1. Utilização da energia nuclear na
agricultura
Prof. Dr. José Lavres Junior
Laboratório de Nutrição Mineral de Plantas Prof. Eurípedes Malavolta
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO
CENTRO DE ENERGIA NUCLEAR NA AGRICULTURA
Diamantina-MG, 26 de novembro de 2012

2. Sumário• Contextualização
• CENA - História
• Introdução
• Estudos e Aplicações
 Ecologia Isotópica
 Ciência dos Alimentos
 Radioentomologia
 Geologia e mineralogia
 Fertilidade do Solo, Adubos e Adubação, Nutrição
Mineral de Plantas
• Desafios futuros

3. • Contextualização
Diversas utilizações de energia nuclear, para fins pacíficos,
como ferramenta auxiliar para o entendimento da dinâmica
de elementos e compostos (e.g. nutrientes, água, pesticidas
etc) em estudos de ecologia, física do solo, mineralogia,
geologia, biogeoquímica ambinetal; entomologia, ciência dos
alimentos, melhoramento genético, nutrição animal e
nutrição meniral de plantas; fertilidade do solo etc.

4. Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

5. http://www1.folha.uol.com.br/ciencia/1245240-especialistas-da-nasa-comentam-a-nova-descoberta-de-curiosity.shtml

6. Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

7. Fonte: Trinta anos em CENA EDUSP (1997)

8. • CENA - História
O estabelecimento do CENA derivou da iniciativa de um grupo de
professores da USP-ESALQ, que vislumbrou o grande potencial do uso de
técnicas nucleares em aplicações agropecuárias e ambientais. Diversos
trabalhos empregando radioisótopos e radiações foram conduzidos por
esses professores com auxílio de outros centros de pesquisas (ex. IEA, atual
IPEN) e unidades da USP (FM, IF), após 1955. Com isso, foi iniciado o
planejamento para estabelecer instalações dedicadas e concentradas em
único local, de forma a racionalizar o uso dos equipamentos já existentes,
aumentar a segurança dos laboratórios e promover maior interação entre
os cientistas.

9. • CENA - História
O projeto de criação de uma instalação unificada para a pesquisa com
aplicações nucleares em agricultura foi retomado pelos professores da
ESALQ, que culminou com a criação do Centro de Energia Nuclear na
Agricultura por Decreto Estadual 46794, publicado em 22 de setembro de
1966, como instituto anexo à ESALQ. O CENA passou então a receber apoio
financeiro e material da Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN)
através de acordo assinado em 1968, com duração de cinco anos. Nesse
período, foram concluídas as primeiras instalações físicas do CENA.

10. • CENA - História

11. • Contextualização
ÁTOMOS
ENERGIA NUCLEAR
ISÓTOPOS
RADIOISÓTOPOS

12. • Contextualização
ÁTOMOS ENERGIA NUCLEAR ISÓTOPOS
RADIOISÓTOPOS

13. • Contextualização
Chernobyl – 26 abril de 1986 Goiânia – setembro de 1987
Idéia Geral
(população/mídia)

14. ENERGY MATRIX: BRAZILIAN RENEWABLE MIX
BRAZILIAN ENERGY MIX
WORLD ENERGY MIX
Source: MME/BEN, 2006
Biomass; 29,7%
Coal; 6,4%
Natural gas; 9,3%
Hydraulic and
Electricity; 15,0%
Oil and Oil
Products; 38,4%
Uraniun; 1,2%
Biomass; 11,2%
Coal; 24,1%
Natural gas;
20,9%
Hydraulic and
Electricity; 2,1%
Oil and Oil
Products; 35,3%
Uraniun; 6,4%
Share of renewable energy in the total
primary energy: 45%
Share of renewable energy in the power
generation: 85%

15. O que são isótopos?Introdução

16. Átomos com mesmo número de prótons (número atômico, Z) e diferente
número de nêutrons (N), ou seja, elementos com massas atômicas (A)
diferentes: (A = Z+N).
Exemplo clássico: elemento hidrogênio
Hidrogênio Deutério Tritio
1 nêutron
2 nêutrons
(não é estável)
Ishida, 2007
O que são isótopos?Introdução
1 próton 1 próton
1 próton

17. 2) Ou instáveis ou radioisótopos quando emitem radiação - seja em forma
de energia (radiação gama = Ƴ) ou partículas subatômicas (beta negativo β-
, beta positivo β+ ou partícula alfa α).
Decaimento radioativo (meia-vida = t ½)
O que são isótopos?Introdução
Exemplos: 14C (radiação β- fraco; meia vida de 5.730 anos)
32P (radiação β- alta energia; meia vida de 14 dias)
1) Chamados de estáveis quando não emitem radiação - seja em forma de
energia eletromagnética ou partículas subatômicas. Ex: 15N, 34S, 10B, 13C...

18. Tipos de RadiaçãoIntrodução

19. Carbono 12C Carbono 13C
Nitrogênio 15N
6 prótons
6 nêutrons
6 prótons
7 nêutrons
Nitrogênio 14N
7 prótons
7 nêutrons 7 prótons
8 nêutrons
Ishida, 2007
Exemplos de isótopos estáveis com particular interesse em
estudo ligados à processos ambientais
Introdução

20. Ishida, 2007
Abundância média natural dos elementos mais utilizados
em estudos ambientais
Introdução
Elemento Isótopo Abundância
Hidrogênio 1H 98,984
D 0,0155
Carbono 12C 98,89
13C 1,11
Nitrogênio 14N 99,634
15N 0,366
Oxigênio 16O 99,76
17O 0,037
18O 0,199
Enxofre 32S 95,02
34S 4,21

21. Abordagem para os Isótopos de PotássioIntrodução

22. Isótopos de Potássio – Geologia e Mineralogia
Estudos e
Aplicações
A desintegração de 40K em 40Ar é empregada como método para a datação
de rochas. O método K-Ar convencional se baseia na hipótese de que as
rochas não continham argónio quando se formaram e o formado não
escapou, de modo que a quantidade presente provém da completa e
exclusiva desintegração do potássio original. A medição da quantidade de
potássio e Ar-40 fornece o procedimento de datação adequado para a
determinação da idade de minerais como o feldspato vulcânico, moscovita,
biotita e hornblenda , geralmente as amostras de rochas vulcânicas e
intrusivas que não tenham sofrido alterações.
Além da datação, os isótopos de potássio são muito utilizados em estudos do
clima e, em estudos sobre o ciclo dos nutrientes por ser um macronutriente
importante para a vida.

23. Uso Pacífico da Energia NuclearEstudos e
Aplicações
Engenharia
Agronomia
Zootecnia
Arqueologia (datação 14C) Australopithecus afarensis
14C meia vida de aproximadamente 5.730 anos

24. Linhas de PesquisasEstudos e
Aplicações
1. Criação artificial de moscas das frutas.
2. Controle biológico por meio da liberação de parasitóides ou
técnica do inseto estéril.

25. Linhas de PesquisasEstudos e
Aplicações
1. Irradiação de alimentos: quarentena e conservação.
2. Características físico-químicas de alimentos e bebidas.

26. Aplicações práticas dos Isótopos Estáveis
1. Adulteração de Vinhos
2. Adulteração do Mel
3. Dieta Alimentar
4. Rastreamento e origem de drogas
Crédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA

27. UVas = -28 o/oo
Cana de açúcar = -12 o/oo
Vinho = -27 o/oo Cachaça = -11 o/oo
Fermentação
?
Crédito: Plínio B. Camargo. Material aula CENA

28. 1º Experimento fisiológico de NMP – movimento do 42K no xilema (e floema)Estudos e
Aplicações

29. Experimento fisiológico de NMP – movimento do 32P no floemaEstudos e
Aplicações
Nº seção Porcentagem (contagem) de 32P
Separada Não separada
Floema Xilema Floema Xilema
S1 12 1 15 5
S2 7 traço 10 6
S3 13 0 5 2
S4 5 traço 3 1
Aplicação de 32P na folha de algodoeiro e arranjamento das seções na
região onde o floema e o xilema foram separados pela introdução de um
papel encerado (a). Distribuição do 32P entre o xilema e o floema
separados e não separados (b).
Adaptado de Biddulph & Markle (1944).
(a) (b)

30. 1º Experimento no Brasil - absorção de 65Zn por orquídeas.Estudos e
Aplicações

31. Elemento Espécie Tempo para 50% de
absorção
Nitrogênio (ureia)
Citros 1 – 2 H
Cafeeiro 1 – 6 H
Macieira 1 - 4 H
Feijoeiro 1 – 6 H
Batata 12 – 24 H
Fumo 24 – 56 H
Fósforo
Macieira 7 – 11 D
Cafeeiro 6 – 12 D
Cálcio Feijoeiro 4 D
Enxofre Feijoeiro 8 D
Manganês Feijoeiro 24 – 48 H
Zinco Feijoeiro 24 H
Velocidade de absorção de elementos aplicados às folhas (H – horas; D – dias)Estudos e
Aplicações
Adaptado de Malavolta (2006)

32. Transporte de radiofósforo (32P) aplicado em folhas de muda de caféEstudos e
Aplicações
Fonte: Malavolta (2006)

33. Fonte: Malavolta (2006)
Absorção de 15N-ureia via foliar pelas folhas de algodoeiro e
movimento para o capulho (Fonte: Oosterhuis et al. 1989).
Estudos e
Aplicações

34. Na2
35SO4
aplicado nas raízes
Silva et al. (2003) PAB
Transporte a longa distancia de 35S da raiz para a parte aérea do milhoEstudos e
Aplicações

35. Silva et al. (2003) PAB
Na2
35SO4
aplicado nas folhas
Dreno forte
Dreno fraco
98% 35S
2% 35S
0% 35S
Transporte a longa distancia de 35S das folhas para a raiz da soja
Estudos e
Aplicações

36. Fig. Autoradioagrafia de folha de
coentro (C. sativum) suprida com
0,4 mM 45Ca2+ e posteriormente
expostas à perda de 0,02 g e 0,2 g
de água pela transpiração (a).
Imagens mostram a retenção de
cálcio no centro da folha. (b) Folha
suprida com 40 mM 45Ca2+ e
posteriormente exposta à perda de
0,2 g de água por transpiração. O
cálcio migra para a borda da folha,
nesta concentração de suprimento.
Barra de escala é igual a 1 cm.
Seta = pecíolo.
Kerton; Newbury; Hand and Pritchard (2008)
Transporte de 45Ca em folhas de coentro em função da transpiraçãoEstudos e
Aplicações

37. Schematic of the macroimaging system for real-time isotope imaging and example of use.
Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society
Estudos e Aplicações

38. Comparison of 32P-phosphate uptake between water and soil cultures of Oryza sativa cv.
Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

39. Schematic of microimaging systems and examples of use.
Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

40. Capacities of the system to perform absolute or quantitative measurements.
Kanno S et al. Phil. Trans. R. Soc. B 2012;367:1501-1508©2012 by The Royal Society

41. Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no floemaEstudos e
Aplicações

42. Experimento fisiológico de NMP – movimento do 52Mn no xilema de cevada
Estudos e
Aplicações
Fig. Transporte à longa distância de 52Mn das raízes para a parte aérea de plantas
deficientes em Mn (a) e plantas bem supridas em Mn (b). As imagens foram obtidas por
meio de autoradiografia.

43. Tsukamoto et al. (2006)
52MnRedistribuiçãoTransporte 52Mn

44. Page et al. (2006)

45. Quanto foi absorvido?
Quanto foi redistribuído?
Boaretto et al. (2002)
Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos e
Aplicações
Brotação nova
surgida após a
aplicação

46. Movimento do 65Zn no floema – RedistribuiçãoEstudos e
Aplicações

47. Lombi E et al. J. Exp. Bot. (2011); 62:273-282
Estudos e
Aplicações
Mapa dos elementos por análise de florescência de Raio-X de uma seção
longitudinal de grão de cevada.

48. Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.
Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e Adubações
Estudos e
Aplicações
1. Aprendemos na faculdade que, no cálculo para a
recomendação de adubação o aproveitamento do N
e do P 70 e 50% (estimativas)
2. Comprovou-se com 15N e com 32P que, raramente,
esses valores ultrapassavam de 50 e 10%,
respectivamente.

49. Crédito: T. Muraoka (2012) FertBio Maceió.
Aplicações em Fertilidade do Solo e Adubos e Adubações
Estudos e
Aplicações
• Eficiência agronômica de
fertilizantes;
• Análise de solo – extratores
(valor E);
• Absorção foliar, pelo caule,
pelo fruto;
• Perdas;
• Fixação simbiótica de N.
• Sistema radicular;
• Efeito residual dos adubos;
• Cultivares eficientes
(eficiência de absorção e
de uso);
• Adubação verde e restos
culturais;
• Elementos tóxicos.

50. Desafios Futuros

51. 1. Auxílio no melhoramento do feijão (fixação biológica do N);
Na área da ciência da Nutrição Mineral de Plantas, Fertilidade do Solo, Adubos e
Adubação
2. Fisiologia e funciomanto de raízes novas – maior aquisição de nutrientes (ou
preferência na absorção de 15N-NH4
+ em relação ao 15N-NO3
- em cana);
3. Alimentos mais nutritivos – maior remobilização para a parte comestível;
4. Grandes agricultores: uso eficiente de fertilizantes e boas práticas de manejo
da adubação;
5. Pequenos agricultores: culturas (genótipos) mais eficientes na aquisição do
nutriente – absorção e utilização (> remobilização);
6. Novas fontes de nutrientes, bem como a utilização de sub-produtos (produtos
secundários) – avaliação da eficiência agronômica (i.e., inibidores de
nitrificação).

52. “A radiação não
deve ser temida,
mas sim,
respeitada!”
(E. Malavolta)
Obrigado!
E-mail: jlavres@cena.usp.br