SISTEMA AUTOMÁTICO DE FORNECIMENTO DE SOLUÇÃO NUTRITIVA PARA CULTIVO HIDROPÔNICO DE PLANTAS EM VASOS

AUTOMATIC NUTRIENT SOLUTION DELIVERY FOR HYDROPONIC PLANT CULTIVATION IN POTS

SISTEMA AUTOMÁTICO DE FORNECIMENTO DE SOLUÇÃO NUTRITIVA PARA CULTIVO HIDROPÔNICO DE PLANTAS EM VASOS

Nilson Borlina Maia^1,3; Quirino Augusto Camargo Carmello^2,*; Marcia Ortiz Mayo Marques¹

¹Instituto Agronômico de Campinas, C.P. 28, CEP: 13001-970 - Campinas, SP.

²Depto. de Química-ESALQ/USP, C.P. 9, CEP: 13418-900 - Piracicaba, SP.

³Bolsista da CAPES.

* [e-mail]

RESUMO: Desenvolveu-se um sistema automático de fornecimento de solução nutritiva com o objetivo de melhorar os resultados obtidos em trabalhos de pesquisa envolvendo a nutrição de plantas cultivadas em hidroponia. O sistema consiste de um conjunto de reservatórios equipados com moto-bombas individuais, dotados de bóias para controle dos níveis das soluções nutritivas nos vasos e um temporizador. O cultivo de plantas de hortelã (Mentha crispa) mostrou que a produção de folhas obtida com o sistema automático foi cerca de três vezes maior que a produção obtida com o sistema convencional. Constatou-se variação de concentrações dos nutrientes na parte aérea e raízes quando se comparou o sistema automático e convencional.

Palavras-chave: solução nutritiva, Mentha crispa, nutrição de planta, hidroponia, óleo essencial

AUTOMATIC NUTRIENT SOLUTION DELIVERY FOR HYDROPONIC PLANT CULTIVATION IN POTS

ABSTRACT: This paper describes an automatic nutrient solution delivery system, developed for plant nutrition research. This system includes tanks with individual pumps controled by level-switches and a timer. Mentha crispa cultivated in the automatic sistem produced over three times more as compared to the conventional sistem. Changes in nutrient content of leaves and roots were observed.

Key words: nutrient solution, Mentha crispa, plant nutrition, hydroponics, essential oil

INTRODUÇÃO

O cultivo de plantas em vasos utilizando-se solução nutritiva é muito útil nos estudos de nutrição mineral, porém, o meio quimicamente inerte no qual as plantas são cultivadas, acaba prejudicando seu desenvolvimento. Uma das técnicas usadas consiste no cultivo das plantas em casa-de-vegetação, em vasos plásticos contendo sílica (quartzo moído) como suporte físico, fornecendo-se os nutrientes em irrigações de solução em quantidades e períodos adequados ao estudo. Uma ou duas vezes ao dia inunda-se a sílica de modo que as raízes fiquem submersas, até que se drene os vasos conforme descrito por Haag & Carmello (1989). Esse período de inundação é variável, podendo chegar até a 10 horas. A solução colocada no vaso pela manhã, é drenada no final do dia, deixando-se as plantas sem inundação durante a noite.

Esse método, aqui designado como convencional, apresenta alguns aspectos negativos:

- o tempo de aplicação da solução é grande, demandando uma grande quantidade de mão-de-obra, tanto para a inundação com a solução como para a drenagem dos vasos.

- o período em que as raízes ficam submersas é demasiado grande, prejudicando sua respiração, comprometendo o desenvolvimento da planta e a absorção dos nutrientes.

- como cada vaso recebe sempre a mesma solução, armazenada em recipiente específico, à medida que uma planta, de um mesmo tratamento se diferencia, a solução correspondente torna-se cada vez mais diferente daquela contida nos recipientes das outras plantas do mesmo tratamento, podendo aumentar em muito o coeficiente de variação do experimento. Quanto menor for o vaso, a concentração de nutrientes e o volume da solução, maior será esse efeito indesejável (Eaton, 1941; Hewitt, 1966). Quanto maior a densidade de plantas e o período de reposição da solução, maior será a variação no desenvolvimento de plantas submetidas a um mesmo tratamento. Problemas semelhantes foram observados por Sommer (1936), Arnon & Johson (1942) e Willians (1961).

Neste trabalho desenvolveu-se e testou-se um sistema eletro-mecânico de fornecimento de solução nutritiva para crescimento de plantas a partir de modificações no sistema de Eaton (1936), procurando-se fornecer solução em períodos curtos, em grande quantidade e em intervalos reguláveis, dispensando a presença constante de operadores, possibilitando uma diminuição dos erros do acaso e, conseqüentemente, o coeficiente de variação.

MATERIAL E MÉTODOS

Durante 63 dias, entre março e maio de 1997, cultivou-se mudas de Mentha crispa (hortelã) na solução nutritiva descrita por Sarruge (1975), em um delineamento inteiramente casualisado, com dois tratamentos (sistema convencional e automático) e oito repetições com três plantas por vaso. As mudas utilizadas tinham aproximadamente o mesmo tamanho e foram enraizadas previamente durante 15 dias em tubos plásticos ("tubets") com vermiculita. Os vasos plásticos, com 3,6 L de capacidade, continham quartzo moído e, inserida na parte inferior, uma mangueira flexível de 6 mm de diâmetro interno, fixada de modo a permitir a retirada da solução por gravidade. O orifício de entrada dessa mangueira foi protegido por uma tela plástica para se evitar entupimento.

No sistema convencional (Haag & Carmello, 1989), a extremidade livre da mangueira, com comprimento 5 cm maior do que a altura do vaso, era mantida acima da superfície da sílica, de modo a manter a solução em contato com as raízes. A solução era aplicada pela manhã e drenada seis a oito horas mais tarde, quando a extremidade livre da mangueira era inserida numa garrafa (1 L) instalada abaixo do nível da base do vaso, coletando-se a solução para ser usada no próximo período (Figura 1). À medida que o volume da solução coletada diminuía, completava-se o conteúdo da garrafa com água destilada.

Figura 1
- Sistema manual (convencional) de fornecimento de solução nutritiva. À esquerda observa-se o vaso drenado e à direita o vaso inundado com solução.

O sistema automático consistiu num conjunto composto por quatro vasos idênticos ao descrito acima, mas com as mangueiras de drenagem conectadas à uma moto-bomba submersa num tambor plástico contendo 22 L da solução, instalado abaixo dos vasos, de modo que a mesma mangueira promovia a drenagem e a alimentação dos vasos com a solução. A moto-bomba de 0,14 A, com capacidade de elevação de 0,7 m, utilizada em aquários domésticos, foi escolhida pelo seu custo reduzido e sua capacidade de trabalho por longos períodos sem manutenção. A saída da bomba foi conectada a uma mangueira de 12mm, de onde derivaram-se quatro tubos de 6 mm até a base de quatro vasos (Figura 2). Utilizou-se dois conjuntos desses, num total de oito vasos, dispostos num estrado instalado em nível.

Figura 2
- Sistema automático de fornecimento de solução nutritiva para quatro vasos, simultaneamente.

Figura 3 - Bóia de controle de nível da solução no vaso.

A moto-bomba, de cada tambor, foi ligada a uma linha de energia elétrica controlada por um temporizador fotossensível, que a acionava por seis minutos a cada três horas durante o dia e somente uma vez durante a noite.

Como as vazões das moto-bombas não eram idênticas, cada uma das bombas era controlada por um sensor de nível de solução instalado em um dos quatro vasos do conjunto, que durante os seis minutos de funcionamento do temporizador mantinha o nível da solução constante nos quatro vasos, sem transbordamentos. Esse sensor foi montado com um tubo de PVC de 19 mm de diâmetro, contendo uma seringa de injeção descartável de 10 ml, cujo bocal da agulha foi vedado e colocado para baixo dentro do tubo. O conjunto foi inserido no quartzo verticalmente, de modo que a seringa flutuasse com a elevação da solução dentro do tubo de PVC. O êmbolo da seringa acionava a alavanca de um interruptor elétrico do tipo "micro-switch" de 10 A, fixado ao topo do tubo de PVC, no qual passava a corrente elétrica para a moto-bomba. Desse modo, sempre que o nível da solução chegava ao máximo, o êmbolo levantava a alavanca do interruptor, desligando a moto-bomba, permitindo o retorno da solução ao tambor. Com o abaixamento do nível de solução no vaso, a seringa descia, seu êmbolo liberava a alavanca do interruptor, que acionava novamente a moto-bomba, mantendo assim, o nível máximo da solução nos vasos variando entre um a dois cm, até que decorressem os 6 minutos controlados pelo temporizador, quando então a energia elétrica era desligada e as soluções retornavam para os seus tambores, permitindo assim a oxigenação das raízes pelas próximas três horas, quando reiniciava-se o ciclo.

O nível máximo de solução no vaso, durante os seis minutos de rega, podia ser regulado pela posição do êmbolo da seringa. Quando puxado ao máximo, na marca de 10 ml, o nível da solução no vaso era mais baixo, pois tão logo a seringa flutuava, o êmbolo acionava o interruptor. Posicionando o êmbolo para baixo, na marca de 1 ou 2 ml, a seringa precisava flutuar até um nível mais alto para acionar o interruptor, mantendo o nível final da solução mais elevado durante o período de rega.

As plantas do sistema convencional eram irrigadas diariamente, entre as oito e dez horas da manhã e eram drenadas ao entardecer. Ficando suas raízes inundadas durante seis a sete horas.

Durante o dia, o sistema automático era ligado pelo temporizador durante seis minutos a cada hora, nos primeiros 13 dias a contar do plantio, quando o sistema passou a ser ligado a cada três horas. Durante o período de escuro (noite), o sistema fazia uma rega de seis minutos após cinco horas sem a luz do Sol.

O sistema convencional recebeu solução nova (1 L por vaso) no plantio e aos 13, 21, 28, 43 e 51 dias após o plantio. Conforme a quantidade de solução diminuía, aproximadamente até a metade, devido à evapotranspiração, completava-se o volume até um litro com água destilada.

O sistema automático recebeu solução nova no plantio e aos 13 dias após o plantio. A partir de então, o volume daquela solução foi completado sempre que o volume de solução no tambor diminuía seu nível pela metade. Desse modo, a quantidade total de nutrientes disponíveis por vaso durante o período de estudo foi aproximadamente o mesmo para os dois sistemas.

Após 63 dias de cultivo em solução nutritiva, as plantas foram colhidas, separando-se e pesando a parte aérea, raízes e contando-se o número de folhas por vaso. Uma alíquota da parte aérea e todas as raízes de cada vaso foram submetidas à análise química segundo a metodologia descrita por Bataglia et al. (1983). O restante das folhas e talos da parte aérea foi congelado a -18ºC até o momento da extração do óleo essencial. A extração foi feita em aparelho de Moritz modificado, conforme descrito por Costa (1975, p.439). Devido ao baixo rendimento de óleo essencial, característico da espécie, e à pequena quantidade de folhas obtidas em cada um dos vasos, a destilação foi feita com todas as folhas e hastes dos oito vasos de cada tratamento, impossibilitando a análise de variância da produção de óleo.

A composição química do óleo essencial foi obtida em cromatógrafo a gás acoplado a espectrômetro de massas (CG-EM, Shimadzu, modelo QP5000), utilizando-se Hélio como gás de arraste, 1mL de amostra, injetor a 250ºC, detector a 230ºC e o seguinte programa de temperatura da coluna: 50ºC (durante 5min); aumento até 160ºC numa taxa de 3ºC/min e de 160ºC a 250ºC na taxa de 10ºC/min.

A identificação dos constituintes foi baseada na comparação dos espectros de massas das substâncias com o banco de dados do sistema CG-EM (Wileym139 Library) descrito por McLafferty & Stauffer (1989) e co-injeção dos padrões: a-pineno, b-pineno, 1,8-cineol, limoneno e carvona.

RESULTADOS

As plantas cultivadas no sistema automático produziram três vezes mais material seco do que as plantas cultivadas no sistema convencional (Tabela 1). Os resultados mostram que o sistema de rega convencional limitou a produção máxima possível, podendo vir a mascarar ou impossibilitar a identificação dos efeitos dos fatores em estudo. Assim, o sistema automático de fornecimento de solução, testado no presente trabalho, que proporciona maior freqüência de rega e conseqüente disponibilidade de água e nutrientes, deve ser preferido nos trabalhos de pesquisa.

Nota-se que o número de folhas por vaso no sistema automático, com turno de 3 horas, foi significativamente superior ao convencional. Nos cultivos comerciais da planta de hortelã em solução nutritiva deve-se aplicar turnos de rega curtos. A planta é utilizada como condimento, aplicando-se diretamente suas folhas frescas sobre os alimentos, ou na forma de chás. Dessa forma, uma produção elevada de folhas deve ser implementada.

O maior percentual de óleo das plantas menos desenvolvidas do tratamento manual é semelhante ao resultados descrito por Fischer & Hecht-Buchholz (1985), Kothari et al. (1987) e Charles et al. (1990). Nesses trabalhos, observa-se que plantas muito desenvolvidas tendem a ter um menor número de células oleíferas por superfície de folha, apresentando assim, um menor rendimento de óleo, que é a relação entre a massa de óleo e a massa de folhas secas. A produção de óleo por planta (g/vaso) do tratamento automático porém, foi mais de duas vez maior do que a das plantas do tratamento manual, mostrando um comportamento semelhante à da produção de material seco de raízes, folhas e massa total.

Uma tensão de oxigênio mais elevada nas raízes das plantas proporciona plantas mais ricas em P e K, conforme mostraram Hopkins (1956) e Mengel & Kirkby (1982). Os teores mais elevados de P e K nas raízes e de P nas folhas, observados neste trabalho (Tabela 2), deveu-se à maior tensão de oxigênio nas raízes das plantas cultivadas no sistema automático.

Os teores menores de Mn observados, principalmente nas raízes das plantas do tratamento convencional, devem-se à diminuição do potencial de oxi-redução que ocorre em ambientes submetidos à inundação. Segundo Borkert (1993), em baixos potenciais de oxi-redução, formam-se sulfetos de manganês, tornando o elemento menos disponível para a planta. O encharcamento também seria o responsável pelos menores teores, tanto de Mn como de Fe (Bataglia, 1988; Lopes & Carvalho, 1988). O menor teor de Zn, nas folhas e raízes das plantas submetidas ao tratamento automático, deveu-se ao efeito antagônico do Fe e Mn (Souza & Ferreira, 1991 e Sajwan & Lindsay, 1986), além do efeito de diluição, função da maior produção de material vegetal pelas plantas neste sistema.

Os resultados da análise cromatográfica (Tabela 3), evidenciam a diferença qualitativa, tanto pelos teores dos componentes comuns aos óleos produzidos nos dois sistemas, como pelo maior número de substâncias detectadas somente no sistema automático.

Observou-se que o sistema automático, além de propiciar melhor crescimento das plantas, permitiu o controle mais acurado da solução, possibilitando medidas de consumo de água pelas plantas, medindo-se a diferença de nível da solução nos tambores e coletas de amostras para análises químicas, podendo vir a ser utilizado com maior segurança na manipulação de soluções perigosas (tóxicas, radioativas, etc.).

CONCLUSÕES

O sistema de fornecimento de solução nutritiva testado diminuiu o "stress" a que as plantas normalmente são submetidas no sistema convencional, proporcionando maior produção de material seco por vaso tanto da parte aérea da planta, como das raízes. O maior número de irrigações, com um pequeno tempo em cada irrigação, possibilitou os menores períodos de inundação, o que permitiu maior oxigenação das raízes, havendo maior absorção de nutrientes e maior crescimento das plantas.

Os teores de N, P, K, Fe, Mn e Zn nas raízes e de P, Mg, Mn e Zn nas folhas e a qualidade do óleo essencial foram significativamente afetados pelo método de irrigação.

Novos testes devem ser feitos para confirmar a eficiência do sistema para outras espécies.

Recebido para publicação em 19.09.97

Aceito para publicação em 20.07.98

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  18 Jun 1999
• Data do Fascículo
  1999

Histórico

• Aceito
  20 Jul 1998
• Recebido
  19 Set 1997