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Química Nova

versão impressa ISSN 0100-4042

Quím. Nova vol.36 no.8 São Paulo  2013

http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422013000800009 

ARTIGO

 

Fósforo em cronossequência de cana-de-açúcar queimada no cerrado goiano - análise de ácidos húmicos por RMN de 31P

 

Phosphorus in chronosequence of burnt sugar cane in cerrado - humic acid analysis by 31P NMR

 

 

Celeste Q. RossiI; Marcos G. PereiraI,*; Andrés C. GarcíaI; Adriano PerinII; Paulo R. GazollaII; Antonio P. GonzálezIII

IDepartamento de Solos, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, 23890-000 Seropédica - RJ, Brasil
IIInstituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia Goiano, Campus Rio Verde, 75901-970 Rio Verde - GO, Brasil
IIIFacultad de Ciencias, Universidade da Coruña, 15071 La Coruña, ES

 

 


ABSTRACT

The aim of this study was to identify, with the use of 31P NMR spectroscopy, organic P species in humic acids (HA) in samples from Oxisol cultivated in chronosequence with sugar cane, pasture and Cerrado. The main forms of P-type found were orthophosphate, monoester-P (phosphate sugars) and P-diester (orthophosphate). The 31P NMR technique proved capable of identifying changes in the areas studied as a function of sugar cane burning time. In areas with 1 and 5 years of burnt cane, a decrease in recalcitrant organic P in humic acids indicated the need for use of P-humic substances for plant nutrition.

Keywords: humic substances; vinasse; organic phosphorus.


 

 

INTRODUÇÃO

No tocante às limitações relacionadas à fertilidade do solo, para o fósforo (P), essas podem ser divididas da seguinte forma: as decorrentes dos baixos teores desse nutriente no solo, valores geralmente entre 10 a 25% quando comparado ao nitrogênio; as relacionadas à baixa solubilidade dos compostos de P comumente encontrados nos solos, tornando-o muito pouco disponível à absorção pelas plantas; e, finalmente, aquelas que dizem respeito às mudanças para formas não-lábeis (fixação). Nesse último caso, compostos não reativos são formados e, do total de fertilizante aplicado, em geral, somente uma pequena fração de P pode ser absorvido pelas plantas.1

Latossolos com altos teores de argila localizados na região do Cerrado brasileiro podem adsorver mais de 2 mg cm-3 de P, o que equivale a 4.000 kg ha-1 de P, ou seja, 9.200 kg ha-1 de P2O5 incorporados a 0-0,20 m de profundidade. Metade desse valor pode ser fixada (P não-lábil) em até um mês de contato com o solo.2 Nesse cenário, a participação do fósforo orgânico pode constituir até 80% do P total do solo.3 Entretanto, sua ciclagem e disponibilidade ainda são pouco estudadas.4 Uma importante função da matéria orgânica do solo é o fornecimento de nutrientes às plantas, principalmente em relação ao P, elemento limitante ao desenvolvimento das culturas de importância econômica em solos altamente intemperizados de ambientes tropicais como o cerrado.5

Segundo Correia e Alleoni,6 o sistema de colheita da cana-de-açúcar com queima prévia da palhada resulta na diminuição dos teores de carbono orgânico e da fertilidade do solo quando comparado com o sistema de colheita da cana crua. Nesse sistema são depositados, sobre o solo, de 10 a 15 Mg ha-1 por ano de palha, cuja decomposição afeta o ciclo do carbono e a dinâmica da matéria orgânica.7 A derrubada e queima da vegetação nativa, seguida do cultivo do solo no processo de conversão do Cerrado em agrossistema, resultam em mudanças na dinâmica da matéria orgânica do solo (MOS) e aumento da emissão de gases do efeito estufa para a atmosfera.8

A grande variedade de compostos orgânicos no solo faz com que mais da metade das formas de fósforo orgânico ainda não tenha sido identificada. A importância relativa do P orgânico (Po) na nutrição das plantas aumenta quando há deficiência de P, resultante dos baixos teores totais e, ou, forte adsorção de P pelos oxihidróxidos de Fe e Al no solo. A principal forma já identificada são os fosfatos de inositol, que compõem de 10 a 80% do fósforo orgânico total, os fosfolipídios (0,5 a 7%), ácidos nucléicos (3%) e outros ésteres fosfato (> 5%).9 A estabilidade desses compostos é dependente de sua natureza e de sua interação com a fração mineral, pois esses mesmos compostos são usados como fonte de carbono e elétrons pelos microrganismos, cujo resultado é a sua mineralização e disponibilização do fósforo.

A utilização da RMN de 31P permite o acompanhamento da distribuição das formas orgânicas de P, considerando o uso e manejo do solo, permitindo maior entendimento sobre a dinâmica desse nutriente no ambiente.10 Apesar da baixa concentração de P em amostras de solo, o estudo de P por RMN de 31P é muito eficiente devido à presença do núcleo de fósforo com número de spin I = 1/2, que é encontrado com 100% de abundância natural.11 Os principais compostos encontrados nos ácidos húmicos extraídos do solo são os fosfonatos, com sinais em torno de 19-20, ortofosfato inorgânico com sinal em torno de 6,0, ortofosfatos monoésteres apresentam intervalo de 3,0 a 6,0 ppm e compostos diésteres estão próximos a 0 ppm, sinais de polifosfatos são observados em intervalos de -18 a -20 ppm.

O objetivo deste trabalho foi identificar, com a utilização da espectroscopia de RMN de 31P, as espécies orgânicas de P nos ácidos húmicos em amostras de Latossolo Vermelho cultivado em cronossequência de cana-de-açúcar, uma área de pastagem e uma área de cerrado em Goiás.

 

PARTE EXPERIMENTAL

A extração dos ácidos húmicos foi realizada com amostras de Latossolo Vermelho12 com textura franco-arenosa, localizado no Município de Rio Verde - GO e cultivado em cronossequência com cana-de-açúcar com 1, 5, 10 e 20 anos de queima em detrimento da colheita nas profundidades de 0,0-0,05; 0,05-0,10; 0, 10-0,20 e 0,20-0,30 m. Em adição, áreas adjacentes sob vegetação nativa e pastagem foram amostradas como representativas da condição natural do solo. O histórico de utilização do solo dos últimos 40 anos das áreas estudadas está representado na Figura 1.

 

 

As áreas de cana receberam 500 kg ha-1 do formulado NPK 5-30-20 no plantio e 500 kg ha-1 do formulado NPK 18-00-27 na soca. A área com 10 anos recebeu a primeira reforma no ano de 2010. Já a área com 20 anos foi reformada em 01/02/2000 e houve uma segunda reforma após a colheita de 2010. As produtividades das áreas de cana foram 113, 111, 85 e 96 Mg ha-1 na safra 2009/2010 para cana de 1,5,10 e 20 anos, respectivamente. A área de cana com 20 anos recebe anualmente 60 m3 ha-1 de vinhaça (N= 0,03; P= 29; K= 225; Ca =70; Mg =87 em mg L; pH (H2O) = 3,5).

Os ácidos húmicos foram isolados e purificados de acordo com o método preconizado pela Sociedade Internacional de Substâncias Húmicas (IHSS)13 com pré-tratamento das amostras com solução de HCl 0,1 mol L-1 e extração com NaOH 0,1 mol L-1 com razão solo:solvente 1:10 (v:v). Os ácidos húmicos foram precipitados por rebaixamento de pH (pH = 1,0-1,5) com HCl 6 mol L-1, sendo essa operação realizada duas vezes. Em seguida, os ácidos húmicos foram tratados com solução de HCl 0,1 mol L-1 e HF 0,3 mol L-1, dialisados com água deionizada até teste negativo para formação de precipitado com AgNO3.

Os ácidos húmicos foram solubilizados em solução alcalina (NaOH 0,1 mol L-1 preparado com D2O). Os espectros de RMN de 31P foram obtidos utilizando um espectrômetro Bruker AV300 equipado com sonda QNP (1H/13C/31P/19F) do Servizo de apoio á investigación (SAI) da Universidade da Coruña. Empregou-se uma sequência de tipo power gated decoupled, com pulso de 90º para 31P. O tempo de aquisição foi de 0,6 segundos, mais 1,5 segundos adicionais de tempo de relaxação. Foram acumuladas aproximadamente 8.000 varreduras por amostra (5 horas aproximadamente de tempo de máquina). O ácido fosfórico 85% foi utilizado como referência externa.

A identificação dos compostos orgânicos de P foi obtida comparando-se os dados obtidos com outros trabalhos publicados como referência (Tabela 1) e a quantificação relativa foi realizada por integração da área referente a cada composto de P.

 

 

RESULTADOS E DISCUSSÃO

A integração eletrônica da área dos sinais mais expressivos nos espectros adquiridos para a cronossequência de cana-de-açúcar encontra-se na Tabela 2. Em geral, os espectros apresentaram pouca diversidade de sinais (Figuras 2 e 3). Verificou-se um predomínio dos sinais atribuídos para P em ligação monoéster (sinal entre 5,0 e 5,9 ppm) e P em ligação diéster (sinal entre -1 e 1 ppm), em diferentes proporções, em todas as áreas de cana de açúcar e também para o cerrado e pastagem até 0,10 m de profundidade.10 Em estudos utilizando RMN de 31P em cultivos de cana-de-açúcar por longo tempo em Cambissolo Háplico Ta eutrófico localizado no Município de Campos dos Goytacazes, norte do Estado do Rio de Janeiro, verificou-se um padrão espectral com poucos sinais, semelhante nas áreas de cana queimada e cana crua. Foi verificada, ainda, a presença exclusiva de P diéster, diferente da maioria dos trabalhos encontrados na literatura que apresentam espectros com maior diversidade de sinais. Na área de pastagem foi observado um sinal entre 6 e 7 ppm, atribuído à ortofosfato inorgânico, em todas as profundidades avaliadas, exceto na profundidade de 0,05-0,10 m. Para as outras áreas esse sinal foi verificado a partir de 0,10 m de profundidade, com exceção da área de cana-de-açúcar com 20 anos, onde não foi observado esse sinal em nenhuma profundidade.

 

 

 

 

Para a profundidade de 0,00 - 0,05 m (Figura 2), as maiores proporções de P em ligação monoéster foram verificadas nas áreas de cana com 5 e 10 anos (78 e 79%, respectivamente) com sinal referente aos açúcares fosfatados (5-5,9 ppm), como a ribose-5-fosfato e glicose-6-fosfato,14 e uma participação de aproximadamente 20% de P em ligação diéster.

Gatiboni et al.,15 em estudos com cultivos sucessivos e com diferentes doses de fósforo (0, 360 e 720 kg de P2O5), verificaram em termos quantitativos que a principal forma encontrada foi o ortofosfato inorgânico, seguido do Po monoéster, Po diéster e pirofosfato inorgânico. Os autores observaram sinais secundários de Po monoéster com uma pequena contribuição dos açúcares fosfatados.

A fração de P monoéster não apresentou em nenhum dos espectros avaliados na profundidade de 0,0-0,05 m sinal referente ao fosfato de inositol, que é comumente identificado por diversos autores como predominante em solos com diferentes graus de intemperismo.4,10,16 Essa fração é caracterizada por apresentar forte ligação com os minerais do solo e elevada densidade de cargas. Isso confere alta estabilidade contra o ataque enzimático e microbiano, principalmente pela formação de complexos organominerais com óxidos de ferro e alumínio do solo, dificultando o processo de mineralização e favorecendo o acúmulo no solo, sendo de baixa labilidade e disponibilidade às plantas.11,17 Turrión et al.,18 em estudos de RMN de 31P em solos de floresta naturais e adubados, encontram relação direta entre formas de P monoéster e a quantidade de argila dos solos, apresentando possível caminho para estabilização dos componentes monoésteres do solo.

A dinâmica rápida de hexafosfato de inositol (fitato) aplicado a um solo com carbonato (11,1 g CaCO3 kg-1) do norte da Austrália foi demonstrada através de RMN de 31P.4 Os autores verificaram um rápido declínio do fitato aplicado após 13 semanas de incubação do solo. Esse estudo demonstra que no solo com carbonato examinado o fitato não estava altamente estável, mas em uma forma biologicamente disponível de P.

McDowell e Stuwart,3 estudando a composição do fósforo por extração sequencial e RMN de 31P em pastagem, floresta nativa e áreas com manejo florestal na Nova Zelândia, verificaram que o maior incremento de P orgânico foi atribuído ao P em ligação monoéster (31-60% de P total nos espectros), seguido de diésteres (1-12% de P total nos espectros).

A área de cana com 20 anos apresentou mudanças representativas na distribuição das espécies de P nos ácidos húmicos, com maiores proporções de P em ligação diéster. 75% do sinal foi atribuído ao ortofosfato diéster e somente 25% foi atribuído ao P em ligação monoéster. O P orgânico em ligação diéster é constituído majoritariamente por materiais que possuem menor densidade de cargas como DNA, uma vez que o fosfato está ligado ao carbono por duas ligações ésteres, possuindo baixa capacidade de interagir ionicamente em comparação aos monoésteres que possuem uma única ligação covalente.18,19 Esse padrão pode ser efeito da aplicação constante da vinhaça na área. Busato et al.,10 analisando ácidos húmicos por RMN de 31P em Cambissolo cultivado com cana-de-açúcar por longo tempo no Norte do estado do Rio de Janeiro, observaram que a aplicação de vinhaça por um período de 35 anos nas áreas de produção de cana-de-açúcar proporcionou mudanças na proporção das espécies de P nos ácidos húmicos. Os autores observaram um sinal pronunciado no espectro de RMN de 31P em -0,39 ppm, característico de P em ligação diéster, nas áreas que receberam aplicação de vinhaça. Busato et al.10 verificaram ainda o maior número de sinais obtidos pela RMN de 31P nas áreas que receberam vinhaça quando comparada com áreas de cana-de-açúcar crua e queimada.

Essa maior diversidade de sinais na área com aplicação de vinhaça não foi verificada nesse estudo, a área com maior diversidade foi a área de pastagem. A área de cerrado também apresentou valores elevados de P em ligação diéster. Apesar de ser uma área que mantém um aporte de matéria orgânica, boa drenagem e temperaturas elevadas, o elevado teor de alumínio encontrado nessa área pode restringir a atividade dos microrganismos,20 promovendo um acúmulo dessa fração. Entretanto, Summan et al.,21 em estudos sobre efeitos climáticos sobre as formas de fósforo orgânico nos Estados Unidos, verificaram uma maior proporção de espécies orgânicas mais lábeis em solos florestais sob ótimas condições para o desenvolvimento microbiano. Os autores atribuíram tal efeito ao grande aporte de material vegetal na área estudada. Já para a área de pastagem, a contribuição de P em ligação diéster foi duas vezes menor em relação ao P em ligação monoéster. Para a pastagem na profundidade de 0,00-0,05 cm foi verificado também um sinal diferente (6 - 7 ppm) dos encontrados nas outras áreas, o qual correspondeu a cerca de 40% da área avaliada no espectro. McDowell e Stewart19 verificaram em todos os espectros de RMN de 31P para áreas de pastagem, floresta nativa e floresta manejada sinais em torno de 6,5 a 6,7, e atribuíram esses sinais ao ortofosfato.22

Ácidos húmicos extraídos de diversos tipos de solos de montanha e áreas com solo arado da Eslováquia e analisados por espectroscopia de RMN de 31P por Barancikova et al.23 mostraram uma grande diversidade de sinais nos espectros. Com exceção do sinal entre 22 e 24, todos os outros sinais observados para compostos de P orgânico foram observados pelos autores com distintas proporções. Dentre os sinais, o que apresentou maior sinal foi para o fosfato monoéster (3-7 ppm). Fitato é um composto rico em P encontrado em cereais, leguminosas e óleo de sementes de culturas24 Funciona como principal forma de armazenamento de P em sementes e é gradualmente hidrolisado por enzimas para libertar ortofosfato durante a germinação.25 O fitato quando presente no solo se encontra numa forma indisponível para a absorção pelas plantas, precisando ser hidrolisado para que ocorra a liberação do fosfato.26

Busato et al.10 não observaram diferenças nos compostos encontrados na área de cana-de-açúcar crua e queimada. Porém, observaram distribuições relativas diferentes, mostrando que houve uma alteração no ciclo de Po com a queima do material vegetal. A participação do P diéster em relação ao monoéster passou de 92% para 17% nas amostras de 0,10-0,20 m de profundidade. Os autores verificaram ainda para a área de cana com queima a presença do sinal Po lábil de origem microbiana com 51% da área de espectro. Esse incremento de ácido teicóico pode estar relacionado com a morte dos microrganismos nas áreas queimadas e consequentemente extravasamento de material celular.

Para a profundidade de 0,05-0,10 m, os mesmos sinais foram observados, com exceção da área de cana-de-açúcar com 5 anos que apresentou o fosfato de inositol como principal componente do Po em ligação monoéster, ao contrário das outras áreas de cana que apresentaram sinal para açúcares como ligação de Po monoéster (Tabela 2). A área de cana com 5 anos também apresentou nessa profundidade sinal referente ao pirofosfato (-5,8 a -8,5) contribuindo com 8% da área de integração do espectro, sendo essa forma considerada relativamente estável no solo.27 Sinais de pirofosfato correspondendo a até 50% da área do espectro também foram verificados10 nos manejos com e sem aplicação de vinhaça na camada de 0,20 a 0,40 m de profundidade. Esse padrão pode ser decorrente, em parte, da hidrólise do Po durante a concentração da solução durante o processo de extração da amostra para a espectroscopia ou, ainda, da liberação do ortofosfato associado com o material húmico.27 Esses valores são semelhantes aos observados por Solomon et al.,28 que encontraram participações do pirofosfato variando de 2 até 6 % em extrato alcalino.

Na profundidade de 0,10-0,20 e 0,20-0,30 m (Tabela 2 e Figura 3), o sinal referente ao ortofosfato inorgânico aparece de forma mais pronunciada, chegando a 50% da área de integração do espectro para a área de cana de 5 anos na profundidade de 0,10-0,20 m e a 44% para a área de cana com 10 anos na profundidade de 0,20-0,30 m. Nessa profundidade verificou-se também a menor contribuição dos compostos diésteres. A predominância do ortofosfato inorgânico depende principalmente da adição de fertilizantes e do grau de intemperismo do solo. Quanto mais intemperizado for o solo, menor a adubação empregada, e o Po monoéster pode aparecer em maior proporção em comparação ao ortofosfato inorgânico.29 Isso ocorre devido à utilização de P inorgânico pelas plantas ou sua transformação em formas orgânicas.9 Em solos que receberam adubação fosfatada ou que ainda há reservas de Pi no solo, o ortofosfato inorgânico é a fração predominante.15,30

Os valores da relação diéster/monoéster, foram calculados para os ácidos húmicos (Tabela 2). Essa relação apresentou grande variação, com valores 3,0 para área de cana com 20 na profundidade de 0,00-0,05 m e 0,2 para a área de cana com 20 anos na profundidade de 0,20-0,30 m. Esses resultados não corroboram os encontrados por Busato et al.,10 onde não foi observado em nenhum de seus espectros sinais referentes ao P em ligação diéster para áreas com manejo de cana queimada.

Os valores encontrados nesse estudo são superiores aos observados em extrato alcalino de solos tropicais da Etiópia por Solomon et al.,28 que apresentaram variação de 0,13 até 1, sendo os maiores valores referentes às áreas de florestas não perturbadas e os menores originados de solos sob intenso cultivo agrícola.

Em áreas cultivadas com café em sistema agroflorestal e em plantio convencional com diferentes idades na Zona da Mata, sudeste do estado de Minas Gerais, foram verificados valores médios da relação diéster/monoéster próximos a 0,06, demonstrando grande participação de compostos de Po em ligação monoéster.31 Padrão similar foi verificado em estudos de composição de fósforo contrastando solos de pastagem e solos em sistema agroflorestais na Nova Zelândia, onde foram observados valores da relação diéster/monoéster próximos a 0,06.19

 

CONCLUSÕES

A espectroscopia de RMN de 31P demonstrou diferenças quanto às proporções e a distribuição das formas orgânicas de P nos ácidos húmicos nos diferentes sistemas avaliados, mostrando que a técnica de RMN de 31P pode ser utilizada para identificar modificações nas áreas estudadas em função do tempo de queima da cana-de-açúcar.

Os dois grupos de maior destaque foram o ortofosfato diéster e os açúcares fosfatados. Nas áreas de cana-de-açúcar queimada houve reflexos importantes para o P orgânico em ligação diéster, principalmente na área com 20 anos de cana-de-açúcar com queima e recebe vinhaça. O acúmulo da fração diéster pode estar relacionado com a menor atividade dos microrganismos nas áreas que recebem fogo constantemente.

 

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Recebido em 27/11/12; aceito em 12/4/13, publicado na web em 1/7/13

 

 

* e-mail: mgervasiopereira@gmail.com

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