também modulados.

Desde os primeiros estudos da aplicaçao da Espectroscopia Fotoacústica em folhas vegetais,³⁶ muitos trabalhos sao feitos com pedaços da folha, isto é, tem que seccionar a folha para inserí-la dentro da célula fotoacústica. No entanto, o uso da técnica OPC permite que as medidas sejam feitas "in vivo", ou seja, diretamente com a folha na própria planta.³⁷

PARTE EXPERIMENTAL

Tratamentos e instalaçao e conduçao do experimento em casa de vegetaçao

O experimento foi conduzido em delineamento em blocos cazualizados (3 blocos) com quatro tratamentos sendo eles: 1 - com biochar; 2 - com FMA; 3 - com biochar + FMA; 4 - testemunha (sem biochar e sem FMA) nestes tratamentos foram cultivadas plantas de mamoeiro Golden (Carica Papaya L) em vasos de 4 dm³.

O experimento foi realizado na casa de vegetaçao do laboratório de solos da Universidade Estadual do Norte Fluminense, para tal foram coletadas amostras de um solo argiloso do município de Sao Francisco de Itabapoana- RJ.Sendo previamente seco ao ar e à sombra por 5 dias.

Após serem secas, as amostras de solo foram encaminhadas ao Laboratório de Análise de Solos da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro para a realizaçao das análises químicas, de acordo com a Tabela 2. O solo foi separado em amostras de 4 dm³. Cada amostra recebeu 0,29 g dm^-3de calcário (PRNT- Poder Real de Neutralizaçao Total de calcário 80%), com recomendaçao baseada na análise do solo e para elevaçao da Saturaçao de bases para 60%. O solo foi homogeneizado e mantido a 60% da sua capacidade de campo em sacos plásticos sobre a bancada da casa vegetal para incubaçao. Após 30 dias da calagem o solo foi adubado com 15 mg dm^-3 de P na forma de fosfato de rocha e em seguida foram submetidos  aos tratamentos, ou seja a aplicaçao do biochar e inoculo da micorriza.

O biochar foi produzido a partir da pirólise de cama de aviário a uma temperatura de 400 ºC, sendo homogeneizado antes da deposiçao nos vasos. O biochar apresentou 267 g dm³ de densidade aparente e a caracteristica química de acordo com a Tabela 3. O biochar foi aplicado no solo a 1% V/V correspondendo a 2,7 g dm³ de solo.

O fungo micorrízico utilizado da espécie Rhyzophagus Clarum, pertencente ao banco de inóculos do Laboratório de Microbiologia do Solo/CCTA/UENF, previamente multiplicada em plantas de Brachiaria brizantha. O inoculante constou de um solo inóculo, contendo cerca de 1200 esporos/dm³ de inoculantes, suas raízes colonizadas e hifas.

Foram adicionados ao solo incubado 110,4 g inóculo de micorriza para os tratamentos contendo FMA, 11 g de biochar por vaso para os tratamentos contendo biochar. As amostras de solo junto com o biochar e/ ou FMA foram homogeneizadas e, logo após, depositadas nos vasos de 4 dm³ de capacidade.

Em seguida, foram semeadas seis sementes de mamao por vaso. As sementes de mamao foram inicialmente lavadas para a retirada do sarcotesta que envolve a semente para facilitar a germinazaçao.

Após 20 dias do semeio, foi realizado um desbaste, mantendo-se uma única planta de porte médio em cada vaso. As plantas foram irrigadas diariamente com água filtrada e deionizada e monitoradas quanto ao aparecimento de pragas, doenças e sintomas de deficiência nutricional. Passados 80 dias do semeio, as plantas sob tratamento de controle apresentaram sintomas de deficiência nutricional recebendo, entao 0,025 g dm^-3 de N e 0,1 g dm^-3 de K nas formas de uréia e KCl, respectivamente, permanecendo por mais 40 dias nos vasos sob irrigaçao. As folhas foram contabilizadas. Foi entao realizada a leitura do SPAD na terceira folha a partir do ápice e, por meio do determinador portátil de Clorofila SPAD-502.⁴⁰ A parte aérea das plantas foi cortada, seca em esturfas de circulaçao forçada de ar a 65 ºC por 72 horas, em seguida foi determinada o peso da biomassa seca. Esta foi moída e submetida a digestao sulfúrica onde foi determinado o teor de Nitrogênio. O conteúdo de Nitrogênio foi obtido pela multiplicaçao do teor pelo peso da parte aérea.

Análises realizadas no Laboratório de Ciências Físicas no Centro de Ciências Tecnológicas da Universidade Estadual do Norte Fluminense Darcy Ribeiro (LCFIS-CCT-UENF)

No laboratório de Ciências Físicas (LCFIS) da UENF, foi utilizada a espectroscopia fotoacústica de absorçao de luz no visível com o objetivo de identificar os picos de absorçao das clorofilas a e b e da cutícula das folhas de mamao retiradas dos vasos aos 120 dias após o semeio. O sistema de medidafoi constituído de uma fonte de luz, neste caso, uma lâmpada de xenôniode alta pressao a arco (Oriel Corp., modelo 6269) de 1000 W de potência, cujo feixe foi periodicamente interrompido por um modulador mecânico (Princeton AppliedResearch, modelo 192). Um monocromador (Oriel Corp., modelo 77250) de 0,25 m de distância focal com uma rede de difraçao de 300 linhas por milímetro (Oriel Corp., modelo 77300) para a seleçao dos comprimentos de onda de interesse. A frequência de modulaçao usada é 17 Hz. O feixe de luz modulado incide diretamente na amostra que é inserida na célula fotoacústica fechada (MTEC modelo 300). O sinal do microfone da célula é enviado para o amplificador Lock-in da Stanford modelo SR830 e os dados foram coletados pelo computador. O espectro da lâmpada de xenônio é registrado, utilizando-se um carvao padrao e está representado para o intervalo de comprimento de onda de 250 nm a 750 nm. O sinal das amostras de folhas é normalizado com o sinal do carvao.

Foram utilizados para a espectroscopia fotoacústica, a segunda ou a terceira folha a partir da base das plantas de mamao com 120 dias de cultivo.

RESULTADOS E DISCUSSAO

Crescimento e nutriçao do mamoeiro

Plantas cultivadas sem micorriza e sem biochar (testemunha) apresentaram menor número de folhas (Figura 4) que as plantas cultivadas em presença desses componentes.

Figura 4. Quantidades das folhas em plantas de mamoeiros aos 120 dias de cultivo em solos com: testemunha (T), B (Biochar), M+B (Micorriza e Biochar) e M (Micorriza)

A Figura 5 apresenta fotografias das mudas de mamoeiros, aos 120 dias de cultivo, com os diferentes tratamentos. Foram observados que as mudas do controle (testemunha) apresentaram clorose (ficaram amareladas) e também menor crescimento em relaçao aos demais tratamentos.

Figura 5. Fotografias das mudas de mamao cultivadas por 120 dias: a) mamoeiro cultivado em solo tratado com micorriza e biochar (M+B); b) cultivado em solo tratado com adiçao de micorriza (M); c) mamoeiro cultivado em solo sem tratamento (T); d) mamoeiro cultivado em solo tratado com biochar (B)

Observa-se que as plantas das Figuras 5(a), 5(b) e 5(d) apresentaram uma cor verde (clorofila) mais intensa, ou seja, sinalizando uma planta com melhor qualidade nutricional aos tratamentos com micorrizas, micorrizas+biochar e biochar respectivamente. Já a planta referente à Figura 5(c) (testemunha) apresentou folhas amareladas, indicando uma planta com baixa eficiência metabólica. A ausência da cor verde indica a falta de clorofila.

O número de folhas na planta inoculada com micorriza aumentou porque, além de melhorar o estado nutricional das mudas, os FMAs aceleram seu crescimento e promovem um maior vigor na fase de sua formaçao.⁴¹ Também favorece a adaptaçao das plantas a diferentes ecossistemas, aumentando a tolerância a fatores bióticos e abióticos estressantes.⁴² O biochar apresenta nutrientes na sua composiçao e parte desses nutrientes está disponível para plantas (Tabela 2). A micorriza juntante com o biochar proporciona um efeito aditivo positivo na planta como pode ser observado na Figura 5(a) indicando planta com maior vigor.

Uma forma de quantificaçao dos pigmentos fotossintéticos (clorofila e carotenóides) pode ser realizada por meio do determinador portátil de clorofila SPAD-502.⁴⁰ Na análise da intensidade de cor verde, medida pelo spad (Figura 6), a segunda folha do mamoeiro aos 120 dias de cultivo, contando a partir do ápice, percebeu-se uma maior intensidade nas plantas do tratamento com micorriza + biochar, seguido do tratamento com aplicaçao somente de biochar e, após, somente de micorriza. As plantas do tratamento controle apresentaram uma menor intensidade de cor verde, confirmando o que é visualizado na Figura 3(c), ou seja, as plantas encontram-se visivelmente mais amareladas. A coloraçao verde está associada ao teor de clorofila da folha. A molécula de clorofila apresenta nitrogênio em sua estrutura. Assim é importante a avaliaçao da quantidade de Nitrogênio pelas folhas.

Figura 6. Valores médios da leitura do SPAD (intensidade de cor verde) em folhas de plantas de mamao cultivado por 120 dias com os tratamentos T (testemunha), B (Biochar), M+B (Micorriza e Biochar), M (Micorriza)

A análise foliar, que é uma das técnicas utilizadas para a avaliaçao do estado nutricional das plantas, possibilita verificar a ocorrência de deficiências, toxidez ou desequilíbrio de nutrientes. No conteúdo de Nitrogênio foi observado menor valor no controle e maior no tratamento M, M + B e B. Segundo Silva et al.,⁴³ o nitrogênio  é considerado um dos nutrientes com maiores incrementos na produtividade do mamoeiro. Cruz et al.,⁴⁴ relatam que o mamoeiro sob deficiência de nitrogênio pode acarretar na reduçao do crescimento e alteraçao na massa seca. Para a variedade Golden, todos os parâmetros de crescimento das plântulas do mamoeiro podem ser prejudicados pela deficiência de nitrogênio, sendo a área foliar o componente mais afetado.⁴⁵

O conteúdo de nutrientes, analisado na Figura 7, retrata a quantidade do elemento que foi acumulado na planta. No presente experimento o FMA aumentou em torno de 1050% a aquisiçao do Nitrogênio, no entanto o FMA + Biochar aumentou a aquisiçao de Nitrogênio e em torno de 2164% em relaçao à testemunha e só a aplicaçao do biochar apresentou em aumento atual de 3374% também em relaçao à testemunha. O maior acréscimo no conteúdo de Nitrogênio no tratamento com biochar ocorreu, provavelmente porque somente a planta utilizou o nitrogênio e já no tratamento com FMA e FMA + Biochar, as micorrizas também utilizaram o nitrogênio, reduzindo, assim, no conteúdo na planta. Apesar disso, na leitura do SPAD (intensidade de cor verde) os valores nao diferiram (Figura 6) entre os tratamentos M + B, M e B, confirmando o aspecto visual observado na Figura 5, onde somente as plantas do controle estao amareladas.

Figura 7. Conteúdo de nitrogênio em folhas de mamoeiro aos 120 dias de cultivo em solo com os seguintes tratamentos: controle (T), Biochar (B), Micorriza+Bichar (M+B) e Micorriza (M)

As relaçoes simbióticas mutualísticas das micorrizas com as raízes das plantas sao associaçoes que propiciam a absorçao de nutrientes.⁴⁶ No entanto, os microrganismos também requerem os nutrientes para seu metabolismo. O baixo conteúdo do nitrogênio na testemunha (Figura 7) provavelmente acarretou a clorose visível nas folhas (Figura 5C) que foram também identificados pelo menor valor na intensidade de cor verde avaliada pelo SPAD (Figura 6). Torres Netto et al.,⁴⁰ correlacionaram a leitura do SPAD ao teor de clorofila e também aos teores de Nitrogênio.

Análise fotoacústica em folhas de mamao em funçao de diferentes manejos

Foram obtidos os espectros das folhas de mamoeiros cultivados em solos tratados com FMA, com biochar, com biochar + micorrizas e em plantas nao submetidas a tratamentos (testemunha).

Para qualificar a eficiência da aplicaçao do biochar e das micorrizas, foram avaliados os espectros de duas folhas de mamoeiro (Figura 8) cultivadas no solo tratado com M + B e em ausência desses componentes (T). Os picos de absorçao concordam com os comprimentos de onda típicos da espectroscopia de absorçao no visível de folhas, isto é, por volta de 320, 480 e 680 nm que representam a cutícula, (a cera que protege a folha contra agentes externos), o pico mais dominante da clorofila b e o pico mais dominante da clorofila a, respectivamente.⁴⁷ Como ilustrados na Figura 8, nota-se uma maior absorçao por parte da cutícula e das clorofilas a e b no espectro para otratamento M + B, demonstrando a eficiência desse tratamento, apresentando, ainda, um reforço na cutícula das folhas.

Figura 8. Espectros de absorçao para a luz visível de folhas de mamoeiro cultivado por 120 dias em solo que recebeu o seguinte tratamento:(M+B ) com Micorriza e com Biocarvao (BM); Testemunha (T) sem Micorriza e sem Biocarvao. Picos de absorçao da cutícula em ~320nm, da clorofila b em ~ 480nm e da clorofila a em ~680nm

Para uma melhor visualizaçao dos dados, os gráficos foram reduzidos às médias das repetiçoes e em seguida foram coletadas apenas as intensidades relativas dos picos de absorçao, em funçao dos comprimentos de onda relacionados às clorofilas (a e b) e cutícula. Por fim, as medidas de todas as folhas foram reunidas na Figura 9.

Figura 9. Amplitude Relativa para a absorçao na luz visível de folhas de mamoeiro cultivado em solos com os seguintes tratamentos: A) sem micorriza e sem biochar(T); B) com micorriza e com biochar(M+B); C) com micorriza e sem biochar (M); D) sem micorriza e com biochar(B). Picos de absorçao da cutícula em ~320nm, da clorofila b em ~480nm e da clorofila a em ~680nm

É possível notar que a folha das plantas submetidas ao tratamento Micorriza+Biochar (Figura 9B) mostrou uma melhor eficiência na fotossíntese e no fortalecimento da cutícula em relaçao às plantas do solo da testemunha (Figura 9A). Justifica-se este maior rendimento devido à presença da micorriza junto com o biochar. Como já dito anteriormente, a associaçao micorrízica está diretamente envolvida na nutriçao mineral das plantas, favorecendo seu crescimento e desenvolvimento. Esse benefício ocorre porque esses fungos colonizam o sistema radicular dos vegetais e expandem suas hifas no solo, absorvendo água e nutrientes e transferindo-os para as raízes colonizadas. Além disso, a planta, ao produzir fotossintato no processo de fotossíntese, transfere esses compostos carbônicos para a micorriza. A queda no teor de fotossintato na planta é um estímulo para a planta aumentar ainda mais a taxa fotossintética.

Observa-se que o tratamento com Biochar (Figura 9D) apresentou um pico nas clorofilas a e b maior que o da folha das plantas cultivadas como no tratamento com micorriza (Figura 9C). Pode-se justificar que o biochar apresenta nutrientes provenientes da biomassa original (cama de frango), que estao acumulados nos seus poros e que se encontram em forma prontamente disponível para a planta,⁴⁸ que podem ser assimilados e incorporados a moléculas carbônicas reduzidas pela fotossíntese, estimulando mais a taxa fotossintética no tratamento com biochar.

O cultivo das plantas em solos com o tratamento biochar e micorriza proporcionou um efeito aditivo no estímulo à taxa fotossintética, nao somente pela maior demanda de carboidratos para nutrir também as micorrizas, mas, além disso, por estas transferirem por meio das suas hifas os elementos químicos presentes no biochar para a planta hospedeira.

CONCLUSAO

Através da atividade da fotossíntese, analisou-se a nutriçao da planta. Assim, indiretamente, foi analisada a eficiência dos tratamentos no solo.

A aplicaçao de Biochar, de Micorriza ou Micorrica + Biochar proporciona um aumento no crescimento e no conteúdo de nitrogênio das folhas e maior intensidade de cor verde (SPAD) no mamoeiro, reduzindo a clorose observada nas plantas sem esses tratamentos.

O conteúdo de nitrogênio aumentou em torno de 1050%, 2164% e 3374% com a aplicaçao da micorriza, da micorriza associada ao biochar e da aplicaçao somente do biochar, respectivamente.

Verificou-se também a eficiência na aplicaçao da técnica fotoacústica nas plantas de mamao cultivadas em solo argiloso tratado com biochar, com micorriza e com biochar associado à micorriza. Pela técnica espectroscópica de absorçao na faixa do visível, foram obtidos espectros da fotossíntese (clorofila a e clorofila b), bem como da cutícula de folhas de mamoeiro plantadas nestes solos em estudo, sendo os picos das clorofilas a e b maiores nos tratamentos com Micorriza associada ao Biochar. O espectro do pico de absorçao para a cutícula da planta do tratamento controle foi menor que nos demais tratamentos, indicando plantas com cuticula mais frágeis, ou seja, menos densas, em comparaçao às plantas cultivadas com micorriza e biochar.

Como alternativa às técnicas convencionais, a técnica fotoacústica apresentou respostas mais rápidas e com alta sensibilidade às mudanças morfológicas das amostras.

AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao Prof. Cláudio Roberto Fonseca Sousa Soares, do laboratório de solos da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), por fornecer o biochar, à CAPES (Coordenaçao de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior) e à FAPERJ (Fundaçao de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro) pelo suporte financeiro.

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