1 de abril de 2020
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Um protótipo da plataforma que futuramente integrará o sensor LIBS. Cortesia BonaRes/I4S
O Handheld LIBS permite analisar cada metro quadrado de solo, no local e em tempo real. Cortesia BonaRes/I4S
Nos últimos quatro anos, o Dr. Daniel Riebe, da Universidade de Potsdam, na Alemanha, tem trabalhado em um campo científico distante de sua formação em físico-química. Riebe faz parte de um projeto de longo prazo financiado pelo governo que ajudará a moldar o futuro da alimentação e da agricultura: trabalhar com a LIBS para analisar o solo como um recurso sustentável para a bioeconomia. A análise de solo tradicional consiste em os agricultores coletarem amostras de solo de diferentes partes de seus campos, misturá-los e, em seguida, obter um resultado de laboratório por campo. No entanto, é comum que o solo tenha diferentes composições elementares no mesmo campo. O projeto de Riebe é único porque visa medir a distribuição heterogênea de nutrientes no local, em todas as partes do campo, incluindo indicadores-chave desafiadores, como carbono e fósforo.
A chave para essa nova abordagem é mover a espectroscopia de quebra induzida por laser para fora do laboratório e para o local de trabalho. Sua primeira escolha de instrumento foi o SciAps LIBS, que é o único LIBS portátil com potência de laser suficiente para produzir um espectro completo do solo.
“Não precisamos usar um sistema tão pequeno, mas usar um computador de mão foi uma ideia interessante para mim”, diz Riebe. Ele poderia caminhar por um campo carregando o analisador e áreas de teste com relativamente nenhum trabalho de preparação. Criar esse sistema de gerenciamento de solo não foi fácil, mas a equipe de Riebe está fazendo um progresso significativo em direção ao objetivo final de construir uma plataforma com sensores que podem se conectar a um trator que atravessa um campo, analisando o solo no local e em tempo real.
BonaRes: O solo como recurso sustentável
BonaRes é uma iniciativa financiada pelo Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa, para ampliar a compreensão científica dos ecossistemas do solo e melhorar a produtividade dos solos e outras funções do solo, enquanto desenvolve novas estratégias para o uso sustentável e manejo dos solos.
Riebe trabalha com um dos dez projetos BonaRes, Sistema Integrado para Manejo da Fertilidade do Solo Específico do Local (I4S). O foco de sua equipe é a detecção do solo, e eles esperam projetar um sistema para recomendações de fertilizantes e melhoria das funções do solo em relação a quase cada metro quadrado de solo.
Desenvolver um procedimento que avalia campos individuais com mais precisão e em tempo real conservará recursos e criará um sistema de gerenciamento de solo aprimorado. Os agricultores economizarão em fertilizantes, ao mesmo tempo em que protegerão as águas subterrâneas próximas do excesso de poluição por nitrogênio e outros escoamentos.
Amostragem com LIBS portátil
Um dos primeiros passos da equipe I4S foi analisar o solo no campo. O teste com LIBS foi obrigatório porque a espectroscopia de quebra induzida por laser pode medir todos os elementos. Mas encontrar um LIBS portátil que pudesse fazer o trabalho no solo era fundamental. “Escolhemos especificamente o SciAps LIBS porque ele tinha a maior energia do laser. Com outros LIBS portáteis, não obteríamos um espectro de uma amostra de solo. Eles são estritamente para ligas metálicas”, diz Riebe. Andar pelo campo com um analisador portátil foi um divisor de águas. Até agora, o padrão tem coletado muitas amostras em campo e depois levado ao laboratório para verificação com o ICP-OES. A própria preparação da amostra leva uma ou duas horas apenas para dissolver o solo no ácido.
“Você só pode fazer tantas amostras em um dia. É muito lento em comparação com o LIBS porque podemos testar o solo quase sem preparação de amostras”, diz Riebe. A equipe do I4S fez uso da capacidade do LIBS para medir parâmetros não elementares, como pH e teor de húmus. O conteúdo de húmus é todo o material orgânico nos solos – tudo o que costumava ser plantas e o material que os micróbios do solo já transformaram. O carbono orgânico é o carbono que as plantas podem acessar do solo. O carbono inorgânico é o carbono que as plantas não podem acessar dos solos. Os dois juntos é o carbono total.
Para as plantas, o carbono total é irrelevante. As plantas dependem do carbono orgânico e do teor de húmus. “A única razão pela qual podemos medir o carbono orgânico é por causa dos algoritmos de aprendizado de máquina. Os espectros LIBS contêm informações sobre toda a composição elementar das amostras, o que é muita informação, então pode ser usado para muitas coisas”, diz Riebe. Toda a gama de elementos, incluindo os elementos leves, é acessível por LIBS - como o fósforo, um elemento essencial para o crescimento das plantas.
“O teor de fósforo é um dos elementos mais difíceis de medir com LIBS porque os picos são muito pequenos, mas em nosso estudo, pudemos medir o fósforo disponível para a planta com melhor precisão do que o fósforo total. Geralmente o oposto é verdadeiro. Foi um sucesso podermos medir o fósforo, que é o elemento mais importante depois do nitrogênio para os agricultores, e encontrar a correlação para isso”, diz Riebe.
O futuro da gestão global do solo, em um dispositivo portátil
As descobertas de Riebe até agora deram a ele uma perspectiva global sobre a importância do solo. “O solo não é realmente um organismo, mas um ecossistema vivo com processos complexos. Sempre soube que havia micróbios vivendo no solo, mas não sabia o quanto a interação entre plantas e solo era importante para o crescimento das plantas”, diz Riebe.
Testes em campo resolveriam vários problemas prementes para os administradores de solo. Uma delas é a sobrecarga de nitrogênio. “É importante para as plantas, mas um grande problema para as águas subterrâneas e outros ecossistemas. A UE está fazendo regras mais rígidas para a quantidade de nitrogênio que os agricultores usam para fertilizar seus campos”, diz Riebe. Se as regras ficarem mais rígidas, os agricultores, em algum momento, serão forçados a limitar o uso de fertilizantes. Por causa deste projeto, a equipe I4S teria um método para ajudá-los a analisar seus campos, o que lhes permitiria fertilizar apenas quando necessário.
Outro benefício é o potencial do LIBS para medir os nutrientes traço. “Os nutrientes vestigiais não são trazidos para os campos hoje. Não é porque os campos não precisam, mas porque é difícil dizer se é necessário ou não. A informação que falta sobre esses elementos é a importância que eles têm para as plantas. É desconhecido porque não há dados sobre oligoelementos em solos específicos. No entanto, LIBS pode medir todos os elementos. No futuro poderemos aprender mais sobre outros nutrientes, o que poderá nos ajudar a criar fertilizantes mais específicos para melhorar os processos agrícolas”, diz Riebe.
Olhando para o futuro, Riebe vê a diferença que este projeto fará, não apenas para os agricultores, mas para todos nós. Na discussão ambiental global, o carbono é o elemento chave. O projeto da equipe I4S pode ser uma pesquisa fundamental para empreendimentos futuros. “Há muito carbono armazenado no solo. Esta poderia ser uma solução para alguns dos problemas do aquecimento global. A captura de carbono tem que ser feita de alguma forma se quisermos evitar mais aquecimento global. O solo é uma das maiores chances que temos de fazer isso acontecer”, diz Riebe.
Para saber mais sobre aplicações no solo, consulte Soil Nutrient Detection for Precision Agriculture Using Handheld Laser-Inposed Breakdown Spectroscopy (LIBS) and Multivariate Regression Methods (PLSR, Lasso and GPR) na revista Sensores, publicado em 11 de janeiro de 2020. Abaixo, consulte SciAps ApNote sobre medição rápida de carbono total no solo usando SciAps Z-300.
Contate-nos (academic@sciaps.com) com uma breve descrição do que você deseja medir. À medida que seu trabalho avança, gostaríamos de receber atualizações contínuas. Não se preocupe, entendemos que você não pode comprometer uma futura publicação. Vamos obter o analisador, treiná-lo em um horário agendado regularmente (geralmente via GoTo Meeting ou Skype, mas pessoalmente também funciona). O objetivo é aumentar a conscientização sobre o incrível mundo de aplicativos disponíveis para LIBS e XRF portáteis. [Observe que, neste momento, devemos limitar o programa de empréstimo a pesquisadores que trabalham em instituições dos EUA e do Canadá. No entanto, pesquisadores desses países podem viajar globalmente com o analisador.]