Fitodisponibilidade de metais em milho (Zea mays) cultivado com aplicação de biossólido

Phytoavailability of metals in maize (Zea mays) grown with sewage sludge application

Affonso C. Gonçalves Junior^1*, Herbert Nacke², Daniel Schwantes³, Gustavo F. Coelho⁴, Ricardo F. Braga de Sousa⁵ e Adir Airton Parizotto⁶

¹ Centro de Ciências Agrárias, Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Campus de Marechal Cândido Rondon, Rua Pernambuco, 1777 - Caixa Postal: 91, 85960-000 Marechal Cândido Rondon – PR, Brasil. E-mail: affonso133@hotmail.com, author for correspondence

² Colegiado de Agronomia, Centro Universitário Dinâmica das Cataratas,Campus de Foz do Iguaçu, Paraná, Brasil, Rua Castelo Branco, 349, CEP:85852-010. E-mail: herbertnache@hotmail.com

³ Escola Politécnica, Pontifícia Universidade Católica do Paraná, Paraná, Brasil, Av. da União, 500, CEP: 85902-532. E-mail: daniel.schwantes@pucpr.br

⁴ Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Campus de Marechal Cândido Rondon, Rua Pernambuco, 1777 - Caixa Postal: 91, 85960-000 Marechal Cândido Rondon – PR, Brasil. E-mail: gf_coelho@yahoo.com.br

⁵ Universidade Estadual do Oeste do Paraná, Campus de Marechal Cândido Rondon, Rua Pernambuco, 1777 - Caixa Postal: 91, 85960-000 Marechal Cândido Rondon – PR, Brasil. E-mail: r_felipe_b@hotmail.com

RESUMO

A reciclagem e utilização de lodo de esgoto na agricultura é uma prática cada vez mais difundida no Brasil, entretanto, são necessários estudos relacionados com a possível contaminação ambiental por metais pesados devido ao uso deste material. Desta forma, o objetivo deste trabalho consistiu em avaliar a fitodisponibilidade de metais pesados na cultura do milho cultivada com diferentes doses de biossólido, incrementadas ou não com fertilizante mineral N:P2O5:K2O. O ensaio foi conduzido em delineamento inteiramente casualizado, com esquema fatorial 5x2, com quatro repetições. Aos 45 dias após a emergência de plantas o ensaio foi finalizado e as plantas coletadas para avaliação dos teores dos metais pesados Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Pb e Cr. Os resultados demonstraram apenas os teores de Zn aumentaram gradativamente com o incremento das doses de biossólido, sendo que a utilização do biossólido junto com o fertilizante mineral não proporcionou médias diferentes em relação ao biossólido isoladamente. Observou-se ainda que não ocorreram teores fitotóxicos dos metais pesados avaliados nas plantas de milho. Conclui-se pelos dados experimentais que uma única aplicação de biossólido não é suficiente para proporcionar translocação de metais tóxicos, entretanto evidencia-se a necessidade maiores estudos com relação a aplicações sucessivas deste material.

Palavras-chave: disponibilidade, fitotoxicidade, lodo de esgoto.

ABSTRACT

The recycling and use of sewage sludge in agriculture is an increasingly widespread practice in Brazil, however, studies related with the possible contamination with heavy metals due to the use of this material are needed. Thus, the objective of this work was to evaluate the phytoavailability of heavy metals in corn grown under different sewage sludge doses, incremented or not with mineral fertilizer N: P2O5: K2O. The experiment was conducted in a randomized design, with a 5x2 factorial scheme, with four replications. At 45 days after plant emergence the experiment was terminated and the plants collected to evaluate the levels of heavy metals Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Pb and Cr. The results showed that only Zn levels increased gradually with increasing of sewage sludge doses, and the use of biosolids along with chemical fertilizer did not provide different means in relation to sewage sludge alone. We also observed that there were no phytotoxic levels of heavy metals assessed in maize. It was concluded with this experiment that a single biosolids application was not sufficient to provide environmental contamination, but highlights the need for further studies with respect to successive applications of this material.

Keywords: availability, phytotoxicity, sewage sludge

Pesquisas no Brasil têm incentivado a reciclagem do lodo de esgoto estabilizado como biossólido para utilização na agricultura como uma técnica alternativa e/ou complementar a adubação mineral convencional (Lemainski e Silva, 2006^a; Lemainski e Silva 2006^b; Silva et al., 2010). Existem indícios que os biossólidos melhoram a qualidade dos solos, devido aos elevados teores em matéria orgânica e nutrientes (Costa et al., 2009^a; Barros et al., 2011).

Segundo Boeira e Maximiliano (2009), embora seja importante efetuar a reciclagem de resíduos antrópicos, ainda existe uma carência de informações consistentes que garantam a utilização segura de biossólido na agricultura. Um dos efeitos negativos da aplicação destes materiais é a incorporação de metais tóxicos, que podem causar impactos ambientais negativos, como a contaminação do solo, plantas, águas superficiais e subterrâneas (Costa et al., 2009^b; Vitali et al., 2008), onde além de não apresentarem quaisquer benefícios ao organismo humano, a presença destes nos solos constituem um grave problema ambiental devido a sua persistência e elevado poder de toxicidade (Silva et al., 2007; Bertoli et al., 2011).

De acordo com Duffus (2002), para a definição do termo metal pesado ou elementos traços, deve-se levar em consideração características químicas importantes, como densidade, massa atómica, número atómico, propriedades químicas, bem como definições que levam em consideração a toxicidade destes. Estes elementos ocorrem naturalmente nos solos e alguns, como o cobre (Cu), zinco (Zn), ferro (Fe), manganês (Mn), molibdénio (Mo) e cobalto (Co) desempenham importante papel na nutrição de plantas e animais, enquanto outros, como o cádmio (Cd), chumbo (Pb), cromo (Cr), arsénio (As) e mercúrio (Hg) ocasionam efeitos prejudiciais sobre vários componentes da biosfera (Alloway, 1995; Kabata-Pendias e Pendias, 2001).

As primeiras normas regulamentadoras do uso de biossólido na agricultura no Brasil seguem critérios de países de clima temperado, que possuem diversas pesquisas relacionadas à interação deste material com o solo e plantas, e o monitorização contínua após a sua aplicação (Marques et al., 2007; Bastos et al., 2013). Com o crescente aumento dessa prática, o Ministério do Meio Ambiente por meio do Conselho do Meio Ambiente (CONAMA), elaborou a resolução n. 375, de 29 de agosto de 2006, que define critérios e procedimentos, para o uso agrícola de lodos de esgoto gerados em estações de tratamento de esgoto sanitário e seus produtos derivados, e dá outras providências (Brasil, 2006). Todavia, os resultados não podem ser extrapolados para todos os tipos de biossólidos ou para todas as culturas cultivadas em climas tropicais, uma vez que as condições dos materiais e ambientais são diferentes, principalmente com relação às características fisicoquímicas dos lodos utilizados, necessidades das culturas e às propriedades específicas dos solos (Marques et al., 2007).

Muitos trabalhos têm verificado a fitodisponibilidade de metais tóxicos (Cd, Pb e Cr) em diversas culturas pela aplicação de fertilizantes, como Nava et al. (2011) e Gonçalves Jr. et al. (2011) na cultura da soja, Zenatti et al. (2012) na cultura da Tifton 85, Gonçalves Jr. et al. (2012) e Nacke et al. (2013) na cultura do milho e Gonçalves Jr. et al. (2013a) e Gonçalves Jr. et al. (2013b) na cultura do hissopo.

Nestes pressupostos, o objetivo deste trabalho consistiu em determinar a fitodisponibilidade dos metais Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Pb e Cr em plantas de milho cultivadas com diferentes doses de biossólido proveniente de uma estação de tratamento de esgoto, visando o uso sustentável deste material na agricultura.

Material e Métodos

Caracterização do ensaio

O delineamento experimental utilizado foi inteiramente casualizado (DIC) em esquema fatorial 5x2, sendo os tratamentos constituídos por cinco doses de biossólido (0; 10,0; 20,0; 40,0 e 60,0 Mg ha-1) e duas formas de fertilização (com e sem N:P₂O₅:K₂O), com quatro repetições, totalizando 40 unidades experimentais. As doses foram determinadas a partir de valores crescentes da dose de biossólido considerada adequada (10 Mg ha-1), segundo a Resolução Nº 375 de 29 de agosto de 2006 do CONAMA (Brasil, 2006).

Caracterização do solo

O solo utilizado no ensaio foi colhido na camada arável (0 a 20 cm de profundidade), sendo posteriormente seco ao ar e peneirado a uma granulometria de 4 mm.

Para caracterização do solo (Quadro 1) foi efetuada a secagem do mesmo em estufa de circulação forçada de ar a 45^oC, sendo posteriormente realizada a análise química de rotina e micronutrientes (Pavan et al., 1992). Para determinação dos metais tóxicos Cd, Pb e Cr realizou-se digestão nitroperclórica (AOAC, 2012) seguida de técnicas de espectrometria de absorção atómica, modalidade chama (EAA/chama) (Welz e Sperling, 1999). A análise granulométrica foi realizada segundo o método da pipeta (Embrapa, 2006), sendo que os valores de argila, silte e areia foram 321,67; 77,12 e 601,21 g kg^-1 respectivamente.

Caracterização do biossólido

O biossólido utilizado no ensaio foi colhido numa Estação de Tratamento de Esgoto (ETE) da Companhia de Saneamento do Paraná (SANEPAR), localizada no município de Foz de Iguaçu-PR, obtido pelo processo de digestão anaeróbica de lodo ativado em um reator anaeróbico de leito fluidificado (RALF) e posteriormente tratado com calcário.

Para determinação das concentrações dos metais Cu, Mn, Zn, Fe, Cd, Pb e Cr foi realizada digestão nitroperclórica (AOAC, 2012), seguida de técnicas de EAA/chama, utilizando calibração com padrões certificados para todos os metais (Welz e Sperling, 1999). Os resultados são apresentados na Quadro 2.

Condução do ensaio

De acordo com os resultados da análise química do solo (Quadro 1) constatou-se a necessidade de correção da acidez, desta forma foi realizada a calagem com aplicação de 1,09 Mg ha^-1 de CaCO3 (Coelho, 2006). Em seguida foi realizada a fertilização das doses de biossólido em seus respectivos tratamentos e na qual o solo foi incubado pelo período de 30 dias (Simonete et al., 2003), sendo utilizado o volume de 4,0 dm³ de solo em cada vaso.

Durante todo o ensaio manteve-se, no solo, umidade correspondente a 70% da capacidade máxima de retenção de água (Van Raij et al., 1997).

Aos 30 dias após a emergência das plantas (DAE), realizou-se uma fertilização de cobertura para fornecimento de N em todos os tratamentos, desta forma, foram aplicados 120 kg ha^-1 de N na forma de sulfato de amónio [(NH4)2SO4] (Coelho, 2006).

O ensaio foi conduzido até 45 DAE, e ao final deste período as plantas foram cortadas rentes ao solo para as análises da parte aérea. No laboratório as plantas foram lavadas primeiramente com água de torneira e detergente, e posteriormente com água destilada e deionizada, após a lavagem o material vegetal foi desidratado e triturado para posterior análise química.

As concentrações dos metais Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Pb e Cr nos tecidos da parte aérea foi determinada por meio de digestão nitroperclórica (AOAC, 2012), seguida de técnicas EAA/chama utilizando calibração com padrões certificados para todos os metais (Welz e Spearling, 1999).

Análise estatística dos dados

Todos os dados obtidos experimentalmente foram submetidos à análise de variância (ANAVA), as variáveis cujos resultados revelaram significância a 5% de probabilidade de erro, tiveram as médias comparadas pelo teste de Tukey, considerando que as doses de biossólido neste trabalho não são ortogonais, ou seja, representam um fator quantitativo não equidistante, logo o ajuste de equações de regressão não descreveria o comportamento da aplicação de biossólido de modo apropriado. Utilizou-se como auxílio o programa estatístico SISVAR 5.0 (Ferreira, 2003).

Resultados e Discussão

Os altos teores de micronutrientes presentes no Latossolo Vermelho eutrófico (LVe) apresentados no Quadro 1 podem ser explicados pelo material de origem basáltica deste solo, sendo as rochas máficas o seu principal material de origem. Solos originados de rochas máficas, segundo Biondi et al. (2011) possuem altas concentrações de Fe, Mn, Zn, Cu.

Ainda de acordo com o Quadro 3, não foi encontrada diferença significativa para a interação entre biofertilizante e adubação mineral (N:P₂O₅:K₂O). Para os tratamentos que receberam ou não fertilização mineral (N:P₂O₅:K₂O) houve diferença significativa (p<0,05) apenas para os teores foliares de Zn. Ao passo que para a interação entre doses e fertilização não foram encontradas diferenças significativas (p>0,05) para as médias das concentrações de nenhum elemento no tecido foliar das plantas de milho.

Resultados semelhantes foram observados por Rangel et al. (2006), Luchese et al. (2008) e Nogueira et al. (2008) que verificaram um aumento dos teores de Zn nas folhas de milho em função da aplicação de biossólido. Este fato pode estar relacionado com os altos teores de Zn encontrados no biossólido, sugerindo que essa fração de Zn contido no biossólido torna-se disponível para a planta de milho, ou seja, conforme aumentam as doses ocorre também um aumento no teor disponível no solo possibilitando a absorção pela planta (Nogueira et al., 2008). Ou ainda pelo fato de que o Zn possui alto coeficiente de transferência, proporcionando uma alta disponibilização deste para as plantas (Lasat, 2000).

Com relação aos teores foliares de Zn em função da fertilização, observa-se que a adubação mineral proporcionou menores teores deste elemento nas plantas em relação à ausência da adubação mineral (15,30 mg kg^-1 com N:P₂O₅:K₂O contra 18,70 mg kg^-1 sem N:P₂O₅:K₂O). Este comportamento pode estar associado à inibição competitiva existente entre os elementos P e Zn, onde o primeiro interfere negativamente no segundo (Carneiro et al., 2008), demonstrando, neste trabalho, que a suplementação mineral de P prejudicou o acúmulo de Zn pelas plantas de milho.

Entretanto de acordo com Rangel et al. (2006) o uso contínuo do biossólido poderia contaminar o solo e as plantas com teores fitotóxicos de Zn, já que o teor deste nutriente está relacionado com o aumento das doses do resíduo.

Não foram detectados teores de Cd no tecido vegetal das plantas de milho, entretanto, isto não significa que não existem teores deste metal nas plantas, podendo o Cd estar em concentrações abaixo do limite de quantificação (LQ = 0,005) do método utilizado (EAA/Chama).

O fato da não detecção de Cd, segundo Shtangeeva et al. (2011) pode ser considerado normal, já que as raízes podem absorver este elemento porém, é pouco translocado para a parte aérea das plantas, por ser um processo não específico e ocorrendo de forma controlada e restrita. Esta dinâmica, geralmente, ocorre em solos com baixas concentrações de metais pesados, dado que em solos com altas concentrações as plantas podem acumular elementos tóxicos em seus órgãos.

Vale ressaltar também que neste ensaio somente foi realizada uma fertilização, porém aplicações sucessivas de biossólido podem ocasionar uma acumulação de Cd no solo. De acordo com Freitas et al. (2009) a acumulação e metais tóxicos em solos é considerada de grande preocupação para diversos órgãos ambientais e investigadores, por conduzir não apenas à diminuição da produtividade das culturas em decorrência de seus efeitos fitotóxicos mas também a efeitos deletérios à saúde humana e animal.

Segundo Gonçalves Jr. et al. (2012) a necessidade de estudos relacionados com aplicações sucessivas de biossólido torna-se importante, uma vez que esta prática pode resultar em incremento dos teores de metais pesados no solo e, consequente, entrada destes elementos na cadeia alimentar, ocasionando contaminação a animais, humanos e do meio ambiente

Para o elemento Cu, a semelhança estatística entre as médias de todos os tratamentos pode ser explicada pelo fato de que ocorre a formação de complexos altamente estáveis entre este elemento e a matéria orgânica do solo (MOS). Fenómeno favorecido pelo aumento da matéria orgânica do solo causado pela adição de biossólido, proporcionando assim, uma baixa disponibilização e consequente absorção deste metal pela planta (Silva e Vitti, 2008).

As médias encontradas para as concentrações de Zn, Fe, Mn e Pb no tecido foliar das plantas de milho em função das diferentes doses de biossólido utilizadas podem ser visualizadas no Quadro 4.

No Quadro 4 observa-se pouca diferença entre os teores foliares médios de Fe e Mn, que pode ter sido ocasionada pela calagem realizada no solo antes do cultivo das plantas, que provoca elevação do pH do solo e estabilização dos metais por meio de ligações químicas, ocasionando desta forma diminuição na disponibilidade desses elementos para as plantas (Alvarez et al., 2008).

De acordo com Fernandes et al. (2006), no caso Fe, este fato também pode estar relacionado com a rápida conversão do Fe solúvel do biossólido em compostos insolúveis oxidados e não disponíveis a planta, o que justifica o alto teor deste elemento no biossólido (Quadro 2) de 34.883 mg kg^-1, e os teores Fe em níveis adequados encontrados a cultura do milho neste estudo Quadro 4).

Resultados semelhantes foram encontrados por Pigozzo et al. (2002) em plantas de milho submetidas a aplicação de lodo de esgoto, sendo que na referida pesquisa esperava-se que as plantas de milho apresentassem teores fitotóxicos devido ao elevado teor de Fe no biossólido o que não foi observado.

Para as médias dos teores de Pb observa-se que a dose sem a aplicação de biossólido (dose 0,0) proporcionou o maior acúmulo deste metal pelas plantas, fato que novamente pode ser explicado pela complexação e estabilização deste junto a matéria orgânica do solo favorecida pela aplicação do biossólido.

De acordo com a USEPA (1992) na presença de agentes complexantes e/ou catiões competidores pelos sítios ativos, o Pb pode apresentar uma diminuição de sua adsorção nos coloides do solo, podendo apresentar alta afinidade com ligantes orgânicos, ocasionando a formação de complexos que aumentam a mobilidade do Pb no perfil do solo sendo desta maneira percolado ou lixiviado.

De acordo com Shtangeeva et al. (2011) o Pb acumula-se na endoderme, atuando como barreira parcial nas paredes da célula das raízes, formando em certa condições precipitados amorfos, como fosfato de chumbo, no caso do milho. Alguns metais, como o Pb, concentram-se nas raízes, não sendo transportados para a parte aérea, por exemplo plantas como a soja e o milho, excluem esses elementos dos grãos.

Em estudo realizado por Gonçalves Jr. et al. (2012) constatou-se que o biossólido quando utilizado na cultura do milho sem suplementação com fertilizantes minerais resultava em menor número de folhas, altura de plantas e menor massa seca da planta.

Mesmo considerando que não ocorreram concentrações em níveis tóxicos para as plantas dos metais pesados avaliados no material vegetal deste ensaio, não se deve inferir que o biossólido é um material inócuo do ponto de vista ambiental, e sim reforçar a necessidade da continuidade de pesquisas de longa duração, avaliando-se os efeitos de aplicações sucessivas deste material nos cultivos agrícolas, uma vez que os resultados obtidos neste trabalho foram provenientes de apenas uma aplicação. Ressalta-se ainda que as concentrações de contaminantes nos biossólidos variam muito de acordo com a origem de sua matéria prima, sendo necessário a monitorização e as devidas análises nestes materiais antes de sua recomendação e uso.

Conclusões

O uso de biossólido proporcionou aumento da concentração dos teores de Cu e Zn no tecido foliar do milho.

A aplicação de biossólido não proporcionou o acúmulo, em nível tóxico para as plantas de milho, dos metais pesados Cu, Zn, Fe, Mn, Cd, Pb e Cr.

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Recebido/Received: 2014.01.29

Aceite/Accepted: 2014.09.14