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: veronica@cnpab.embrapa.br

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

RB72454 Milho

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;

Aplicar na cultura as bactérias selecionadas

Como selecionar a melhor estirpe?

Inoculado Controle

Fase de germinação:

Avaliações: seis coletas mensais com intervalo de aproximadamente 30 dias

Produtivida de Colmo fresco RB92579Comparação dentro do Bloco – Kg m-1

212 Dias após plantio

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

Detalhes ensaio implantado em São Paulo

TAH (Mg ha-1)

Dados gerais

Somatório sem a CTC 15

Pol (%)

ATR (kg t-1)

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

Margem de Contribuição Agrícola

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

Margem de Contribuição Agrícola

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

• Manejo

• Variedades mais eficientes no uso de N

• Novas tecnologias em fertilizantes

• Utilização de microrganismos promotores de crescimento vegetal

Alternativas para a redução da adubação nitrogenada na cana-de-açúcar