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Fixação biológica de nitrogênio em culturas energéticas O que podemos fazer para produzir mais por unidade de energia investida? Veronica Massena Reis.

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1 Fixação biológica de nitrogênio em culturas energéticas O que podemos fazer para produzir mais por unidade de energia investida? Veronica Massena Reis - Embrapa Agrobiologia Seropédica, Rio de Janeiro

2 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/ mil toneladas – Soqueiras 21,5 % de N aplicado na agricultura brasileira Total = 672 mil toneladas 96 mil toneladas – Cana planta

3 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 Modelo teórico Dentro da porteira

4 Balanço de energia da produção de cana de açúcar no Estado de São Paulo Impacto da adubação nitrogenada Hectare / ano 65 kg N0 kg N200 kg N Produção (peso colmos frescos) 84,0 Mg 100,0 Mg Produção de etanol7224 L 8157 L Entrada energia fóssilGJ 1. Colheita e transporte até a usina Maquinária agrícola Fertilizantes e herbicidas Construções e maquinas Consumo na fáfrica* TOTAL GJ9.82 GJ18.37 Produção energia do etanol134.7 GJ GJ Balanço = Energia no bio-etanol/ energia fóssil investida * Produtos quimicos da industria de processamento como lubrificantes, etc

5 Contribuição para a absorção de radiação infravermelho por três gases da atmosfera CO 2 = 1 CH 4 = 21 N 2 O = 320 Atividade específica Proporção em relação ao impacto total entre 1980 a 2050 CO 2 = 65 % CH 4 = 20 % N 2 O = 14 % De 1980 a 2050 o IPCC estima que a temperature da atmosfera irá aumentar entre 1,5 a 4,7 o C Gases como o CO 2, N 2 O, CH 4 e cloro-fluoro-carbonatos (CFCs) absorvem a radiação infravermelha sendo esta energia convertida em calor = gases de efeito estufa

6 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 cana 34,4 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

7 Cadernos Temáticos de Química Nova na Escola 2 NH O 2 = 2 NO H 2 O + 4 H + 2 NO 2 + O 2 = 2 NO 3 Produção de N 2 O no solo Fatores que aumentam as emissões de N 2 O no solo: 1. Adição de fertilizantes em excesso e não assimilados pelas plantas; 2. Chuvas – aumento atividade microbiológica principalmente em anaerobiose – aceptor de elétrons

8 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

9 RB72454 Milho

10 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 kg Palha……………………………………… 52 kg Folha bandeira (fica no campo) ……… kg Total 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

11 Contribuição do N fixado biologicamente para variedades de cana-de- açúcar e determinada com diluição isotópica de 15 N e balanço de N * *Fonte: Urquiaga, Cruz & Boddey, 1992, Soil Sci. Soc. Am. J. 56:

12 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

13 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.

14 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

15 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.

16 As diferentes comunidades diazotróficas de uma planta rizosfera rizoplano Endófitos facultativos Endófitos obrigatórios Simbioses Interação planta-microrganismo Hoje a pesquisa mostra que:

17 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

18 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, colmos folhas, isolamento estirpes Foto: Ivo Baldani - Agrobiologia Foto: Rosa Pitard - Agrobiologia

19 Cana de açúcar e maneiras e aplicar bactérias fixadoras de nitrogênio atmosférico Plantas micropropagadas Imersão colmos plantio Aplicação nas soqueiras Diferentes, climas, variedades

20 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;

21 Aplicar na cultura as bactérias selecionadas

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23 Como selecionar a melhor estirpe? Inoculado Controle

24 Fase de germinação:

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28 Avaliações: seis coletas mensais com intervalo de aproximadamente 30 dias

29 Produtivida de Colmo fresco RB92579 Comparação dentro do Bloco – Kg m Dias após plantio

30 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)

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33 Usina Japungu - Santa Rita-PB Usina Olho D'água - Timbaúba-PE Usina Coruripe - Coruripe-AL Usina Cruangi - Goiana-PE Usina Pinheiro - Laranjeira-SE Usina Agrovale - Juazeiro-BA Usina Comvap - União-PI 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 Experimentos 10 Estados 17 Usinas

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35 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.

36 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.

37 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. TratamentosRB 72454RB kg ha Controle120,3 b131,3 a Polímero líquido (IPC 0,8)137,2 b139,7 a Polímero gel (IPC 2,2)189,4 a139,3 a 120 kg ha -1 de N 161,0 ab148,2 a C.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.

38 Médias de rendimentos de colmos (Mg ha -1 ) das variedades dos experimentos da região nordeste Variedade Cana planta a soca a soca 2010 ControleinoculadoControleinoculadoControleinoculadoExperimentos RB ,9106,188,788,593,195,7 Usina Cruangi – Fazenda maravilha – PE/ Usina Cruangi – Timbaúba – PE/ Usina Olho D`Água – PE/ Usina Agroindustrial Japungu – PB/ Usina Coruripe - AL RB ,893,767,676,789,1109,0 RB ,192,984,185,8104,0108,1 SP ,398,672,767,184,088,2 RB ,489,6---- RB ,7133,689,9101,789,383,5 IAC , RB ,7133,681,982,5-- RB ,7145,9----

39 Médias de rendimentos de colmos (Mg ha -1 ) das variedades dos experimentos da região nordeste Variedade Cana planta ª soca ª soca 2010 Controleinoculado120 NControleinoculado120 Ncontroleinoculado120 N RB ,9106,1122,088,788,5104,393,393,592,8 RB ,893,7102,667,676,786,989,1109,092,3 RB ,7133,6105, ICA ,8 99, Experimentos: Usina Cruangi – Fazenda maravilha – PE/ Usina Cruangi – Timbaúba – PE/ Usina Olho D`Água – PE/ Usina Agroindustrial Japungu – PB/ Usina Coruripe - AL

40 Médias de rendimentos de colmos das variedades na região noroeste do estado de São Paulo Variedades Cana planta a soca 2010 ControleinoculadoControleinoculadoExperimentos RB ,6109,5115,3112,2 Usina Cruz Alta – Grupo Guarani - SP/ Usina Univalem – Grupo COSAN - SP RB ,8115,7100,4103,0 RB ,9132,7135,6139,4 SP ,7121,991,4104,1 RB ,3128,5118,2132,7 RB ,794,6107,3105,8 CTC2--139,2149,3 CTC4--128,2144,6 CTC ,4133,6

41 Médias de rendimentos de colmos (Mg ha -1 ) dos experimentos de São Paulo Variedade Cana planta ª soca 2009 Experimentos Controleinoculado120 NControleinoculado120 kg Usina Cruz Alta – Grupo Guarani / Usina Univalem – Grupo COSAN RB ,6109,5109,9115,3112,2105,0 RB ,8115,7110,6100,4103,0116,5

42 Detalhes ensaio implantado em São Paulo

43 TAH (Mg ha -1 ) Dados gerais Somatório sem a CTC 15

44 Pol (%)

45 ATR (kg t -1 )

46 Variedade: SP Tratamentos Controles 2 doses do inoculante (1: 1x10 5 e 2: 1x10 6 cel mL -1 ) 3 doses de N (50, 100 e 150 kg ha -1 )- Nitrato de amônio Total: 12 tratamentos Área experimental Parcelas: 6 linhas de 80 metros – Doses do inoculante Sub-parcelas: 6 linhas de 20 metros – Doses de N Espaçamento: 1,40 m Delineamento Blocos ao acaso com 5 repetições – parcelas subdivididas Área total do experimento: 11,088 m 2 Ensaio com soqueira

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48 Sem inoc: y = 66,49 + 0,1177x - R 2 = 0,99*** Inoc 1: y = 73,07 + 0,0844x - R 2 = 0,85*** Inoc 2: y = 69,34 + 0,10215x - R 2 = 0,80*** Produtividade de colmos Segunda soqueira (2008/2009) CV parcela: 11% CV sub-parcela: 8,7%

49 Produtividade de colmos Terceira soqueira (2009/2010) Sem inoc: y = 83,93 + 0,0678x - R 2 = 0,69** Inoc 1: não significativo Inoc 2: y = 85,45 + 0,2654x - 0,0020x 2 - R 2 = 0,89**

50 TratamentosTCHATRTAH Receita bruta Custo CCT Custo do tratamento Custo total MCA N (kg ha -1 ) Inoculante (Dose)* t ha -1 Kg t -1 Kg ha -1 R$ ha ,85 153, ,07 153, ,30 156, ,36 156, , ,36 159, , ,32 154, , ,25 158, ,36 156, ,92 156, ,85 157, , ,80 156, , ,46 157, , Margem de contribuição agrícola (MCA) Safra 2008/2009

51 Margem de Contribuição Agrícola

52 TratamentosTCHATRTAH Receita bruta Custo CCT Custo do tratamento Custo total MCA N (kg ha -1 ) Inoculante (Dose)* t ha -1 Kg t -1 Kg ha -1 R$ ha ,45149, ,870,01747,872783, ,10153, ,5350,01896,533113, ,62154, ,00100,01894,003019, ,04155, ,03103,52033,533301, ,10153, ,53153,52106,033210, ,12155, ,81203,52241,313371, ,78152, ,86207,02067,862986, ,98153, ,81257,02185,813080, ,16156, ,09307,02197,093056, ,84153, ,57310,52321,073157, ,62150, ,36360,52302,862898, ,30152, ,43410,52112,932494,56 Margem de contribuição agrícola (MCA) Safra 2009/2010

53 Margem de Contribuição Agrícola

54 Novos produtos que podem vir a atender a demanda de uso de inoculantes

55 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


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